Окремі випадки рівноваги системи сил

Рівновага довільної системи паралельних сил у просторі

 

У випадку, коли всі сили паралельні між собою (система паралельних сил), осі системи координат доцільно вибрати так, щоб одна з осей (наприклад вісь ) була паралельна силам (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1

 

Тоді перші дві і остання умови (6.2) будуть виконуватись як тотожності, що дає наступні (три) умови рівноваги:

; ; . (6.3)

Отже, відповідно до (6.3), для рівноваги просторової системи паралельних сил необхідно і достатньо, щоб сума проекцій сил на вісь, паралельну силам, і суми моментів цих сил відносно двох інших координатних осей дорівнювали нулю.

Умови рівноваги довільної плоскої системи сил

Як відомо (п. 5.5), довільна система сил у площині в загальному випадку зводиться у центрі О до сили , яка дорівнює головному вектору системи, і пари сил з моментом , який дорівнює головному моменту системи. При цьому головний вектор належить площині дії пари , що співпадає з площиною дії сил системи.

Для даної системи сил існують три окремі випадки рівноваги.

Перша (основна) форма умов рівноваги. Припустимо, що площина дії системи сил співпадає з координатною площиною (рис. 6.2) системи координат .

 

 

Рис. 6.2

 

Проекції сил системи, а також радіусів-векторів точок їх прикладання на вісь в даному випадку дорівнюють нулю. Тому система умов рівноваги (6.2) перетворюється в наступну:

; ; . (6.4)

Система (6.4) аналітичних (алгебраїчних) умов рівноваги твердого тіла формулюється таким чином: для рівноваги довільної системи сил у площині необхідно і достатньо, щоб суми проекцій усіх сил на кожну з координатних осей Ox i Oy і алгебраїчна сума їх моментів відносно осі (або довільного центра О в площині дії сил системи ), дорівнювали нулю.

Друга форма умов рівноваги. У даному випадку умови рівноваги формулюються так: для рівноваги довільної плоскої системи сил необхідно і достатньо, щоб алгебраїчні суми моментів сил відносно будь-яких двох точок у площині дії сил і сума проекцій цих сил на вісь, яка не перпендикулярна до прямої, що проходить через обрані точки, дорівнювали нулю. Для площини Е дії сил системи, точок В, С на ній і осі Ox (рис. 6.3) буде:

; ; , (6.5)

де - проекція головного вектора системи сил у точці В на вісь Ох.

 

Рис. 6.3

 

Необхідність цих умов очевидна, бо якщо будь-яка з умов не буде виконуватися, то або в точці В головний вектор системи 0, або головний момент 0 (чи ) і тоді рівноваги тіла не відбувається.

Достатність умов (6.5) доведемо наступним чином. Якщо виконуються тільки перші з двох умов (6.5), тобто і , то така система сил може мати лише рівнодійну (рис. 6.3), лінія дії якої проходить через точки В і С. Оскільки вісь Ox проходить під кутом до відрізка ВС, то остання умова (6.5) може бути виконана тільки коли , тобто коли . Це призводить до одночасного виконання всіх умов (6.5), що забезпечують рівновагу тіла безумовно.

Третя форма умов рівноваги. Ця форма умов рівноваги формулюється таким чином: для рівноваги довільної плоскої системи сил необхідно і достатньо, щоб алгебраїчні суми моментів усіх сил відносно будь-яких трьох точок, наприклад В,С,D, що не лежать на одній прямій, дорівнювали нулю (рис. 6.4):

; ; , (6.6)

де В,С,D - точки приведення системи сил.

 

Рис. 6.4

 

 

Необхідність цих умов, враховуючи (5.11), очевидна, бо при одночасному виконанні, наприклад двох перших умов, головний момент системи при може дорівнювати нулю у третій точці D тільки коли головний вектор системи сил дорівнює нулю. Тому при одночасному виконанні умов (6.6) виконуються умови (6.1) рівноваги тіла і воно буде у рівновазі.

Достатність умов (6.6) випливає з того, що при їх виконанні система сил не знаходилася б у рівновазі тільки у випадку, коли її відмінна від нуля рівнодійна проходила одночасно через всі три точки BCD площини Е, що неможливо за визначенням.