Онлайн

Наглядная физика. Основы динамики


Действие на закрепленное тело нескольких сил

16 static2

Если силы, действующие на тело, приложены в разных точках, то они могут привести не только к движению центра масс тела, но и к вращению тела. Модель содержит три груза, нити от которых прикреплены к плоскому телу с пренебрежимо малой массой. Две нити перекинуты через блоки. Массы грузов, положения блоков и груза можно изменять. Показана равнодействующая сил, приложенных к телу.

Подробнее

 Модель содержит три груза, нити от которых прикреплены к плоскому телу с пренебрежимо малой массой. Две нити (от грузов №1 и №3) перекинуты через блоки. Массы грузов, положения блоков и груза №2 (они расположены на квадратах со штриховкой) можно менять, при этом видна равнодействующая сил (красный вектор), приложенных к телу. После нажатия кнопки Пуск система начинает двигаться и хорошо видно, что тело не только перемещается в направлении равнодействующей, но и поворачивается. Хотя масса тела пренебрежимо мала, движение этой точки связано с движением масс. Поэтому масса нашей системы приближенно равна сумме масс грузов, а ускорение центра масс - отношением равнодействующей к этой сумме масс. Вращение тела вызывается суммой моментов действующих на него сил. Равнодействующая приложенных сил определяет только ускорение центра масс, а угловое ускорение - суммой моментов сил. В конце концов, движение прекращается, система достигает равновесия. и равнодействующая сил равна нулю. 

Твердое тело находится в равновесии, если векторная сумма всех действующих на тело сил и векторная сумма моментов этих сил равны нулю. При выполнении первого условия равно нулю ускорение центра инерции тела. При выполнении второго условия равно нулю угловое ускорение вращения тела. Поэтому, если в начальный момент времени тело покоилось, то оно останется в покое и дальше.

Для плоской системы сил моменты всех сил направлены перпендикулярно плоскости, в которой лежат силы (если моменты рассматриваются относительно точки, лежащей в этой же плоскости). Поэтому векторное условие для моментов сводится к одному скалярному: в положении равновесия алгебраическая сумма моментов всех действующих сил равна нулю. (При этом моменты, стремящиеся повернуть тело по часовой стрелке, берутся с одним знаком, против часовой стрелки - с противоположным.) Точка, относительно которой рассматриваются моменты сил, выбирается так, чтобы было проще вычислять моменты сил. Например, уравнение моментов будет тем проще, чем больше сил будут иметь нулевые моменты. Напомним, что (на плоскости) величина момента силы  F относительно точки O равна произведению величины силы F на расстояние от точки O до линии действия силы (т. е. сила, умноженная на плечо).



Момент сил (1)

17 Stair

Модель наглядно демонстрирует движение лестницы, приставленной к стене. Показаны действующие силы. Для простоты учитывается только трение нижнего конца лестницы о горизонтальную плоскость, а трение верхнего конца о стенку считается пренебрежимо малым

Подробнее

Если тело не может двигаться свободно в любом направлении, а движения его ограничены другими твердыми телами, то в механике эти ограничивающие тела называют жесткими связями. Силы, действующие со стороны связей, называют силами реакции связей. Если эти ограничивающие тела очень жесткие, то уже при незначительных деформациях возникают очень большие силы реакции связей, которые и обеспечивают возможность перемещения лишь в определенных направлениях. 

Модель демонстрирует движение лестницы, приставленной к стене. Для простоты учитывается только трение нижнего конца лестницы о горизонтальную плоскость, а трение верхнего конца о стенку считается пренебрежимо малым.

Итак, на лестницу действует четыре силы: силы реакции n1 и n2сила тяжести лестницы p и сила трения fтрДля равновесия лестницы необходимо, чтобы равнодействующая (т. е. сумма) всех сил была равна нулю, т. е.

08-25В равновесии это выполняется автоматически, сила реакции n1 равна по модулю силе тяжести p и направлена в противоположную сторону. Сила реакции n2 должна уравновешиваться силой трения (покоя) fтр, удовлетворяющей неравенству но найти их величины мы не можем, известно лишь, что

08-26где k -коэффициент трения (покоя) нижнего конца лестницы относительно пола.

Второе необходимое условие равновесия --- сумма моментов приложенных к телу сил равна 0. Точку, относительно которой вычисляются моменты сил выберем так, чтобы сключить силу n2Это точка A - верхний конец лестницы. пересечения линий действия сил n1 и n2Тогда ненулевыми могут быть лишь моменты сил n1fтр  и p и условие равновесия (т. е. равенство нулю суммы моментов) записывается так

08-27
где l sin(α) -  плечо силы fтр(l/2) cos(α) - плечо силы p . Получаем неравенство

08-28
откуда, сокращая на Pl, получаем условие равновесия лестницы 2k ≥αсвязывающее коэффициент трения покоя k и угол α наклона лестницы. Если это неравенство не выполняется (угол α слишком мал или мал коэффициент трения), то лестница сползает по стенке вниз.



Момент сил (2)

18 Stair2

Модель наглядно демонстрирует движение лестницы, приставленной к стене. Показаны действующие силы. Положение маляра на лестнице можно изменять и это не только дает еще один параметр, но и объясняет, как используется центр тяжести системы тел. Для простоты учитывается только трение нижнего конца лестницы, а трение верхнего конца о стенку считается пренебрежимо малым. 

Подробнее 

Модель демонстрирует движение лестницы, приставленной к стене. Положение маляра на лестнице можно изменять и это не только дает еще один параметр, но и объясняет, как используется центр тяжести системы тел. Для простоты учитывается только трение нижнего конца лестницы о горизонтальную плоскость, а трение верхнего конца о стенку считается пренебрежимо малым. 

Итак, на систему тел маляр+лестница действует четыре силы: силы реакции опор n1 и n2, сила тяжести лестницы и маляра p, приложенная в центре тяжести системы, и сила трения fтрДля равновесия системы необходимо, чтобы равнодействующая (т. е. сумма) всех сил была равна нулю. В равновесии это выполняется автоматически, сила реакцииn1 равна по модулю силе тяжести p и направлена в противоположную сторону. Сила реакции n2  должна уравновешиваться силой трения (покоя)fтр , удовлетворяющей неравенству

08-30

где k- коэффициент трения покоя нижнего конца лестницы относительно пола. Второе необходимое условие равновесия - сумма моментов приложенных к телу сил равна 0. Если условие равновесия не выполняется (угол α слишком мал, или мал коэффициент трения, или маляр слишком близок к верхнему концу лестницы), то лестница сползает по стенке вниз.


Равновесие тел на опоре и на закрепленной оси вращения

19 Ravnovesie1

Модель наглядно демонстрирует равновесие тела, закрепленного на опоре, к которому можно прикреплять различные грузы – гирьки и шарики. Тело находится в равновесии, если (алгебраическая) сумма моментов всех действующих на тело сил равна нулю.  

Подробнее

При исследовании равновесия тела, закрепленного на оси, можно не рассматривать силу, действующую со стороны оси, так как она не может вызвать вращения тела (плечо этих сил равно нулю). Если на тело, закрепленное на горизонтальной оси, действует только две силы, направленные вертикально, то для равновесия необходимо, чтобы 

1) эти силы, действуя в отдельности, поворачивали тело в противоположных направлениях;

2) произведение модуля силы на расстояние от оси вращения до линий, вдоль которых действует сила (и еще направление). одинаковы для обеих сил.

Если обозначить модули сил через F1 и F2, а расстояния (плечи) через l1 и l2, то условие равновесия записывается в виде равенства:

08-31

Предполагается, что каждая из сил лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения (не обязательно в одной и той же). Произведение вида F l называют моментом и это произведение  берется со знаком + или - в зависимости от того в положительном или отрицательном направлении действует сила. Следовательно, момент силы относительно оси равен

08-32

Тело, закрепленное на оси находится в состоянии равновесия, если (алгебраическая) сумма моментов всех действующих на тело сил равна нулю. Пример. (Вставить скриншот модели и объяснить вычисление суммы моментов.