Metodyka rozw zadań z mechaniki J Nizioł


Spis treści
Wstęp 9
Część I. Statyka
Wprowadzenie 12
Elementy rachunku wektorowego 13
1. Układy płaskie w przypadku więzów idealnych 16
1.1. Twierdzenie o trzech siłach 16
1.2. Płaski układ sił zbieżnych 25
1.3. Redukcja dowolnego płaskiego układu sił 29
1.4. Równowaga układu sił równoległych 33
1.5. Układy poddane obciążeniom rozłożonym w sposób ciągły 37
1.6. Dowolny płaski układ sił 43
1.7. Kratownice 55
2. Równowaga płaskiego układu sił z uwzględnieniem
sił tarcia 60
3. Przestrzenny układ sił 81
3.1. Wprowadzenie 81
3.2. Redukcja dowolnego przestrzennego układu sił 83
3.3. Układ sił zbieżnych pozostających w równowadze 87
3.4. Dowolny przestrzenny układ sił pozostających w równowadze 91
3.5. Środek sił równoległych i środki ciężkości linii, powierzchni
i brył 99
4. Równowaga wiotkich lin ciężkich  zastosowania
techniczne 113
Spis treści
Część II. Kinematyka
5. Kinematyka punktu 120
Wprowadzenie 120
5.1. Kinematyka punktu we współrzędnych krzywoliniowych 121
5.2. Kinematyka punktu w układzie kartezjańskim 124
5.3. Kinematyka punktu w układzie naturalnym 137
5.4. Kinematyka punktu we współrzędnych krzywoliniowych  układy
biegunowy, cylindryczny, sferyczny, toroidalny 144
6. Ruch obrotowy bryły wokół stałej osi 154
7. Ruch płaski 160
7.1. Wprowadzenie 160
7.2. Przykłady obliczania prędkości punktów ciała w ruchu
płaskim 163
7.3. Przyspieszenie punktów ciała w ruchu płaskim 174
8. Ruch kulisty bryły 211
8.1. Wprowadzenie 211
8.2. Wyznaczanie prędkości kątowych i przyspieszenia kątowego
za pomocą kątów Eulera 213
8.3. Przykłady obliczania prędkości i przyspieszeń punktów ciała
w ruchu kulistym 215
9. Ruch złożony punktu 226
9.1. Wprowadzenie 226
9.2. Przykłady obliczania prędkości bezwzględnych i przyspieszeń
bezwzględnych w ruchu złożonym punktu 228
Część III. Dynamika
10. Dynamika punktu 240
Wprowadzenie 240
10.1. Zadania proste 243
10.2. Zadania odwrotne  całkowanie równań różniczkowych
ruchu 256
10.3. Ruch krzywoliniowy 285
10.4. Drgania o jednym stopniu swobody  drgania własne 293
10.5. Drgania wymuszone 311
10.6. Praca i moc, potencjał pola sił 326
10.7. Zasada równowartości energii kinetycznej i pracy oraz
zasada zachowania energii mechanicznej 333
Spis treści
11. Zadania specjalne dynamiki punktu 350
11.1. Dynamika punktu w ruchu względnym 350
11.2. Ruch punktu w polu środkowym 360
11.3. Wybrane zadania z dynamiki punktu o zmiennej
masie 372
12. Geometria mas 385
12.1. Pojęcia podstawowe 385
12.2. Przykłady znajdowania momentów bezwładności
i momentów dewiacji 389
13. Dynamika układu punktów materialnych 400
13.1. Równania ruchu układu punktów materialnych 400
13.2. Zasada ruchu środka masy 407
13.3. Kręt i zasada krętu dla układu punktów
materialnych 420
14. Ruch obrotowy bryły dookoła stałej osi 427
14.1. Metoda kinetostatyki 427
14.2. Reakcje dynamiczne w ruchu obrotowym bryły dookoła
stałej osi 437
14.3. Równania różniczkowe w ruchu obrotowym dookoła
stałej osi 446
15. Ruch płaski ciała sztywnego 460
16. Przybliżona teoria giroskopu 478
17. Elementy mechaniki analitycznej 486
17.1. Zasada prac przygotowanych 486
17.2. Zasada d'Alamberta i równania Lagrange'a I rodzaju 503
17.3. Równania Lagrange'a II rodzaju 510
18. Wyznaczanie położenia równowagi 538
19. Zderzenia 552
Literatura 575
Wstęp
PodrÄ™cznik jest przeznaczony dla studentów studiów magister­
skich i zawodowych kierunków: mechanika i budowa maszyn,
automatyka i robotyka, inżynieria materiaÅ‚owa i transport. Za­
pewne będzie też przydatny na innych kierunkach studiów,
takich jak budownictwo, wychowanie techniczne, inżynieria
środowiska.
Należytemu zrozumieniu i opanowaniu mechaniki ogólnej
dobrze służą przykłady zastosowań praktycznych.
Książka składa się z trzech części: statyki, kinematyki
i dynamiki. Znajduje siÄ™ w niej wiele różnorodnych przykÅ‚a­
dów z mechaniki dobranych w ten sposób, aby Czytelnik mógł
samodzielnie rozwiązywać zadania należące do danego działu
mechaniki. RozdziaÅ‚y zaczynajÄ… siÄ™ krótkim wstÄ™pem zawie­
rającym podstawowe pojęcia i twierdzenia, po czym następują
przykÅ‚ady z rozwiÄ…zaniami. Na koÅ„cu każdego rozdziaÅ‚u znaj­
dują się zadania, do rozwiązania których Autor gorąco zachęca
Czytelników.
Zadania i przykÅ‚ady oznaczone gwiazdkÄ… studenci stu­
diów zawodowych mogą pominąć.
Zadania, z którymi spotykamy się w statyce, można podzielić
na dwie grupy. Do grupy pierwszej zaliczamy zadania zwiÄ…­
zane z równowagÄ… ukÅ‚adu siÅ‚, do drugiej  z redukcjÄ… ukÅ‚a­
du sił.
W obydwu przypadkach przy rozwiÄ…zywaniu zadaÅ„ mo­
żemy posługiwać się zarówno metodami analitycznymi, jak
i graficznymi. My bÄ™dziemy stosować metody anali­
tyczne.
Metody graficzne sÄ… nieocenione przy rozwiÄ…zywa­
niu pÅ‚askich ukÅ‚adów prÄ™towych (kratownic), jednak z rozwo­
jem metod komputerowych straciÅ‚y one na znaczeniu. Omó­
wimy stosowanie metod analitycznych zwiÄ…zanych z rozpa­
trywaniem równowagi układu sił. Przed przystąpieniem do
rozwiązania zadania należy:
" zobaczyć, czy mamy do czynienia z układem prostym
(jedno ciaÅ‚o sztywne), czy zÅ‚ożonym (kilka ciaÅ‚ powiÄ…­
zanych ze sobą). W tym ostatnim przypadku należy
rozbić myÅ›lowo ukÅ‚ad zÅ‚ożony na ukÅ‚ady proste, pa­
miętając o tym, że siły oddziaływania jednego ciała na
drugie występują zawsze dwójkami zerowymi;
" zaznaczyć wszystkie siły czynne działające na dane
ciało;
" ustalić wiÄ™zy (ograniczenia naÅ‚ożone na ruch) bezpo­
Å›rednio dziaÅ‚ajÄ…ce na dane ciaÅ‚o, a nastÄ™pnie oswobo­
dzić ciało od więzów, zastępując odrzucone myślowo
więzy siłami reakcji;
" zakwalifikować otrzymany ukÅ‚ad siÅ‚ czynnych i bier­
nych działających na dane ciało do odpowiedniej grupy
(ukÅ‚ad pÅ‚aski, przestrzenny, zbieżny, równolegÅ‚y, do­
wolny);
Elementy rachunku wektorowego
" określić liczbę niezależnych równań równowagi, które
możemy ułożyć dla danego układu;
" rozstrzygnąć, czy mamy do czynienia z ukÅ‚adem sta­
tycznie wyznaczalnym, czy liczba niewiadomych reak­
cji nie przekracza liczby równań równowagi;
" wybrać ukÅ‚ad współrzÄ™dnych tak, aby otrzymać możli­
wie najprostszy ukÅ‚ad równaÅ„ i uÅ‚ożyć równania rów­
nowagi;
" rozwiązać układ równań ze względu na poszukiwane
wielkości, sprawdzić ich miary, przeprowadzić dyskusję
błędów.
W wielu zadaniach nie można z góry przewidzieć kie­
runku reakcji. W tym przypadku należy reakcję o nieznanym
kierunku rozÅ‚ożyć na skÅ‚adowe wzdÅ‚uż osi ukÅ‚adu współrzÄ™d­
nych. Jeżeli z obliczeń otrzymamy składową ujemną, będzie
to oznaczać, że zwrot danej reakcji należy zmienić na prze­
ciwny.
Elementy rachunku wektorowego
Spotykane w naukach fizycznych wielkości są wielkościami
wektorowymi lub skalarnymi. Wielkości skalarne określa się
przez podanie ich wartości. Przykładami takich wielkości są:
masa, praca, moc, energia, czas, potencjaÅ‚ itp. WielkoÅ›ci wek­
torowe określa się przez podanie wartości, kierunku i zwrotu.
PrzykÅ‚adami wektorów sÄ…: siÅ‚a, moment siÅ‚y, prÄ™dkość, przy­
spieszenie, pęd, kręt itp.
Wektory reprezentujÄ…ce wielkoÅ›ci fizyczne oprócz poda­
nych trzech cech powinny mieć określone w danej przestrzeni
poÅ‚ożenie. Z tego wzglÄ™du definiuje siÄ™ trzy typy wek­
torów.
Wektor zaczepiony w dowolnej przestrzeni jest to upo­
rzÄ…dkowana para punktów (A, B). Geometryczny obraz ta­
kiego wektora jest przedstawiony na rys. 1. Wektor ozna­
czono literą a; można go również oznaczać AB lub (A, B).
Przykładami wektora zaczepionego mogą być:
" wektor wodzÄ…cy ruchu punktu, jego prÄ™dkość lub przy­
spieszenie (rys. 2)
r = r(t)
v = v(t)
a = a(t)
Wprowadzenie
" siła przyłożona do ciała odkształcalnego (rys. 3). Siła
przyłożona do sprężyny w punkcie A spowoduje inny
skutek (odkształcenie) niż siła zaczepiona w punkcie B.\
Wektor przesuwny lub ślizgający się. Istotnymi cechami
takiego wektora są: wartość liczbowa, zwrot i linia działania
(nieistotny jest jego punkt przyłożenia)  rys. 4
|Fi| = | F |
2
Skutek działania na ciało idealnie sztywne siły Fi zaczepionej
w punkcie A jest taki sam, jak siÅ‚y F2 zaczepionej w punk­
cie B Fi = F2.
Wektor swobodny. Istotnymi cechami takiego wektora
są: wartość liczbowa, zwrot i kierunek. Przykładami takicl
wektorów mogÄ… być: moment pary siÅ‚, prÄ™dkość i przyspie­
szenie punktów bryły w ruchu postępowym (rys. 5). Wektory
prędkości punktów A i B są nierozróżnialne
Działania na wektorach
Dodawanie wektorów. Suma dwóch wektorów a + b jei
wektorem leżącym na przekątnej równoległoboku rozpiętego
na wektorach a i b. Dodawanie wektorów jest przemienni
a+b = b+a oraz obowiÄ…zuje zasada superpozycji a+b+d =
= e = (a + b)+d = c + d (rys. 6). Jeżeli znamy wspoł-
rzędne n wektorów Fi(Fix, Fjy, Fiz) zaczepionych w tym sa
mym punkcie, to ich suma jest wektorem, któ-
rego współrzędne są równe
Iloczyn skalarny dwóch wektorów jest skalarem (liczbi
(rys. 7) '
Iloczyn wektorowy dwóch wektorów jest wektorei
(rys. 8) '
Elementy rachunku wektorowego 15
c = a x b
Wektor c jest prostopadły do wektorów a i b, jego wartość
liczbowa jest równa
UkÅ‚ad wektorów a, b, c tworzy trójkÄ™ prawoskrÄ™tnÄ…. Za­
chodzÄ… zwiÄ…zki
Jeżeli znamy współrzędne dwóch wektorów a(a ,a ,a )
x y z
i b(b ,b ,b ), to współrzędne wektora c = a x b wyliczamy
x y z
z wyznacznika
RYS. 8
gdzie: i, j,k są wersorami (leżącymi odpowiednio na osiach
x, y, z).
Iloczyn mieszany trzech wektorów (a x b) c jest liczbą. Jej
wartość jest równa objętości równoleglościanu rozpiętego na
tych wektorach (rys. 9). Jeżeli znamy współrzędne wektorów
a, b, c, to
RYS. 9
1
Układy płaskie w przypadku
więzów idealnych
1.1
Twierdzenie o trzech siłach
Jednym z najprostszych układów płaskich jest układ trzech sił.
Przypomnijmy twierdzenie o trzech siÅ‚ach: warun­
kiem koniecznym i wystarczającym na to, aby układ trzech sił
nierównoległych, leżących w jednej płaszczyznie pozostawał
w równowadze jest, aby linie działania tych sił przecinały się
w jednym punkcie, a same siły tworzyły trójkąt zamknięty.
PRZYKAAD 1.1 Wyznaczyć siłę F utrzymującą jednorodną belkę AB = 21
o ciężarze P w położeniu równowagi. Belka opiera się
o dwie gładkie płaszczyzny: poziomą i nachyloną pod kątem
(rys. 1.1). Belka tworzy z płaszczyzną poziomą kąt
ROZWIZANIE
Na belkÄ™ dziaÅ‚ajÄ… trzy siÅ‚y [P, RA, RB] pozostajÄ…ce w równo­
wadze. SiÅ‚y przecinajÄ… siÄ™ w punkcie O. Zatem kieru­
nek reakcji RB (która składa się z siły F i reakcji płaszczyzny
NB) przechodzi przez punkt O. SiÅ‚y tworzÄ… trój­
kąt KLM. Poprowadzimy odcinek CD równoległy do odcinka
AO. Widzimy, że trójkąty OCD i KLM są podobne. Aatwo
możemy wyznaczyć boki trójkąta O AC.
Z twierdzenia sinusów otrzymujemy
i podobnie
Odcinek
Z podobieństwa trójkątów OCD i KLM dostajemy
Prostokątna płytka ABCD o bokach AB = a i BC  b jest
umocowana za pomocÄ… przegubu w punkcie B i opiera siÄ™
o gÅ‚adkÄ… Å›cianÄ™ w punkcie A. PÅ‚ytka obciążona jest w punk­
cie C siłą P (rys. 1.2). Zaniedbując ciężar płytki, wyznaczyć
reakcję ściany RA i przegubu RB.
ROZWIZANIE
Na podstawie warunków zadania na ciało działają trzy siły,
z których jedna jest znana. Kierunek reakcji Å›ciany jest rów­
nież znany, jest on prostopadły do ściany. Siły P i RA przecinają
siÄ™ w punkcie O (rys. 1.2). Na podstawie twierdzenia
o trzech siłach przez ten punkt musi przejść również linia
dziaÅ‚ania trzeciej siÅ‚y RB, o której wiadomo, że jest zacze­
piona w punkcie B. Kierunek reakcji RB pokrywa się więc
z kierunkiem OB. UkÅ‚ad siÅ‚ [RA, RB, P] bÄ™dzie w równowa­
dze, jeżeli dodatkowo siły te będą tworzyć trójkąt zamknięty.
Oznaczmy wierzchoÅ‚ki tego trójkÄ…ta: L, M, N. Z rysunku wi­
dzimy, że trójkąt LMN jest podobny do trójkąta BKO. Stąd
wynika, że
ze związków w trójkącie LMN dostajemy zaś
Jak widać wartości reakcji nie zależą od kąta a.
Jednorodny pręt AB o długości 21 i ciężarze P jest zamoc
wany za pomocą przegubu płaskiego A i utrzymywany w p
łożeniu jak na rys. 1.3 poziomą siłą S. Wyznaczyć reakc
przegubu A oraz kąt a w położeniu równowagi.
ROZWIZANIE
Z twierdzenia o trzech siłach wyznaczamy linię działania r
akcji RA. Z trójkąta LMN obliczamy
Belka AB o długości 2/ jest obciążona w środku siłą P, dzia
Å‚ajÄ…cÄ… pod kÄ…tem fi  45° w stosunku do poziomu. Wyzna
czyć reakcje przegubu A i podpory przesuwnej B. Ciężar belki
zaniedbać.
ROZWIZANIE
Wszystkie trzy siły przecinają się w punkcie O. Poprowadzr
odcinek BD równoległy do OC. Z rysunku 1.4 widzimy,
1.1. Twierdzenie o trzech siłach 19
Ponieważ
zatem
Przewód elektryczny o ciężarze Q jest umocowany na jednym
poziomie do dwóch słupów, pozostających w odległości
AB =1. Strzałka zwisu przewodu CD  f. Wyznaczyć siłę
rozciągającą przewód w punkcie C oraz reakcje RA i RB
(rys. 1.5).
ROZWIZANIE
Przetnijmy myślowo przewód w punkcie C i odrzućmy jego
prawÄ… część. OddziaÅ‚ywanie tej części na część lewÄ… za­
stępujemy silą Re, której kierunek jest poziomy. Na lewą
część przewodu dziaÅ‚a jeszcze dodatkowo silÄ… R O niezna­
nym kierunku i siła pionowa Przyjmujemy, że siła
działa wzdłuż linii odległej od punktu A o odcinek
(rys. 1.5). Linie działania wszystkich trzech sił powinny przeciąć
się w punkcie O. Zamknięty trójkąt sił jest podobny do
trójkąta AOE. Stąd możemy napisać związek
1. Układy płaskie w przypadku więzów idealnych
Jeżeli strzałka zwisu / jest bardzo mała, to siła Rc osiąga
bardzo duże wartości. Wartość reakcji
Ze względu na symetrię całego układu RA = RB
Nieważka belka AB o dÅ‚ugoÅ›ci / opiera siÄ™ jednym koÅ„­
cem A o gÅ‚adkÄ… pionowÄ… Å›cianÄ™, drugim o wystÄ™p C. Ko­
niec belki obciążono pionowÄ… siÅ‚Ä… P. Nachylenie belki w sto­
sunku do poziomu równe jest a. Wyznaczyć długość odcinka
AC oraz wartości reakcji RA i Rc w położeniu równowagi
(rys. 1.6).
ROZWIZANIE
Kierunki reakcji RA i Rc w tym przypadku sÄ… znane. Przy
zadanym kącie a odległość AC musi być więc tak dobrana,
aby linie działania wszystkich sił przecięły się w punkcie O.
Z trójkąta sił dostajemy
Z rysunku mamy
Wyznaczyć reakcje przegubów A i B ramy, pokazanej na
rys. 1.7, obciążonej poziomÄ… siÅ‚Ä… P. Ciężar ramy zaniedbu­
jemy. Rama skÅ‚ada siÄ™ z dwóch symetrycznych części zÅ‚Ä…czo­
nych płaskim przegubem C.
ROZWIZANIE
W zadaniu tym mamy wyznaczyć cztery niewiadome: war­
tości reakcji przegubów A i B oraz ich kierunki. Zadanie
to różni siÄ™ w sposób zasadniczy od dotychczas rozwiÄ…zy­
wanych, gdyż mamy do czynienia już nie z jednym ciałem
sztywnym, lecz z układem dwóch ciał połączonych w tym
przypadku pÅ‚askim przegubem C. W tego rodzaju zagadnie­
niach należy układ rozbić na dwa układy proste. Wezmy pod
uwagę układ I. Jest on w równowadze i działają na niego
dwie siÅ‚y: jedna przyÅ‚ożona w punkcie B i druga w punk­
cie C. Dwie siły są w równowadze wtedy i tylko wtedy, gdy
tworzą dwójkę zerową. Zatem RB i Rc muszą działać wzdłuż
prostej, wyznaczonej przez punkty B i C. Układ I oddziałuje
na układ II siłą  Rc. Przechodząc do układu II, możemy
już wyznaczyć kierunek reakcji RA i z trójkąta sił obliczyć
Dwa sześciany o ciężarach P i Q spoczywają na gładkich
równiach nachylonych w stosunku do poziomu pod kątami
a i /3 (rys. 1.8). Znalezć zależność między siłami P i Q
w położeniu równowagi, naciski sześcianów na równie oraz
siłę oddziaływania jednego sześcianu na drugi.
'Przykłady oznaczone gwiazdką studenci studiów zawodowych
mogą pominąć.
1. Układy płaskie w przypadku więzów idealnych
ROZWIZANIE
W tym przypadku mamy również do czynienia z układem
zÅ‚ożonym. Na ukÅ‚ad I dziaÅ‚ajÄ… trzy siÅ‚y i jego równowaga bÄ™­
dzie możliwa, jeżeli ich linie działania przetną się w punkcie
0\. Podobnie dla układu II linie działania RB, Q, Rc muszą
siÄ™ przeciąć w punkcie O2 . Zbudujemy dwa zamkniÄ™te trój­
kąty sił. Po zastosowaniu twierdzenia sinusów z pierwszego
trójkąta dostaniemy
Z drugiego trójkąta otrzymujemy R = Q sin . Jeżeli
c
porównamy stronami otrzymane związki, otrzymamy zależ-
ność między siłami P i Q
Podobnie możemy obliczyć
Belka O A jest umocowana przegubem O i przywiÄ…zana za
pomocą linki BC do ściany. Belkę obciążono w punkcie A
ciężarem P. ZaniedbujÄ…c ciężar belki, wyznaczyć wartość re­
akcji przegubu O oraz kąt , który tworzy ona z osią belki.
Wyznaczyć również silÄ™ w lince BC, jeżeli jest ona prostopa­
dła do osi belki; przyjąć OB = AB.
ROZWIZANIE
Kierunek reakcji Ro powinien przechodzić przez punkt D
(rys. 1.9). Oznaczając długość belki przez / możemy napisać
zwiÄ…zek
Ze wzoru Carnota dla trójkąta O AD mamy
czyli a zatem trójkÄ…t ODA jest równora­
mienny i
Z trójkąta sił mamy:
Jednorodny pręt o długości 2/ i ciężarze P opiera się końcen PRZYKAAD 1.10
B o gładką pionową ścianę. W punkcie A opiera się o występ
znajdujący się w odległości a od ściany. Wyznaczyć reakcj(
w punktach A i B oraz wartość kąta a w położeniu równowag
irys. 1.10).
ROZWIZANIE
W tym przypadku znamy kierunki działania wszystkich trzech
sił RA, RB, P. Kierunki działania tych sił powinny przecinać
się w jednym punkcie, zatem położenie pręta jak na rys. 1.10
nie może być poÅ‚ożeniem równowagi. Narysujmy prÄ™t w po­
łożeniu równowagi (rys. 1.11). Na podstawie tego rysunku
możemy napisać trzy związki
RYS. 1.10
Po podstawieniu zależnoÅ›ci (1) i (3) do zwiÄ…zku (2) otrzy­
mamy
Z trójkąta sił dostajemy
RYS. 1.11
Jednorodny gÅ‚adki prÄ™t AD o dÅ‚ugoÅ›ci 2/ i ciężarze P znaj­
duje się w półsferycznej czaszy o promieniu r. Wyznaczyć
kąt ę oraz znalezć reakcje R i R w położeniu równowagi
A B
irys. 1.12).
ROZWIZANIE
W zadaniu tym, podobnie jak w poprzednim, znamy kierunki
działania sił R , R , P. Kierunki te powinny przeciąć się
A B
w jednym punkcie. Na rysunku 1.12 oznaczono ten punkt
przez E. Na podstawie rysunku możemy napisać następujące
zależności geometryczne
Jednorodny pręt o długości 2/ i ciężarze P opiera się końcem
B o gładką pionową ścianę. W punkcie A opiera się o występ,
znajdujący się w odległości a od ściany. Wyznaczyć reakcje
w punktach A i B oraz wartość kąta a w położeniu równowagi
irys. 1.10).
ROZWIZANIE
W tym przypadku znamy kierunki działania wszystkich trzech
sił R, RB, P. Kierunki działania tych sił powinny przecinać
się w jednym punkcie, zatem położenie pręta jak na rys. 1.10
nie może być poÅ‚ożeniem równowagi. Narysujmy prÄ™t w po­
łożeniu równowagi (rys. 1.11). Na podstawie tego rysunku
możemy napisać trzy związki
Po podstawieniu zależnoÅ›ci (1) i (3) do zwiÄ…zku (2) otrzy­
mamy
stÄ…d
Z trójkąta sił dostajemy
Jednorodny gÅ‚adki prÄ™t AD o dÅ‚ugoÅ›ci 2/ i ciężarze P znaj­
duje się w półsferycznej czaszy o promieniu r. Wyznaczyć
kąt oraz znalezć reakcje RA i RB w położeniu równowagi
( rys. 1.12).
ROZWIZANIE
W zadaniu tym, podobnie jak w poprzednim, znamy kierunki
działania sił RA, RB, P. Kierunki te powinny przeciąć się
w jednym punkcie. Na rysunku 1.12 oznaczono ten punkt
przez E. Na podstawie rysunku możemy napisać następujące
zależności geometryczne
równość (2) wynika z twierdzenia sinusów, stąd mamy
Z rysunku widać, że
Po podstawieniu wzorów (3) i (1) do równania (4) otrzy­
mamy
a po przekształceniu
Ponieważ ze względów fizycznych kąt więc
a zatem możemy na podstawie zależnoÅ›ci (5) na­
pisać równanie
stÄ…d
Ponieważ kÄ…t jest kÄ…tem ostrym, drugi pierwiastek rów­
nania (6) nie może być brany pod uwagę.
KorzystajÄ…c z twierdzenia sinusów, z trójkÄ…ta siÅ‚ wyzna­
czamy poszukiwane reakcje
Na zakończenie podamy kilka uwag metodycznych:
1. Jeżeli mamy do czynienia z układami prostymi, to
podanymi metodami możemy rozwiÄ…zywać zadania, w któ­
rych znamy kierunki działania dwóch sił oraz wartość
jednej z nich. Na podstawie twierdzenia o trzech si­
Å‚ach wyznaczamy kierunek dziaÅ‚ania trzeciej siÅ‚y (rysu­
nek zasadniczy). Wykreślamy na boku zamknięty trójkąt
siÅ‚, w którym znamy tylko jeden bok. Na rysunku zasad­
niczym wyszukujemy trójkąt podobny, którego boki (lub
wzajemne stosunki boków) dadzÄ… siÄ™ wyznaczyć. Korzy­
stając z podobieństwa tych dwóch trójkątów, wyznaczamy
1.2. Płaski układ sił zbieżnych 25
poszukiwane wartości sił. Tak postępowano w
przykładach 1.1 -- 1.5. Czasami wyszukanie na rysunku
zasadniczym trójkąta podobnego jest kłopotliwe (lub
trudno wyznaczyć wzajemne stosunki jego boków),
wtedy możemy wyznaczyć kąty między poszczególnymi siłami,
a następnie stosując twierdzenie sinusów, obliczyć wartości sił
(przykład 1.9).
2. Jeżeli mamy do czynienia z układem złożonym, należy
go rozbić na układy proste (w miejscu, gdzie ciała sztywne
łączone za pomocą więzów), a następnie rozrysować te
układy i z każdym z nich postąpić tak, jak to podano w p. 1.
Wygodniej jest zacząć od układu łatwiejszego (porównaj przykład
1.7 i 1.8).
3. Jeżeli mamy do czynienia z określeniem położenia równowagi
to wówczas kierunki działania wszystkich trzech sił
a znane. Należy więc w pierwszej kolejności ustawić ciało,
którego równowagę rozpatrujemy, w takim położeniu, by
równowaga mogła zachodzić, tzn. kierunki działania sił przecięły
jednym punkcie (wykonać rysunek zasadniczy), a następnie
postępować tak, jak to podano w p. 1. Ten sposób
zilustrowano w przykładach 1.6, 1.10 i 1.11.
1.2
Płaski układ sił zbieżnych
Dla dowolnej liczby sił zbieżnych na płaszczyznie mamy dwa
niezalezne równania równowagi
Lub
Punkty A i B są wybrane dowolnie, lecz nie mogą leżeć
na jednej prostej z punktem 0, w którym przecinają się linie
działania wszystkich sił. Do równań tych wchodzą znane siły
czynne oraz nieznane reakcje. Aby zadanie mogło być statycz-
nie wyznaczalne, liczba niewiadomych nie może przekraczać
dwóch.
Gdy siÅ‚a P i punkt A leżą na pÅ‚aszczyznie, wówczas mo­
tt charakteryzujemy wielkością liczbową MA(P) = ąPh,
gdzie h jest ramieniem siły (odległością punktu A od linii
dziaÅ‚ania siÅ‚y P). Znak  +" przyjmujemy, gdy siÅ‚a wywo­
Å‚uje obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek ze­
gara.
Aby wyciągnąć z ziemi pal, robotnik przywiązał do niego linę
w punkcie A. Po zamocowaniu drugiego koÅ„ca liny B przy­
wiązał do niej drugą linę w punkcie C, zaczepioną w punkcie
D, po czym uchwycił rękami linę CD w punkcie E i zawisł
w powietrzu; część AC liny zajęła wtedy położenie pionowe,
a część CE  poziome.
Części CB i DE utworzyły jednakowe kąty a, jedna
z pionem, druga z poziomem (rys. 1.13). Wyznaczyć siÅ‚Ä™ w li­
nie AC, jeżeli ciężar robotnika jest równy P.
ROZWIZANIE
Przecinając linki dostaniemy jeden układ sił zbieżnych
w punkcie E, drugi w punkcie C. Korzystając z warunków
równowagi (1.1), dostaniemy dla ukÅ‚adu I nastÄ™pujÄ…ce równa­
nia
stÄ…d
Podobnie dla układu II otrzymamy
stÄ…d
Na pionowej półkuli jest umieszczona kulka A, która może się
poruszać tylko po okrÄ™gu. Kulka jest utrzymywana w równo­
wadze za pomocą nici ABC. Na końcu nici uwieszono ciężar
P. Ciężar kulki równy jest Q. Znalezć kąt a, jaki tworzy
odcinek O A z odcinkiem OB w położeniu równowagi, oraz
nacisk kulki na powierzchniÄ™ półkuli. ÅšrednicÄ™ bloku B za­
niedbać.
ROZWIZANIE
Przyjmujemy osi ukÅ‚adu: x  styczna do półokrÄ™gu w punk­
cie A,y  normalna (rys. 1.14). Warunki równowagi kulki
A przyjmą postać
Z pierwszego równania można obliczyć kÄ…t Po za­
mienieniu cos a zgodnie ze wzorem
dostaiemy równanie
stÄ…d
Ponieważ kąt a jest kątem mniejszym niż n, przyjęliśmy
tylko dodatni pierwiastek równania kwadratowego.
Z drugiego równania równowagi można wyznaczyć na­
cisk na półkulę
Jednorodny pręt AB o ciężarze P końcem A jest zamocowany
na przegubie płaskim, koniec B zaś jest zawieszony na lince
BC (rys. 1.15). Znając kąty a i 8 znalezć siłę T w lince BC.
ROZWIZANIE
Warunek równowagi pręta w postaci (1.2) względem punktu
.4 ma postać
Z rysunku mamy
więc
Dwie kulki Ai B o ciężarach P\ i P2 znajdują się w położeniu
równowagi wewnątrz gładkiej, sferycznej czaszy o promieniu
R. Kulki są połączone nieważkim prętem o długości AB = 21.
Znalezć naciski NA i NB kulek na czaszę, siłę S w pręcie
AB oraz kąt a, jaki tworzy pręt AB z poziomem w położeniu
równowagi (rys. 1.16).
ROZWIZANIE
Przecinając myślowo pręt AB, rozdzielamy układ na dwa
układy proste. Siły działające na punkty A i B zaznaczono na
rys. 1.16. Korzystając z warunków równowagi dla punktów A
i fi w postaci (1.1), dostajemy następujące cztery równania
Z równań (1) i (2) otrzymamy
a z równań (3) i (4)
Stad mamy zwiÄ…zek
Po rozpisaniu otrzymamy
Po podzieleniu ostatniej równoÅ›ci przez cos a cos /3 i zgrupo­
waniu odpowiednich wyrażeń dostajemy
Na podstawie rys. 1.16 możemy napisać
zatem
Z równań (1)--(4) mamy
Dwa jednorodne walce A i B, każdy o ciężarze P zawieszono
w punkcie O na nieważkich niciach. Między walcami A i B
położono walec C o ciężarze Q. Znalezć zależność między
kątami a i 6 w położeniu równowagi (rys. 1.17).
ROZWIZANIE
Na walce A i C działają siły przedstawione na rys. 1.18.
Z warunków równowagi walca C mamy
a z warunków równowagi walca A otrzymujemy dwa równania
Wyliczamy
Z drugiego równania dostajemy więc
Zatem
1.3
Redukcja dowolnego płaskiego układu sił
Zredukować dany układ n sił działających na dane ciało
sztywne do wybranego bieguna O oznacza zastąpić układ n
sił układem możliwie najprostszym, przyłożonym w punkcie
O, równoważnym danemu układowi n sił. Układ równoważny
rozumiemy jako układ wywołujący ten sam skutek.
Z mechaniki wiadomo, że dowolny pÅ‚aski ukÅ‚ad siÅ‚ re­
dukuje siÄ™ do wektora głównego W oraz momentu głów­
g
nego M .
g
Współrzędne wektora głównego obliczamy ze wzorów
a moment główny z zależności
gdzie: Pj , Pi  współrzÄ™dne i-tej siÅ‚y ukÅ‚adu redukowa­
x y
nego, Xi, yi  współrzędne przyłożenia tej siły, xo,yo 
współrzędne wybranego bieguna redukcji O, M  moment
skupiony działający na dane ciało.
Jak widzimy z tych wzorów, wektor główny nie zależy
od wyboru bieguna redukcji O, bÄ™dziemy go nazywać nie­
zmiennikiem redukcji. Moment główny jest funkcją (liniową)
xo, yo, czyli ze zmianą bieguna jego wartość się zmienia.
Punkt zaczepienia momentu skupionego M jest nieistotny, bo
moment jako wynik dziaÅ‚ania pary siÅ‚ jest wektorem swobod­
nym; parÄ™ siÅ‚ możemy dowolnie przemieszczać po pÅ‚aszczyz­
nie.
PRZYKAAD 1.17
Zadany układ czterech sił P, zaczepionych w punktach A,
zredukować do bieguna 0(2, 1). Współrzędne sił podano w N,
a współrzędne punktów przyłożenia w m
Na podstawie podanych wzorów mamy
W celu lepszego zrozumienia rozwiÄ…zania przedstawiono
je na rys. 1.19. Układ czterech sił został tu zastąpiony wekto-
rem głównym o współrzędnych 3 i 6 oraz momentem głów-
nym o wartości 9. Okazuje się, że gdy wektor główny i mo-
ment główny są różne od zera, wówczas można układ zreduko-
wać do wypadkowej. Wiadomo, że wypadkowa jest to jedna
siła równoważna danemu układowi sił. Wypadkowa W bę-
dzie równa wektorowi głównemu, lecz jej punkt zaczepienia
musi leżeć na odpowiedniej prostej. Wyznaczymy równanie
tej prostej. Zredukujemy jeszcze raz cały układ sił do bie-
guna O o współrzędnych (x, y). Oczywiście możemy do tego
1
bieguna zredukować równoważny układ W , M . Otrzymamy
g g
W = W oraz M = M - W {x - x ) + W (y - y ).
g1 g g1 g gy 0 gx 0
Jeżeli współrzędne (x, y) dobierzemy tak, że M = 0, to
g1
wektor główny będzie wypadkową. Stąd otrzymamy równanie
prostej, wzdłuż której działa wypadkowa
Dla naszego przykładu mamy 9  6(x - 2) + 3(y - 1) =0.
Wypadkowa układu sił leży na prostej y = 2x  6.
Zredukować dany układ do początku układu współrzędnych, PRZYKAAD 1.18
a nastepnie do wypadkowej; moment M  6 jest przyłożony
w punkcie A (2.2).
4
ROZWIZANIE
współrzędne wektora głównego wynoszą
a moment główny jest równy
Równanie linii działania wypadkowej wyznaczamy na
podstawie równania
lub w postaci kierunkowej y = -8x + 24.
Na podstawie wykonanej redukcji możemy wyznaczyć
warunki równowagi dowolnego płaskiego układu sił. Układ
taki pozostanie w równowadze, jeżeli zarówno wektor główny,
jak i moment główny będą równe zeru. Stąd dostajemy trzy
niezależne warunki równowagi
Podane równania równowagi możemy zapisać w innej równo­
ważnej postaci
z zastrzeżeniem, że punkty A, B, C nie leżą na jednej prostej,
lub w postaci
gdzie ostatni warunek oznacza sumę rzutów sił na dowolną
prostą /, która nie jest prostopadła do prostej wyznaczonej
przez punkty A i B.
Dla ukÅ‚adu siÅ‚ równolegÅ‚ych jako przypadku szczegól­
nego możemy obrać układ współrzędnych tak, aby siły były
równoległe do osi y. Wówczas otrzymamy dwa niezależne
warunki równowagi w postaci
1.4
Równowaga układu sił równoległych
Jednorodny pręt zgięty w punkcie A pod kątem prostym jest
zawieszony na nici BD. Dane: AB  2b, AC = 2a, a > b
rys. 1.20).
Znalezć kąt a w położeniu równowagi.
ROZWIZANIE
Na pręt działają siły P1, P2 i napięcie nici S, przy czym Pi =
= y2b, P  y2a, gdzie y  ciężar przypadajÄ…cy na jed­
2
nostkę długości pręta.
Z warunku równowagi momentów względem punktu B
dostajemy
gdzie h  a cos a  2b sin a.
to wstawieniu do równania dostajemy
Po podzieleniu stronami przez 2y cos a otrzymamy
Dwie kulki o ciężarach P i Q złączono nieważkim prętem
PRZYKAAD 1.20
3C. W punktach B i C przymocowano sznur BAC o długości
równej /, który przerzucono przez blok A. Znalezć AB i AC
w położeniu równowagi (rys. 1.21).
Na układ działają trzy siły P, Q oraz reakcja R . Zatem
A
reakcja R jest pionowa i równa P+Q. Z warunku momentów
A
względem A dostajemy
Ponieważ
Blok A jest w równowadze pod działaniem reakcji R
A
oraz sił w lince działających wzdłuż AC i AB. Ponieważ sił)
w lince są te same, więc prosta AK (linia działania R ) jest
A
dwusieczną kąta CAB. Na podstawie własności dwusiecznj
kąta wewnętrznego trójkąta mam; i na podstawie
RYS. 1.21
poprzedniego zwiÄ…zku
zatem
Dwa pręty AB i OC, których ciężar jednostki długości wynosi
2p są połączone prostopadle w punkcie C. W punktach A
i B zawieszono ciężarki P1 i P2 (P2 > P1). Wyznaczyć kąt
a w położeniu równowagi (rys. 1.22).
ROZWIZANIE
Z warunku momentów względem punktu O otrzymamy rówj
nanie
Po podstawieniu P3, = 4pa, P = 2pb i podzieleniu stronami
przez cos a wyznaczamy
Pozioma belka przegubowa ACB ma koniec A zamocowań;
w ścianie, a koniec B oparty na przesuwnej podporze; w punk-
cie C znajduje się przegub. Belka jest obciążona dzwigiem
podnoszącym ciężar P = 1 kN. Przy wysunięciu ramienia
dzwigu na odległość KL = 4 m, środek ciężkości dzwigi
leży na pionowej CD. Ciężar dzwigu wynosi Q = 5 kN
Pomijając ciężar belki, wyznaczyć reakcje jej podpór. Rami
dzwigu leży w jednej płaszczyznie z belką (rys. 1.23).
ROZWIZANIE
W tym przypadku rozbijamy układ złożony na trzy układy
proste (rys. 1.24). W pierwszej kolejnoÅ›ci rozpatrzymy rów­
nowagÄ™ dzwigu. Dostajemy dwa równania równowagi w po­
staci
StÄ…d mamy
Belka BC bÄ™dzie w równowadze, jeżeli reakcja Rc bÄ™­
dzie pionowa. StÄ…d dostajemy
Warunki równowagi belki AC mają postać
Siad
W celu zmierzenia dużych sił Q zbudowano układ dwóch
różnoramiennych dzwigni ABC i EDF, połączonych ze sobą
Å‚Ä…cznikiem CD. W punktach B i E znajdujÄ… siÄ™ nieruchome
podpory. Po dzwigni EDF może przesuwać się ciężar P. Siła
Q przyłożona w punkcie A jest równoważona przez ten ciężar,
umieszczony w odległości / od punktu D. O jaką odległość x
należy przesunąć ciężar P, jeżeli do siły Q dodamy siłę Q1,
(rys. 1.25)?
ROZWIZANIE
Rozdzielmy myślowo pręt CD. Otrzymamy w ten sposób dwa
układy proste. Dla pierwszego układu z warunku równowag
w postaci sumy momentów względem punktu B uzyskujemy
a
siłę w pręcie CD równą S = (Q + Q\)-. Podobnie z wa-
b
runku momentów względem punktu E dla układu drugiego
dostajemy
Z porównania tych związków otrzymamy
Z warunków zadania wynika, że siła Q była zrównov
żona siłą P przyłożoną w odległości / od punktu D. Wted
dostajemy zależność . Po uwzględnieniu ostat-
niego związku możemy napisać
stÄ…d


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
10z2000s21 Metodyka podziału zadań w sekcji ratownictwa chemiczno ekologicznego
81 zadań z mechaniki 2(1)
Lista zadań Mechanika Ogólna
Zbiór zadań mechaniki kwantowej
ChF rozw zadań egz
logika rozw zadan v2

więcej podobnych podstron