Условия равновесия тел - виды, формулы и примеры

Общие сведения

Статика — это наука, изучающая силы, при которых положение тела не изменяется в пространстве. Такая ситуация называется равновесием. Особенность покоящихся тел в том, что в таком состоянии они не обладают ускорением и скоростью, а результирующая сила и момент равны нулю. Поэтому и кажется, что на тело не оказывается никакого воздействия, но на самом деле это не так.

В общем смысле под равновесием понимают состояние, которое может сохраняться сколько угодно долго, если нет внешних воздействий. Это утверждение справедливо для любого вида состояния покоя. Например, механического, теплового, экономического, политического и тому подобного.

В механике состояние движения физической точки описывает скорость. Если она не изменяется, то параметр всегда постоянный. Значит, под механическим равновесием можно понимать состояние прямолинейного равномерного движения. Кроме этого, при определённых условиях к нему можно отнести и обращение. Например, вращающееся колесо, которое крутится на оси без учёта сил трения.

При воздействии различных сил на материальную точку объект может вести себя трояко. В соответствии с этим различают три вида реакции физического тела на попытку вывести его из этого положения:

1. Устойчивое — после окончания воздействия возникают силы, которые возвращают объект в начальное состояние. Например, жёлоб с шариком. В исходном положении на объект действует сила тяжести и нормального давления (упругость лунки), направленные в противоположные стороны. Если шар переместить, то угол между воздействиями изменится. Их равнодействующая не будет нулевой, а её направление заставит тело вернуться в исходное состояние.
2. Неустойчивое — равновесие при малом отклонении, от которого возникают силы, удаляющие тело от положения покоя. Например, шар, находящийся на вершине выпуклой поверхности. Если его сдвинуть, то равнодействующая станет направленной от начального состояния, а тело скатится.
3. Безразличное — случай, при котором не возникают силы, приближающие или удаляющие материальную точку. Например, горизонтальная твёрдая поверхность.

Следует отметить, что для того чтобы узнать, какой вид равновесия присущ ситуации, необходимо вывести объект из положения покоя. При этом первостепенной задачей статики является изучение условий, которые приводят к одному из трёх состояний тела, и их математическое описание.

Центр тяжести и условия равновесия

Простейшим случаем, при котором материальная точка находится в равновесии, будет тот, когда нет вращения, а размерами тела можно пренебречь. В этом случае ускорение равняется нулю: a = 0. Выяснить условия равновесия значит определить действующие силы. Согласно второму закону Ньютона, их равнодействующую можно найти из произведения массы на ускорение: F = m * a. Отсюда следует, что в состоянии покоя F = 0.

Реальное тело имеет определённые размеры. Чтобы определить для такого случая условие, необходимо рассмотреть самый простой вид движения — поступательное. Им называют перемещение, при котором все точки в теле двигаются одинаково, то есть с одной и той же скоростью. А это значит, что ускорения для всех его частиц будет постоянным и равняться нулю.

Пусть имеется горизонтальная поверхность, на которой находится, например, тележка. Через неё можно провести условную прямую под любым наклоном к горизонту. Места пересечения контуров тела с построенной линией будут точками A и B. К любой из них можно приложить силу F. Тележка начнёт двигаться. Эту силу можно перенести вдоль линии к другой точке, не изменяя направления, то есть сменить место приложения. В результате никаких изменений не произойдёт.

Но предыдущих двух условий мало, чтобы можно было сформулировать достаточные условия. Например, пусть есть карандаш, лежащий на столе.

Сумма действующих на него сил равняется нулю, но при этом он может вращаться. Значит, важным условием должно быть отсутствие углового ускорения. Другими словами, состояние, при котором момент внешних сил равен нулю.

Таким образом, если тело находится в равновесии, для него должны выполняться три условия:

• равнодействующая всех сил, приложенных к объекту, равняется нулю: F = F1 + F2 +…+ Fn = 0;
• действие силы не изменяется при переносе точки её приложения вдоль линии действия;
• объект будет иметь неподвижную ось вращения лишь тогда, когда алгебраическая сумма моментов действующих на него сил относительно оси равна нулю: M = M1 + M1 +…+ Mn = 0.

Перечисленные условия являются необходимыми для нахождения тела в состоянии равновесия. Составив систему из уравнений, можно решать задачи с тремя неизвестными, что часто оказывается более чем достаточно, особенно для школьной программы.

Закреплённая ось вращения

Объект не будет вращаться, если равнодействующая приложенных к нему сил будет равняться нулю. Пусть имеется тело эллипсоидной формы. Чтобы оно не перемещалось поступательно, необходимо добиться одинакового движения точек.

В предмете можно сделать отверстие, которое будет обозначать ось вращения. Тогда центры перемещения точек находятся на этой линии.

К произвольно взятому месту A можно приложить силу F. Тело начнёт поворачиваться до тех пор, пока не наступит ситуация, при которой линия действия F начнёт проходить через ось. Тогда вращение прекратится. То есть произойдёт компенсирование реакцией оси. Кроме того, эти два действия не только лежат на одной линии, но и равны по модулю.

Из второго условия равновесия следует, что силу можно перемещать вдоль оси. Если это сделать, то к противоположной точке A окажется приложено две силы. Они будут равны по величине, но противоположны по направлению. Эта пара действует на закреплённую ось, поэтому предмет, необязательно эллипсоидной формы, вращаться не будет.

Таким образом, тело любого размера и массы с закреплённой осью будет находиться в равновесии, если линия действия приложенной к ней силы проходит через ось. Это простая ситуация. Но может случиться так, что на тело будет оказываться воздействия одновременно с нескольких сторон. Причём они будут приложены к разным местам тела. В этом случае, как и в первом, всё равно можно будет подобрать такую силу, которая будет действовать, как все существующие.

Значит, обобщённое определение можно сформулировать так: тело с закреплённой осью вращения будет находиться в равновесии, если линия действия равнодействующей приложенных воздействий проходит через ось.

Но на самом деле этим правилом пользоваться неудобно, так как часто найти общее действие бывает довольно сложно. Поэтому используют плечо силы. Это кратчайшее расстояние до оси вращения. Физически величина равна произведению модуля действия на её плечо и называется моментом. Описывают её формулой: M = F * d, где первый член — модуль, а второй — плечо относительно оси вращения.

За единицу измерения момента принимают ньютон, умноженный на метр (Н * м). Причём эта величина может иметь как положительное, так и отрицательное значение. Выбор знака зависит от направления. Строго требования нет, но в математике вращение по часовой стрелке считают плюсовым, а против — минусовым.

Решение задач

Важно не только знать теоретический материал, но и уметь применять его на практике. Единого метода решения задач в статике не существует. В учебных классах по физике можно встретить плакаты, на которых изображён алгоритм вычислений, когда тело находится в инерциальной системе отсчёта (ИСО). Последовательность действий выглядит так:

1. Выбрать одно тело и изобразить на диаграмме все действующие на него силы и точки, к которым они приложены.
2. Использовать удобную систему координат, на которой можно разложить воздействия на составляющие.
3. Неизвестные обозначить буквами и составить уравнения для суммы всех сил и моментов, приравняв их к нулю.
4. Решить систему, найдя нужные величины.

Несомненно, самым трудным будет первый шаг. Вот один из примеров среднего уровня сложности. Однородная балка массой 1200 кг представляет собой весы. В конструкции убрали среднюю опору, но поставили две крайних. На балку положили механизм весом 15 тонн. Определить силу, действующую на каждую из вертикальных опор. Учесть, что длина между колонами составляет 20 м, а расстояние от центра до груза равняется пяти метрам.

Вначале следует рассмотреть силы, действующие на концы балки. Они будут равны по величине действиям, с которыми концы главного стержня давят на опоры. Пусть это будет F1 и F2. Сила тяжести балки приложена к центру масс, то есть приходится на середину. Так как условие равновесия для моментов можно записать относительно любой точки, то удобнее взять её в месте приложения F1. Поскольку в этом случае она будет равняться нулю из-за значения плеча, то останется только одна неизвестная — F2.

Тогда условие ΣF = 0 будет выглядеть так: -(10 м) * (1200 кг) * (g) — (15 м) * (15000 кг) * (g) + (20 м) * F2 = 0. Отсюда F2 = (12000 кг) * (g) = 118000 H. Теперь силу F1 можно вычислить из условия равновесия: ΣFy = F1 — (1200 кг) * (g) — (15000 кг) * (g) + F2 = 0. Подставив в полученное выражение F2 = (12000 кг) * (g), верным будет записать: F1 = (4200 кг) * (g) = 41200 Н. Задача решена.

Таким образом, главное — правильно выбрать ось вращения, тем самым сделать расчёт более простым. Следует отметить, что в инженерии некоторые силы определяют с помощью специальных датчиков напряжения. Например, пьезоэлектрические датчики и тензодатчики. Их крепят как на саму конструкцию, так и на её модель.