Равновесие вращающихся тел. Условия равновесия тел

Тело находится в состоянии покоя (или движется равномерно и прямолинейно), если векторная сумма всех сил, действующих на него, равна нулю. Говорят, что силы уравновешивают друг друга. Когда мы имеем дело с телом определенной геометрической формы, при вычислении равнодействующей силы можно все силы прикладывать к центру масс тела.

Условие равновесия тел

Чтобы тело, которое не вращается, находилось в равновесии, необходимо, чтобы равнодействующая всех сил, действующий на него, была равна нулю.

F → = F 1 → + F 2 → + . . + F n → = 0 .

На рисунке выше изображено равновесие твердого тела. Брусок находится в состоянии равновесия под действием трех действующих не него сил. Линии действия сил F 1 → и F 2 → пересекаются в точке O . Точка приложения силы тяжести - центр масс тела C . Данные точки лежат на одной прямой, и при вычислении равнодействующей силы F 1 → , F 2 → и m g → приводятся к точке C .

Условия равенства нулю равнодействующей всех сил недостаточно, если тело может вращаться вокруг некоторой оси.

Плечом силы d называется длина перпендикуляра, проведенного от линии действия силы к точке ее приложения. Момент силы M - произведение плеча силы на ее модуль.

Момент силы стремится повернуть тело вокруг оси. Те моменты, которые поворачивают тело против часовой стрелки, считаются положительными. Единица измерения момента силы в международной системе CИ - 1 Н ь ю т о н м е т р.

Определение. Правило моментов

Если алгебраическая сумма всех моментов, приложенных к телу относительно неподвижной оси вращения, равна нулю, то тело находится в состоянии равновесия.

M 1 + M 2 + . . + M n = 0

Важно!

В общем случае для равновесия тел необходимо выполнение двух условий: равенство нулю равнодействующей силы и соблюдение правила моментов.

В механике есть разные виды равновесия. Так, различают устойчивое и неустойчивое, а также безразличное равновесие.

Типичный пример безразличного равновесия - катящееся колесо (или шар), которое, если остановить его в любой точке, окажется в состоянии равновесия.

Устойчивое равновесие - такое равновесие тела, когда при его малых отклонениях возникают силы или моменты сил, которые стремятся вернуть тело в равновесное состояние.

Неустойчивое равновесие - состояние равновесия, при малом отклонении от которого силы и моменты сил стремятся вывести тело из равновесия еще больше.

На рисунке выше положение шара (1) - безразличное равновесие, (2) - неустойчивое равновесие, (3) - устойчивое равновесие.

Тело с неподвижной осью вращения может находится в любом из описанных положений равновесия. Если ось вращения проходит через центр масс, возникает безразличное равновесие. При устойчивом и неустойчивом равновесии центр масс располагается на вертикальной прямой, которая проходит через ось вращения. Когда центр масс находится ниже оси вращения, равновесие является устойчивым. Иначе - наоборот.

Особый случай равновесия - равновесие тела на опоре. При этом упругая сила распределяется по всему основанию тела, а не проходит через одну точку. Тело покоится в равновесии, когда вертикальная линия, проведенная через центр масс, пересекает площадь опоры. Иначе, если линия из центра масс не попадает в контур, образованный линиями, соединяющими точки опоры, тело опрокидывается.

Пример равновесия тела на опоре - знаменитая Пизанская башня. По легенде с нее сбрасывал шары Галилео Галилей, когда проводил свои опыты по изучению свободного падения тел.

Линия, проведенная из центра масс башни пересекает основание приблизительно в 2,3 м от его центра.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Пусть тело закреплено на неподвижной оси (п.1.4) и к нему приложена сила одним из двух способов:

1) линия действия проходит через ось вращения. будет уравновешена реакцией и тело находится в равновесии;

2) линия действия не проходит через ось вращения, что приводит к вращению тела.

Приложим к телу силу , вызывающую его вращение в противоположную сторону. При определённых условиях вращение может стать равномерным либо прекратится совсем. Из опытов известно, что это произойдет, если , где d 1 и d 2 – плечи сил и .

Плечо силы (d )относительно оси – кратчайшее расстояние от линии действия силы до этой оси.

Момент силы (М ) – произведение модуля силы на её плечо.

[М ] = 1 Нм

· В данном параграфе момент рассматривается как скалярная величина, а силы и их плечи лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения.

· Момент силы, вращающий тело по часовой стрелке, считают отрицательным, против – положительным.

Условие равновесия известно как правило моментов : тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к нему сил равна нулю.

Полное условие равновесия (для любых тел)

Тело находится в равновесии, если равнодействующая всех приложенных к нему сил равна нулю и сумма моментов этих сил относительно оси вращения также равна нулю.

Виды равновесия

1. Устойчивое равновесие – равновесие, при выходе из которого возникает сила , возвращающая тело в исходное положение.

2. Неустойчивое равновесие – равновесие, при выходе из которого возникает сила , ещё больше отклоняющая тело от исходного положения.

3. Безразличное равновесие – равновесие, при выходе из которого не возникает ни возвращающая, ни отклоняющая сила.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

Молекулярная физика – раздел физики, в котором явления изменения состояния тел и веществ объясняют с точки зрения внутреннего строения вещества.

Истоки молекулярной физики

Представления древних

Древние философские школы по-разному объясняли строение тел и веществ. Например, в Китае учёные полагали, что тела состоят из воды, огня, эфира, воздуха и др. Левкипп (V в. до н.э., Греция) и Демокрит (V в. до н.э., Греция) высказали идею о том, что:

1) все тела состоят из мельчайших частиц – атомов;

2) различия между телами определяются либо различием их атомов, либо различием в расположении атомов.

Развитие молекулярной физики

Большой вклад в науку внёс Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765, Россия). Он развил идею молекулярного (атомного) строения вещества и предположил, что:

1) частицы (молекулы) хаотически движутся;

2) скорость движения молекул связана с температурой вещества (чем выше температура, тем выше скорость);

3) должна существовать температура, при которой движение молекул прекращается.

Опыты, проведённые в XIX в., подтвердили правильность его идей.

Опыт Броуна

В 1827 г. ботаник Роберт Броун (1773–1858, Англия) поместил под микроскоп жидкость с мелкими твёрдыми частицами в ней и обнаружил, что:

1) частицы хаотически движутся;

2) чем меньше частица, тем сильнее заметно её движение;

Он пришёл к выводу, что толчки твёрдым частицам дают частицы жидкости при столкновениях. Работами многих учёных складывалось учение о строении и свойствах вещества – молекулярно-кинетическая теория (МКТ), основанное на представлениях о существовании молекул (атомов).

Основные положения МКТ

1) Вещества состоят из частиц: атомов и молекул;

2) частицы хаотически движутся;

3) частицы взаимодействуют друг с другом.

На основе этих положений были объяснены явления: упругость газов, жидкостей и твёрдых тел; переход вещества из одного агрегатного состояния в другое; расширение газов; диффузия и др.

Агрегатное состояние (термодинамическая фаза) – одно из трёх состояний вещества (твёрдое, жидкое, газообразное).

Диффузия – самопроизвольное смешивание веществ.

Начните вводить часть условия (например, могут ли , чему равен или найти ):

17. Равновесие тел при отсутствии вращения

• №325. Найдите равнодействующую трех сил по 100 Н каждая, если угол между первой и второй силами равен 60°, а между второй и третьей - 90°.
• №326. При каком способе подвешивания качелей (рис. 60) веревки будут испытывать меньшее натяжение?
• β, следовательно, cosβ > cosα и Т1 > Т2. "> №327. Почему туго натянутая бельевая веревка часто обрывается под тяжестью повешенного на нее платья, в то время как слабо натянутая выдерживает тот же груз?
• №328. Одинаковы ли показания обоих динамометров (рис. 61), одинаковую ли силу давления испытывает ось блока в обоих случаях?
• №329. Система подвижного и неподвижного блоков находится в равновесии (рис. 62). Что произойдет, если точку А крепления нити передвинуть вправо?
• №330. Тело массой 2 кг подвешено на нити. К телу привязали другую нить и оттянули ее в горизонтальном направлении. Найдите силу натяжения нити в новом положении равновесия, если сила натяжения горизонтальной нити равна 12 Н.
• №331. Можно равномерно прямолинейно перемещать тело по горизонтальной поверхности, прикладывая к нему силы, как показано на рисунке 63. Одинаковы ли эти силы, если коэффициент трения одинаков в обоих случаях?
• №332. На бельевой веревке длиной 10 м висит только один костюм, весящий 20 Н. Вешалка расположена посередине веревки, и эта точка провисает на 10 см ниже горизонтали, проведенной через точки закрепления веревки. Чему равна сила натяжения веревки?
• №333. Найдите силы, действующие на стержни АВ и ВС (рис. 64), если α = 60°, а масса лампы 3 кг.
• №334. К концу стержня АС (рис. 65) длиной 2 м, укрепленного шарнирно одним концом к стене, а с другого конца поддерживаемого тросом ВС длиной 2,5 м, подвешен груз массой 120 кг. Найдите силы, действующие па трос и стержень.
• №335. Электрическая лампа (рис. 66) подвешена на шнуре и оттянута горизонтальной оттяжкой. Найдите силу натяжения шнура и оттяжки, если масса лампы равна 1 кг, а угол α = 60°.
• №336. Тяжелый однородный шар подвешен на нити, конец которой закреплен на вертикальной стене. Точка прикрепления шара к нити находится на одной вертикали с центром шара. Каков должен быть коэффициент трения между шаром и стенкой, чтобы шар находился в рав
• №337. Шарик радиусом г и массой m удерживается на неподвижном шаре радиусом R невесомой нерастяжимой нитью длиной l, закрепленной в верхней точке С шара (рис. 67). Других точек соприкосновения между шаром и нитью нет. Найдите силу натяжения нити. Трением

При поступательном движении все точки тела движутся одинаково. Поэтому такое движение можно рассматривать как движение одной точки тела - его центра масс. При этом мы должны считать, что в центре масс сосредоточена вся масса тела и к нему приложена равнодействующая всех сил, действующих на тело. Из второго закона Ньютона следует, что ускорение этой точки равно нулю, если геометрическая сумма всех приложенных к ней сил - равнодействующая этих сил - равна нулю. Это и есть условие равновесия тела при отсутствии вращения.

Для того чтобы тело при отсутствии вращения находилось в равновесии, необходимо, чтобы равнодействующая сил, приложенных к телу, была равна нулю.

Но если геометрическая сумма сил равна нулю, то и сумма проекций векторов этих сил на любую ось тоже равна нулю. Поэтому условие равновесия тела можно сформулировать и так:

Для того чтобы тело при отсутствии вращения находилось в равновесии, необходимо, чтобы сумма проекций приложенных к телу сил на любую ось была равна нулю.

В равновесии, например, находится тело, к которому, как на рисунке 155, приложены две равные силы, действующие вдоль одной прямой, но направленные в противоположные стороны.

Состояние равновесия - это не обязательно состояние покоя. Согласно второму закону Ньютона при равенстве нулю равнодействующей всех сил, приложенных к телу, оно может двигаться прямолинейно и равномерно. При таком движении тело тоже находится в состоянии равновесия. Например, парашютист, после того как он начал падать с постоянной скоростью, находится в состоянии равновесия.

На рисунке 155 силы приложены к телу не в одной точке. Но мы уже видели, что важна не точка приложения силы, а прямая, вдоль которой она действует. Перенос точки приложения силы вдоль линии ее действия ничего не изменяет ни в движении тела, ни в состоянии равновесия. Ясно, например, что ничего не изменится, если, вместо того чтобы тянуть вагонетку, как это показано на рисунке 156, а, еестанут толкать (рис. 156,б).

Если равнодействующая сил, приложенных к телу, не равна нулю, то, для того чтобы тело находилось в состоянии равновесия, к нему должна быть приложена добавочная сила, равная по модулю равнодействующей, но противоположная ей по направлению.

Поясним это на опыте. Прикрепим к двум точкам верхней перекладины рамы ди-

нанометры 1 и 2 (рис. 157). При помощи нитей в точке О прикрепим груз. Под действием трех сил точка О будет находиться в равновесии. Теперь заменим силы, действующие на точку О со стороны двух динамометров, одной силой. Для этого прикрепим к точке О еще один динамометр 3 и потянем его вверх. Когда стрелки динамометров 1 и 2 установятся на нуле шкалы, на точку О будут действовать только две силы. Одна из них - сила упругости пружины динамометра 3, измеряемая этим динамометром, - является равнодействующей сил Сила тяжести груза равна этой равнодействующей по абсолютной величине и направлена в противоположную сторону. Поэтому точка О находится в равновесии.

Рассмотрим еще один пример. Как удержать в равновесии лодку, на которую действуют течение реки и ветер, дующий от берега (рис. 158)? Найдем равнодействующую сил вызванных ветром и течением воды. Для этого воспользуемся правилом параллелограмма. Диагональ параллелограмма дает величину и

Рис. 157 (см. скан)

направление равнодействующей Для того чтобы лодка была в равновесии, к ней должна быть приложена уравновешивающая сила равная этой равнодействующей, но направленная в противоположную сторону. Такой силой, например, может быть сила натяжения каната, прикрепленного одним концом к носу лодки, а другим к берегу. Если, например, сила, с которой текущая вода действует на лодку, равна 150 н, а сила давления ветра равна 100 н, то равнодействующая этих двух взаимно перпендикулярных сил может быть вычислена по теореме Пифагора:

Лодка, следовательно, может быть удержана канатом, способным выдержать натяжение не менее 180 н.

Задача. Груз массой 100 кг подвешен к кронштейну (рис. 159, а), который состоит из поперечной балки и укосины Определите силы упругости, возникающие в балке и укосине, если .

Решение. Прежде всего выясним, каково происхождение сил, действующих на части кронштейна.

Под действием силы тяжести груз начинает падать вертикально вниз. При этом он увлекает за собой конец В балки. Ясно, что балка и укосина вследствие этого деформируются: балка удлиняется, а укосина сжимается (рис. 159, а). В деформированных частях кронштейна возникают силы упругости, направленные в сторону, противоположную деформации. Эти силы и нужно определить. На рисунке 159 вектор изображает силу упругости в сжатой

укосине, а вектор силу упругости в растянутой балке. Эти силы действуют на точку В, к которой подвешен груз.

Деформации балки и укосины будут увеличиваться до тех пор,пока равнодействующая сил и не уравновесит силу тяжести Тогда точка В будет находиться в равновесии. Следовательно, равнодействующая трех сил, приложенных к точке В: силы тяжести силы и силы равна нулю:

Равна нулю и сумма проекций этих сил на любую ось.

Направим ось X по горизонтали вправо (рис. 159, б), а ось по вертикали вверх. Сила направлена по вертикали, поэтому ее проекция на ось X равна нулю. Проекция силы на ось X равна модулю вектора взятому со знаком Проекция силы на ось X равна . Тогда можно записать:

Проекции всех сил на ось найдем таким же образом. Проекция силы равна нулю, проекция силы равна а проекция силы равна Поэтому

Из уравнении (1) и (2) нетрудно найти силы и

Значение найдем непосредственно из уравнения (2):

Подставив это значение в уравнение (1), получим:

равен 30°.

3. Шар массой 3 кг висит на веревке, прикрепленной к гладкой стене (рис. 161). Определите силу натяжения веревки и силу давления шара на стену. Нить образует со стеной угол 15°,

4. К середине троса длиной 20 м подвешен светильник массой в следствие чего трос провис на 5 см. Определите силы упругости, возникшие в тросе.

5. На наклонной плоскости лежит ящик массой 30 кг. Будет ли ящик соскальзывать вниз, если коэффициент трения ящика о наклонную плоскость равен 0,2? Длина наклонной плоскости 6 м, высота 2 м.

6. Антенная мачта (рис. 162) закреплена оттяжкой АВ, образующей угол 30° с мачтой. Сила, с которой антенна действует на мачту в точке В (натяжение антенны), равна 1000 н. Чему равна сила, сжимающая мачту, и сила, действующая на оттяжку?