Понятия и определения

Статика изучает методы преобразования одних систем сил, действующих на абсолютно твердое тело, в другие, им эквивалентные, а также условия равновесия тел под действием различных систем сил.

Абсолютно твердым называют такое тело, расстояние между двумя любыми точками которого при взаимодействии с другими телами не меняется. В дальнейшем абсолютно твердое тело будем называть твердым телом или просто телом.

Силой в статике называют вектор, являющийся мерой механического взаимодействии тел. Сила определяется величиной, точкой приложения и направлением. Прямую, вдоль которой направлена сила, называют линией действия силы. В случае действия на тело нескольких сил, их называют системой сил.

Если две системы сил, приложенные к одному телу, придают ему одинаковое состояние, то такие системы называют эквивалентными. Систему сил, приложенную к телу и не изменяющую его состояния, называют эквивалентной нулю или уравновешенной. Если действующую на тело систему сил можно заменить одной силой, не изменяя его состояния, то такую силу называют равнодействующей этой системы сил. Не каждая система сил имеет равнодействующую.

Если система сил при добавлении к ней еще одной силы становится эквивалентной нулю, то добавленную силу называют уравновешивающей этой системы сил. Не каждая система сил имеет уравновешивающую силу.

Силы делят на сосредоточенные и распределенные по объему, поверхности и линии тела. Под действие силы тело в общем случае может совершать сложное движение, включая вращение относительно какой-либо точки или оси. Для характеристики вращательного действия, оказываемого силой на твердое тело, в статике вводят понятия момента силы относительно точки и момента силы относительно оси.

Моментом силы относительно точки называют вектор, характеризующий интенсивность вращательного действия силы, направление и плоскость, в которой лежат сила и точка. Он равен векторному произведению радиус-вектора точки приложения силы, проведенного из данной точки, на эту силу. Момент силы относительно точки перпендикулярен плоскости, в которой расположены сила и точка, и направлен так, что с его вершины вращение тела относительно точки под действием силы наблюдается происходящим против часовой стрелки. Модуль момента характеризует интенсивность действия силы и равен произведению модуля силы на плечо силы относительно точки. Плечо силы относительно точки – кратчайшее расстояние от этой точки до линии действия силы (длина перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы).

Моментом силы относительно оси называют проекцию на эту ось момента силы относительно любой точки на оси.

Наряду с силой, основным понятием статики является пара сил – это система двух равных по модулю, параллельных и противоположно направленных сил, линии действия которых не совпадают. Такая система не имеет равнодействующей и оказывает вращательное действие на твердое тело.

Действие пары сил на тело полностью определяет ее вектор-момент. Он направлен перпендикулярно плоскости, в которой расположены силы пары так, что с его вершины вращение тела этими силами наблюдается происходящим против часовой стрелки. Модуль момента равен произведению модуля одной из сил пары на это кратчайшее расстояние между линиями действия сил пары, называемое плечом пары.

В статике доказывают следующие основные свойства пар сил:

■ сумма моментов сил пары относительно любой точки не зависит от выбора этой точки и равна вектору-моменту пары сил;

■ пару сил можно переносить в плоскости ее действия в любую область твердого тела или в любую плоскость, параллельную плоскости ее действия, не меняя этого действия на тело;

■ силы пары можно как угодно поворачивать в плоскости ее действия, а также менять одновременно плечо и силы пары, оставляя без изменения модуль ее вектора-момента;

■ действующую на тело систему пар сил можно заменить одной парой, вектор-момент которой равен геометрической сумме векторов-моментов этих пар.

Твердое тело называют свободным, если на его перемещения в пространстве не наложено никаких ограничений, и несвободным, если перемещения его ограничены. Тела, ограничивающие перемещения тела, называют связями. Действие связей на несвободное тело выражается силами – реакциями связей. Силы, не зависящие от связей, называют активными. Реакции связей зависят от активных сил и возникают именно в результате их действия. Они также зависят от типов связей. Таким образом, силы, действующие на несвободное тело, разделяют на активные силы и реакции связей.

Теоретические положения статики вытекают из шести аксиом.

Аксиома 1. Система двух сил, приложенных к твердому телу, является уравновешенной или эквивалентной нулю, если эти силы равны по величине, направлены в противоположные стороны и лежат на одной прямой.

Аксиома 2. Состояние твердого тела, находящегося под действием некоторой системы сил, не изменится, если к ней добавить или исключить из нее систему сил, эквивалентную нулю.

Следствие из первых двух аксиом. Не меняя действия силы на тело, силу можно переносить вдоль линии ее действия в любую точку тела.

Аксиома 3. Две силы, приложенные в одной точке твердого тела, имеют равнодействующую, равную геометрической сумме векторов этих сил и приложенную в этой же точке (Аксиома параллелограмма сил).

Аксиома 4. При действии одного тела на другое силы их взаимодействия равны по модулю, имеют общую линию действия и направлены в противоположные стороны (Третий закон Ньютона).

Аксиома 5. Несвободное твердое тело можно считать свободным, если отброшенные связи заменить действующими на него реакциями связей.

Аксиома 6. Равновесие деформируемого тела не нарушится, если жестко связать все его точки и считать это тело абсолютно твердым (Принцип отвердевания).