Главная
страница 1страница 2страница 3страница 4

И.С. Куликов, Г.А. Маковкин



СТАТИКА

ТВЕРДОГО ТЕЛА

Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
И.С. Куликов, Г.А. Маковкин

СТАТИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Утверждено редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия


Нижний Новгород

ННГАСУ

2008


ББК 22.21

К 90


М 16

Куликов И.С. Статика твердого тела [Текст]: учебное пособие; / И.С. Куликов, Г.А. Маковкин; Нижегород. гос. архитект. - строит. ун-т – Н.Новгород: ННГАСУ, 2008. – 72 с. ISBN 978-5-87941-542-1

Сжато и доступно изложены основы статики твердого тела в рамках, не выходящих за пределы требований ГОС и программы средних специальных учебных заведений. В популярной форме авторы знакомят с основными понятиями и методами этой дисциплины, необходимыми для приведения плоской и пространственной систем сил, с условиями и уравнениями равновесия частных видов систем. Рассматривается методика определения опорных реакций твердых тел и составных конструкций, образованных из систем таких тел, а также методы определения положения центра тяжести. Изложение сопровождается примерами, необходимыми для успешного овладения теорией и приобретения минимальных навыков решения задач в объеме, достаточном для последующего изучения раздела «Статика деформируемого тела».

Пособие предназначено для студентов направления 521700 - Архитектура, изучающих раздел «Статика твердого тела» в курсе теоретической механики. Будет полезно также студентам других специальностей вузов архитектурно-строительного направления.

ББК 22.21

ISBN 5-87941-542-1  Куликов И.С., 2008

 Маковкин Г.А., 2008

 ННГАСУ, 2008


ПРЕДИСЛОВИЕ




Переход к многоуровневой системе образования проходит в условиях гуманитаризации процесса обучения и создания качественно новых информационно-вычислительных систем. Это сопровождается значительным сокращением времени, отводимого на изучение механики у традиционных специальностей и появлением новых специальностей с одним или двухсеместровым курсом по этой дисциплине.

К их числу относится и курс основ механики объемом 68 академических часов, изучаемый в ННГАСУ студентами направления 521700 - Архитектура. Этот курс состоит из трех разделов:

- статика твердого тела,

- статика деформируемого тела,

- статика сооружений,

т.е. фактически является курсом строительной механики в широком смысле этого слова, как он раньше и назывался.

Начиная с 2000 г., эта дисциплина согласно ГОС и учебным планам вошла в группу естественнонаучных дисциплин и стала называться «теоретической механикой». При этом два первых её раздела объемом 17 часов каждый сейчас изучаются в течение третьего семестра, а последний 34-часовой - в четвертом учебном семестре.

Отметим, что студенты строительных специальностей изучают эти разделы механики в соответствующих курсах: теоретической механики, сопротивления материалов и статики сооружений или строительной механики. Поэтому нетрудно понять, что успешное овладение основами механики в рамках сокращенной программы представляет непростую задачу, как для лектора, так и для студентов. И первым шагом на пути её решения является определение целей этого курса. Для студентов-архитекторов они сформулированы так:

- научить анализировать существующие конструктивные решения, понимать работу сооружения в целом и оценивать ту роль, которую играют отдельные элементы ансамбля, устанавливать функциональную связь между воздействиями, внутренними усилиями и формой сооружения;

- способствовать осознанному, свободному и целенаправленному решению основной задачи архитектурного проектирования – поиску новых форм и совершенных решений;

- ознакомить с основными понятиями и методами строительной механики и помочь формированию рационального и логического мышления.

Достижение намеченных целей требует тщательной подготовки учебной программы и её методического обеспечения.

Настоящее пособие является попыткой содействовать решению этой задачи для первого раздела курса – статики твердого тела. Его содержание не претендует на полноту и отражает точку зрения авторов на то, каким должен быть начальный курс этой дисциплины для архитекторов.

Учитывая уровень математической подготовки архитекторов, авторы отказались от строгих математических обоснований в изложении учебного материала, усилив по возможности логическую составляющую курса. Вместе с тем неизбежная популяризация не сопровождается искаженным упрощением.

В пособии дается представление о предмете, методах исследования и задачах теоретической механики и механики в целом, позволяющее студенту чувствовать себя уверенно при изучении этого курса.

Замечания в конце ряда параграфов предназначены для критически настроенных читателей и могут быть оставлены без внимания при первом чтении.

Авторы благодарят всех сотрудников и студентов, оказавших помощь при подготовке рукописи этой работы к печати.

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Предмет механики и ее задачи
Приступая к изучению новой учебной дисциплины, полезно ответить на вопросы: что она изучает, какой метод исследования применяет, а также какое место занимает в системе естествознания и образования среди других наук и дисциплин.

В отношении механики это особенно важно, поскольку в школьных и вузовских учебниках она традиционно ассоциируется с разделом физики, что невольно отводит ей место в ряду таких общеобразовательных дисциплин, как физика или математика. На самом деле механика играет гораздо более важную роль в подготовке специалиста в области строительства или архитектуры.

Напомним, что механика – это наука, изучающая механическое движение материальных объектов, то есть их взаимное перемещение в пространстве и во времени. В качестве материальных объектов помимо дискретных тел могут выступать среды – например, жидкость или газ и поля, поэтому круг объектов, изучаемых механикой очень широк.

В зависимости от физических свойств этих объектов и их размеров всю механику можно разделить на классическую или ньютонову и неклассическую.



Неклассическая механика  это действительно часть физики, в которой исследуются объекты микро- и макромира с учетом пространственно-временной зависимости.

Классическая механика имеет дело с объектами, протяженность которых приблизительно и с точностью до нескольких порядков заключена в интервале от 10-10 до 1010 метра. При их изучении свойства пространства и времени можно считать постоянными. Именно такую ньютонову механику мы и будем рассматривать в дальнейшем.

В зависимости от особенностей модели реальных объектов классическая механика делится на теоретическую механику  с моделью абсолютно твердого тела и механику сплошной среды с моделью деформируемого тела.

Основным методом исследования в механике является гипотетико-дедуктивный. Его суть заключается в выдвижении гипотезы, которая подтверждается или опровергается опытом.

Схематически место механики в системе естествознания можно определить так, как показано на рис.1.1. При этом механика деформируемого тела или механика сплошной среды, образующая ядро этой науки, окружена тремя сегментами, представляющими собой теоретическую механику, неклассическую механику микро- и макромира и прикладную механику, которые примыкают соответственно: к математике, физике и практике в широком смысле этого слова.

Под прикладной механикой понимают раздел механики, в котором ее выводы и методы применяют для решения задач проектирования, строительства и эксплуатации сооружений. Этот термин близок к понятиям «техническая» или «строительная» механика и объединяет такие учебные дисциплины строительного направления, с которыми студенты встречаются в процессе обучения, как «теоретическая механика», «сопротивление материалов», «строительная механика», металлические, железобетонные и другие виды конструкций.
1.2. Предмет теоретической механики
Теоретическая механика  это раздел механики, изучающий движение абсолютно твердого тела.

Абсолютно твердым или недеформируемым называется тело, у которого расстояния между двумя любыми точками остаются неизменными.

Частным случаем твердого тела является материальная точка – это тело, размерами которого в условиях конкретной задачи можно пренебречь.

В зависимости от особенностей механического движения теоретическая механика (ТМ) делится на статику, кинематику и динамику.

Статика рассматривает частный случай механического движения, когда оно не зависит от времени – речь идет о рассмотрении равновесия твердого тела (ТТ), загруженного системой сил и находящегося в состоянии покоя.

Кинематика рассматривает внешнюю сторону механического движения независимо от причин, вызвавших его. Это не что иное, как геометрия в четырехмерном пространстве, где время играет роль четвертого измерения.

Если известно положение движущейся точки в каждый момент времени, то кинематика позволяет построить ее траекторию и определить такие кинематические параметры, как скорость или ускорение.



Динамика исследует общий случай механического движения ТТ с учетом причин, вызвавших его.

Нетрудно догадаться, что при изучении ТМ нас, прежде всего, будет интересовать статика.

Высокая степень абстракции модели абсолютно твердого тела позволяет применять в ТМ, как и в математике, аксиоматико-дедуктивный метод исследования. Это означает, что ТМ (и в частности статика) подобно геометрии построена на системе аксиом, сформулированных Ньютоном, которые играют в механике ту же роль, что и аксиомы Евклида в геометрии.

Таким образом, изучение ТМ помимо решения основной задачи способствует формированию рационального логического мышления.

Остается ответить на вопрос, зачем нужно изучать теоретическую механику архитектору? В значительной мере ответ на этот вопрос уже дан в предисловии к настоящему пособию. В дополнение к этому отметим, что задачей архитектурного проектирования является организация окружающего пространства с учетом:

 функциональных требований,

 законов физики и механики,

 опыта проектирования,

 эстетических концепций,

 экономичности

и ряда других требований.

Знание основных законов строительной механики является необходимым условием проектирования реальных и рациональных сооружений. Их учет позволяет уже на начальной стадии разработки проекта исключить заведомо нереализуемые варианты.

В прошлом незнание этих законов архитекторы могли компенсировать только учетом опыта проектирования и своей интуицией, при этом принятие новых конструктивных решений сопровождалось повышенным риском.

Сегодня такой метод проб и ошибок был бы слишком дорогим и неоправданным, поскольку расширение наших знаний в области строительной механики и появление автоматизированных систем проектирования позволяют архитектору в полной мере реализовать свой творческий потенциал.


1.3. Основные понятия статики
Прежде, чем перейти к рассмотрению аксиом статики, поясним основные понятия, с которыми мы там встретимся.

Статика – это раздел теоретической механики, изучающий условия равновесия систем сил и методы замены этих систем эквивалентными.

Сила – векторная величина, характеризующая воздействие на тело другого материального объекта. Сила определяется тремя факторами:

 точкой приложения,

 линией действия или направлением,

 модулем или величиной.



Системой называется совокупность сил, приложенных к одному твердому телу.

Эквивалентными называются системы сил, оказывающие на тело одинаковое воздействие.

Условие эквивалентности систем сил будем записывать в виде:


(P1, P2, ..., Pm)  (F1, F2, …, Fn).
Равнодействующей называется сила, эквивалентная системе сил:
R  (R)  (P1, P2, …, Pn).
Уравновешенной называется система сил, равнодействующая которой существует и равна нулю:

(P1, P2, ... , Pn)  0.



Уравновешивающей называется сила, равная и противоположная по направлению равнодействующей.

Все тела в механике делятся на свободные и несвободные.



Свободное тело может перемещаться в пространстве в любом направлении.

Несвободным называется тело, перемещения которого ограничены наложенными на него связями, то есть другими телами, ограничивающими свободу перемещений первого тела.

Все силы в механике делятся на активные и реакции связей или реактивные.

Последние могут появляться только в ответ на действие активных сил.

Отметим, что реакция связи направлена в сторону, противоположную тому направлению, куда тело не может перемещаться вследствие наложенной на него связи.


ПРИМЕЧАНИЯ:

1. В соответствии с приведенным определением сила является точечным вектором в отличие от векторов в математике, где векторы являются свободными.

2. Как обычно, здесь и в дальнейшем для обозначения векторных величин мы будем применять полужирный шрифт.

3. Понятия «линия действия» и «направление» близки, но не тождественны. Очевидно, что по линии действия можно определить направление с точностью до противоположного. Аналогично связаны понятия «модуль» и «величина» для вектора.


1.4. Аксиомы статики
Система аксиом статики, о которой мы уже упоминали, была сформулирована И.Ньютоном в 1687 г. в его работе «Математические основы натуральной философии». Часть этих аксиом известна из школьного курса физики как законы Ньютона, хотя первый из них – закон инерции был сформулирован еще Г.Галилеем.
1. Аксиома инерции. Под действием уравновешенной системы сил тело движется прямолинейно и равномерно или находится в состоянии покоя.
2. Аксиома равновесия системы двух сил. Система двух сил уравновешена в том и только в том случае, если эти силы:

действуют по одной прямой, соединяющей точки их приложения;

равны по модулю;

направлены в противоположные стороны (Рис.1.2).

Отметим, в частности, что из условия: (Р1 , Р2) ~ 0 следует, что P1 = - P2.

3. Аксиома присоединения или исключения уравновешенной системы сил. Действие системы сил на тело не изменится, если к ней присоединить (исключить из нее) уравновешенную систему сил.

Следствием этой аксиомы является следующая



Теорема 1.1. Действие силы на ТТ не изменится, если эту силу перенести вдоль линии действия в любую точку этого тела.

Формулировка теоремы означает, что сила Р, приложенная в точке А твердого тела, эквивалентна силе Р , приложенной в точке В того же тела и лежащей на линии действия силы Р. При этом вектор Р равен вектору Р : Р = Р (Рис.1.3а,в).




Для доказательства присоединим к системе, состоящей из единственной силы Р , уравновешенную систему сил, приложенных в точке В : (Р, Р )  0, выбрав Р = Р =  Р (Рис.1.3б).

Тогда в силу аксиом 2 и 3:


(Р )  (Р, (Р, Р ))  ((Р, Р ), Р )  (Р ),
поскольку силы (Р, Р ) также образуют уравновешенную систему. Теорема доказана.
4. Аксиома параллелограмма. Равнодействующая двух пересекающихся сил приложена в точке пересечения их линий действия и изображается диагональю параллелограмма, построенного на этих силах как на сторонах.

Отметим, что математически рассмотренная процедура определения равнодействующей соответствует нахождению суммы векторов (Рис.1.4):


(P1, P2)  RR = P1 + P2 .

Для определения модуля равнодействующей возведем последнее выражение в квадрат:


R2 = R2 = (P1 + P2 )2 = P12 + P22 + 2 (P1 P2) = P12 + P22 + 2 P1 P2 cos (P1, P2),
откуда получим искомое выражение:

________________



R =  P12 + P22 + 2 P1 P2 cos  ,
где   угол между векторами P1 и P2.

Построение параллелограмма можно, очевидно, заменить построением силового треугольника Oab.


5. Аксиома действия и противодействия. Два тела взаимодействуют с силами P1 и P2, равными по величине и противоположными по направлению:
P1 =  P2.
Отметим, что эти силы в отличие от сил, о которых идет речь в аксиоме 2, системы не образуют, поскольку приложены к разным телам.
6. Аксиома отвердевания. Равновесие деформируемого тела не нарушится, если его считать абсолютно твердым.

Эта аксиома позволяет рассматривать равновесие не только абсолютно твердых, но также деформируемых тел и даже жидкости. Например – в гидростатике.


7. Аксиома освобождаемости от связей. Несвободное тело можно считать свободным, если вместе с активными силами приложить к нему реакции отброшенных связей.

Отметим, что во всех предыдущих аксиомах рассматривались свободные тела. Соответственно для свободных тел впоследствии будут получены условия равновесия и теоремы статики. В то же время все окружающие нас строительные конструкции и сооружения представляют собой примеры тел несвободных. Отсюда понятна значимость последней аксиомы, которая позволяет от несвободных тел переходить к свободным, а также необходимость умения определять реакции этих связей.


ПРИМЕЧАНИЯ:

1. Аксиома 1 справедлива только для частного случая ТТ – материальной точки.

2. На основании следствия из аксиомы 3 сила в ТМ является не точечным, а скользящим вектором, поэтому на практике точка ТТ, к которой приложена сила, может совпадать как с началом, так и с концом этого вектора.

3. С помощью аксиомы 4 можно выполнить и обратную операцию: разложить силу на две составляющие по двум заранее выбранным направлениям.

4. Здесь и далее, если это не вызывает недоразумения, мы применяем обычное начертание шрифта для обозначения как модуля вектора силы, так и его величины: P = P.
1.5. Простейшие типы связей
1. Идеально гладкая поверхность. Рассмотрим тело, которое может перемещаться без трения по гладкой горизонтальной поверхности (Рис.1.5а). Пусть в качестве активной силы выступает сила веса  Р, приложенная в его центре тяжести. Реакция связи N представлена силой, распределенной по плоскости нижней грани этого тела, и ее можно считать приложенной в центре этой грани.


Принципиально картина не меняется, если поверхность тела или связи будет гладкой, но криволинейной (Рис.1.5б).

Пусть тело в виде бруса с гладкой поверхностью опирается в точке А на идеально гладкую поверхность, а в точке В  на уступ (Рис.1.5в).

Нетрудно догадаться, что тело не сможет находиться в равновесии, если в качестве активной силы выступает его собственный вес, однако равновесие возможно, если к этому брусу приложить некоторую другую внешнюю силу F. При этом, как будет показано в следующей главе, равновесие возможно только в том случае, если линия действия этой силы проходит через точку пересечения линий действия реакций RA и RB .

Итак, по поводу этого типа связи можно сделать следующий вывод: реакция идеально гладкой поверхности приложена в точке касания и направлена по нормали к поверхности тела или связи.



2. Гибкая невесомая и нерастяжимая нить. Рассмотрим тело, которое подвешено на двух таких нитях и находится в равновесии под действием собственного веса и реакций нитей, прикрепленных к телу в точках А и В (Рис.1.6).

Реакция связи равна силе натяжения нити, она направлена вдоль нити и от тела, которое эта нить удерживает.

3. Жесткий невесомый прямолинейный стержень. Реакция направлена вдоль стержня, который, в отличие от нити, может воспринимать как растягивающие (SB), так и сжимающие (SA) усилия (Рис.1.7).

4. Подвижная опора. Допускает перемещение закрепленным таким образом точки тела только вдоль опорной плоскости (Рис.1.8а).

Реакция направлена перпендикулярно заштрихованной опорной площадке.

В учебной литературе этот вид связи также называют подвижным цилиндрическим шарниром.


Помимо стандартного обозначения, предусмотренного ГОСТом, на схемах эту связь изображают так, как показано на рис. 1.8б.


Отметим, что четыре рассмотренные связи имеют одну общую особенность: соответствующие им реакции известны по направлению и неизвестны по величине. То есть с точки зрения алгебры каждая из этих реакций соответствует только одному неизвестному.



5. Неподвижная опора. Препятствует перемещению закрепленной таким образом точки тела в горизонтальном и вертикальном направлениях. Это означает, что в общем случае реакция RA такой связи неизвестна по величине и по направлению. В качестве неизвестных при ее определении можно выбрать модуль реакции RAи угол , который она образует с осью Ox , либо проекции вектора RA на оси координат: RAX , RAY (Рис.1.9а).

Эта связь допускает поворот тела вокруг рассматриваемой точки, поэтому в учебной литературе эту связь также называют неподвижным цилиндрическим шарниром.

Помимо стандартного обозначения, предусмотренного ГОСТом, на схемах она изображается так, как показано на рис. 1.9б.


6. Сферический шарнир. В отличие от цилиндрического шарнира не допускает перемещения закрепленной таким образом точки тела в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В качестве неизвестных при ее определении выбирают проекции этой реакции на оси координат: RAX , RAY , RAZ (Рис.1.10).

Рассмотренными в этом параграфе шестью типами связей мы и ограничимся. Другие связи будут рассмотрены по мере необходимости.


ПРИМЕЧАНИЯ:

1. В соответствии с аксиомой 7 на схемах нужно изображать одно из двух: либо связи, либо реакции отброшенных связей. На практике реакции связей нередко изображают одновременно со связями.

2. Связи, как и другие понятия, встречающиеся в аксиомах, являются абстракциями, весьма условно отражающими свойства реальных объектов. Например, рассмотренная выше гибкая невесомая нить может быть моделью подвесных и вантовых систем, у которых масса погонного метра троса составляет десятки и сотни килограммов. Однако усилия, возникающие в таких тросах, во столько раз больше их собственного веса, что при расчете последним можно пренебречь, считая их невесомыми.


следующая страница >>
Смотрите также:
Г. А. Маковкин статика твердого тела учебное пособие
799.79kb.
4 стр.
Программа : 11 Спектроскопия твердого тела Руководитель программы: д ф. м н., проф. Б. В. Новиков Кафедра физики твердого тела
21.44kb.
1 стр.
Программа «Физика твердого тела и фотоника»
25.08kb.
1 стр.
Программа «Физика твердого тела и фотоника»
29.59kb.
1 стр.
«Механика деформируемого твердого тела» Тематика диссертационных работ аспирантов специальности «Механика деформируемого твердого тела»
15.66kb.
1 стр.
Программа дисциплины Использование синхротронного излучения в химии твердого тела
64.11kb.
1 стр.
Учебное пособие Санкт-Петербург 2012
3455.98kb.
18 стр.
Учебное пособие для магистрантов и студентов гуманитарных специальностей Павлодар
2151.47kb.
9 стр.
Учебное пособие (075) Печатается
5189.84kb.
20 стр.
Учебное пособие для студентов металлургических специальностей Павлодар
1618.77kb.
9 стр.
«Механика деформируемого твердого тела» по техническим наукам
122.88kb.
1 стр.
Гусев Н. Ю. Статистика: основы методологии: Учебное пособие
13.17kb.
1 стр.