background image

M E C H A N I K A   ( S T A T Y K A )  

Mechanika  jest  wyodrębnionym  działem  fizyki  zajmującym  się  zagadnieniami  równowagi, 

opisem ruchu i odkształceń ciał rzeczywistych (ciał stałych, ciekłych i gazowych).  

Mechanikę ciał stałych możemy podzielić na:

 

- mechanikę ciał sztywnych - nieodkształcalnych  

- mechanikę ciał odkształcalnych (wytrzymałość 
 materiałów). 

Mechanika ciał nieodkształcalnych dzieli się na: 

-  statykę, 
-  kinematykę, 
-  dynamikę

Statyka jest nauką o równowadze ciał, a także sił działających na rozpatrywane ciała. 

Kinematyka -  nazywana również geometrią ruchu, zajmuje się opisem ruchu ciał, bez uwzględnienia  

                        przyczyn, które ten ruch powodują. 

Dynamika  - zajmuje się opisem ruchu ciał z uwzględnieniem przyczyn, które ten ruch powodują. 
Stosowanie metod matematycznych opisu ciał rzeczywistych – zmusiło do wprowadzenia uproszczeń, jak: 
-  punkt materialny (jest to punkt geometryczny, któremu jest przypisana pewna masa), 
-  ciało doskonale sztywne (jest to takie ciało, w którym odległość między dwoma dowolnymi punktami 

jest stała i nie ulega zmianie pod wpływem działania dowolnie dużych sił). 

Siły działające na ciało dzielimy na: zewnętrzne, wewnętrzne. 

Siły zewnętrzne z kolei dzielimy na: 

-  czynne (to siły, które obciążają dane ciało lub układ i starają się wprawić to ciało lub układ w ruch), 
-  bierne (tzw

. Reakcje -są to te siły, które przeciwdziałają ruchowi). 

Siłami zewnętrznymi czynnymi  
i biernymi mogą być: 
-  siły skupione, 
-  momenty skupione, 
-  obciążenia ciągłe. 

Siły  wewnętrzne,  które  występują  w 

rozpatrywanym przekroju konstrukcji, są spowodowane działaniem sił zewnętrznych czynnych.  

Statyka zajmuje się ustaleniem warunków, jakie w ogólnym przypadku powinny spełniać 

siły czynne i bierne, działające na punkt materialny lub ciało materialne sztywne, aby punkt 
lub ciało znajdowały się w spoczynku względem przyjętego układu odniesienia. 
Sposoby rozwiązań: 
-  metodami analitycznymi – najdokładniejszymi, 
-  metodami wykreślnymi – szczególnie przydatnymi dla układów płaskich, ale niezbyt dokładnymi, 
-  metodami analityczno – wykreślnymi, łączącymi dodatnie cechy obu poprzednich metod, 
-  metodami numerycznymi. 

Rozważania w dziale mechaniki – statyka są oparte na wielu aksjomatach, zwanych 

zasadami 

statyki. Są one następujące: 

I. 

Zasada  równoległoboku  –  dwie  dowolne    siły  F

i

 

F

2

  przyłożone  do  jednego  punktu  O  można 

zastąpić  jedną  siłą 

W,  przyłożoną  do  tego  samego  punktu  i  będącą  wektorem,  którego  miarą  jest 

przekątna równoległoboku zbudowanego na wektorach sił składowych. 

II. 

Zasada równowagi dwóch sił – dwie siły przyłożone do ciała sztywnego równoważą się wtedy, 

gdy działają wzdłuż jednej prostej, mają jednakowe miary, lecz są przeciwnie skierowane. 

III. 

Zasada  równoważności  –  działanie  dowolnego  układu  sił  przyłożonych  do  ciała  sztywnego  nie 

ulegnie zmianie, jeśli dodamy do niego inny układ sił ale równoważny zeru (układ sił równoważących 
się). 

IV. 

Zasada zesztywnienia – równowaga sił działających na ciało odkształcalne nie zostanie naruszona 

przez  zmianę  go  na  ciało  sztywne.  Zasada  ta  może  być  stosowana  w  ograniczonym  zakresie i  pod 

pewnymi warunkami. 

V. 

Zasada akcji i reakcji - jeżeli ciało A działa na ciało B siłą F, to ciało B oddziałuje na ciało A taką 

samą co do kierunku i modułu siłą 

– F zwróconą przeciwnie. 

VI. 

Zasada oswobodzenia z więzów - każde ciało nieswobodne możemy uważać za swobodne, jeżeli 

zamiast więzów przyłożymy do niego reakcje wywołane przez te więzy. 

background image

RACHUNEK WEKTOROWY

 

Wiadomości ogólne 

W mechanice rozróżniamy dwa rodzaje wielkości: skalary i wektory.  

Skalar  -  jest  to  wielkość,  do  określenia 

której  potrzebna  jest  jedna  liczba  (np. 
masa, temperatura, praca). 

Wektor  -  jest  to  wielkość  do  określenia 

której trzeba podać liczbę, kierunek i zwrot 
(np. prędkość, przyspieszenie, siła). 

Prosta,  na  której  leży  wektor,  nazywa  się  linią  działania  wektora.  Wektor  określony  jest 
następującymi elementami: linią działania, długością, zwrotem.
Wektor oznaczamy : 

AB

a

 

Oznaczenie modułu: |

AB

|, |

a

Podział wektorów 

Rozróżniamy trzy rodzaje wektorów: 

-  wektory związane z punktem (nieswobodne), 
-  wektory związane z prostą (liniowe), 
-  wektory swobodne. 

Wektorem związanym z punktem 

(nieswobodnym) nazywamy wektor, do 

określenia którego należy podać: 
-  wielkość, 
-  prostą na której leży („linię działania”), 
-  zwrot na tej linii, 
-  położenie początku wektora (punkt zaczepienia). 

Dwa wektory nieswobodne są sobie 
równoważne, jeśli: 
-  mają jednakowe wielkości (moduły), 
-  leżą na tej samej prostej, 
-  mają ten sam zwrot, 
-  mają wspólny początek. 

Wektorem związanym z prostą (liniowym) 

nazywamy wektor, do określenia którego 
należy podać: 
-  wielkość, 
-  linię działania, 

-  zwrot. 

Dwa wektory liniowe są sobie równoważne, 
jeśli: 
-  mają jednakowe wielkości (moduły), 
-  leżą na tej samej prostej, 
-  mają zgodne zwroty. 

Wektorem swobodnym nazywamy wektor, do 

określenia którego należy podać: 
-  wielkość, 
-  kierunek, czyli prostą w przestrzeni, do której 

jest równoległy, 

-  zwrot. 

Dwa wektory swobodne możemy uważać za 
równoważne, jeśli: 
-  mają tę samą wielkość (moduł), 
-  są do siebie równoległe (w szczególności mogą 

leżeć na tej samej prostej), 

-  mają ten sam zwrot. 

Wektor,  który  ma  ten  sam  kierunek  co  wektor  dany,  lecz  którego  moduł  równa  się 

jedności,  nazywa  się  wektorem  jednostkowym 
(wersor  osi)  i  oznaczamy  go  przez: 

i,  j,  k  (w 

zależności od osi współrzędnych).  

Działania na wektorach - 

dodawanie i 

odejmowanie wektorów  
Dodawanie  dwóch  wektorów 

a

  i 

b

  odbywa  się  wg 

zasady równoległoboku przy czym sumę wektorów (czyli 
sumę 

geometryczną) 

przedstawia 

przekątna 

równoległoboku. 
 

 

c

 

a

 

b

 

 

 

c

2

 = a

2

 + b

2

 + 2ab cos (

a

b

), 

gdzie kąt (

a

,

b

) jest kątem między wektorami. 

Wektor łączący początek pierwszego wektora z końcem 
ostatniego jest sumą geometryczną danych wektorów 

e

 = 

a

 + 

b

 + 

c

 + 

d

 

konstrukcja nazywa się 

wielobokiem wektorów.  

background image

 

Dodawanie wektorów podlega prawom przemienności, łączności oraz rozdzielności: 
-  prawo przemienności 

 

 

 

 

 

a

 + 

b

 = 

b

 + 

a

-  prawo łączności   

 

 

 

 

 

a

 + (

b

 + 

c

) = (

a

 + 

b

) + 

c

-   prawo rozdzielności mnożenia względem dodawania 

m(

a

 + 

b

) = 

a

 + 

b

Różnicą  dwóch  wektorów 

a

  i 

b

  nazywamy 

wektor 

d

,  który  otrzymamy  przez  dodanie  do 

wektora 

a

 wektora przeciwnego do wektora 

b

 (lub -

b

).  sumę  dwóch  wektorów  przedstawia  jedna 

przekątna równoległoboku, a różnicę druga. 
Rzut wektora na oś 
Rzutem  wektora 

AB

  na  oś 

L

  nazywamy  wektor 

'

B

A

  ograniczony  rzutami  prostopadłymi  początku 

A i końca B wektora na tę oś. 

Rzut wektora oznaczamy w następujący sposób: 
 

 

rzut

L

 

AB

 =  AB

L

 = 

A` B` = AB cosα,  

gdzie 

α jest kątem między wektorami 

AB

 i 

L

o

, czyli kąt α = 

(

AB

L

o

). 

Kąt α między wektorem 

AB

 a osią 

x zawsze odmierzamy w 

kierunku od osi 

x do osi y. 

Wprowadzając  pojęcie  wektorów  jednostkowych  możemy 
napisać: 

x

 = 

i

a

x

y

a

j

a

y

Na podstawie rysunku możemy napisać : 

AB

 = 

AC

 + 

CB

 

A ponieważ  

AB

 = 

a

,  

AC

 = 

x

,  

CB

y

a

,  

więc   

a

 = 

x

 + 

y

a

 

lub przy użyciu wektorów jednostkowych: 
 

 

a

 =  i

a

x

 + 

j

a

y

 

Wielkość wektora 

a

 obliczamy w następujący sposób: 

|

a

| = 

a =  a

x

2

 + a

y

2

  

Do określenia położenia wektora 

a

 służą następujące 

wzory: 

tg

α = 

a

y

a

x

  

cos

α = 

a

x

a   = 

a

x

a

x

2

 + a

y

2

  

sin

α = 

a

y

a   = 

a

y

a

x

2

 + a

y

2

  

Znając kąt  α znamy nie tylko prostą, do której wektor 

a

 jest równoległy, lecz również jego 

zwrot. Inaczej: kąt α określa położenie wektora 

a

 . 

Z  powyższego  określenia  wynika,  że  rzut  wektora  na  oś  jest  wektorem,  natomiast  miara 
skalarem, przy czym skalar ten może być dodatni lub ujemny w zależności od tego, czy kąt α 
jest mniejszy lub większy od 90°. 

Z podanych związków wynika, że do określenia wektora siły wystarczy znać rzuty tej siły na 
osie współrzędnych. 

background image

 

Załóżmy,  że  dane  są  trzy  siły 

F

1

F

2

F

3

których 

sumę 

s

 

określiliśmy za pomocą wieloboku sił  

Na  dowolnie  przyjętej  osi  L 
znajdujemy rzuty wektorów 

F

1

,

 

F

2

,

 

F

3

,  na  oś 

L.  Z  rysunku  (1.7) 

widzimy,  że  suma  geometryczna 

rzutów  wszystkich  sił  na  oś 

L  jest 

równa rzutowi sumy 

s tych sił na tę 

oś, czyli: 

s

L

 = 

F

1L

 + 

F

2L

 + 

F

3L 

Jest to tzw. twierdzenie o rzutach: 

suma rzutów dowolnych sił na oś jest równa rzutowi sumy 

tych sił na tę samą oś. Twierdzenie to ma podstawowe znaczenie dla mechaniki. 

Analityczne przedstawienie wektora 

Wektor  analitycznie  przedstawiamy  za 

pomocą trzech rzutów na osie współrzędnych.  

 

a

x

 = a cos (

a

x) 

a

y

 = a cos (

a

y)   

 

 

 

a

z

 = a cos (

a

z)       (1) 

a

x

 = a

x

 

i

 

a

y

 = a

y

j

 

a

z

 = a

k

 

a

 = 

a

x

 +

 

a

y

 +

 

a

z

 = a

x

i

 + a

y

j

 + a

k

gdzie: 
(

a

x) - jest to kąt zawarty pomiędzy wektorem 

i osią x; (podobnie dla osi y i z). 

Jeżeli są dane rzuty wektora, to wektor jest całkowicie określony. 

a

2

 = a

x

2

 + a

y

2

 + a

z

2

  

 

 

 

 

 

 

(2) 

|

a

| = 

a =  a

x

2

 + a

y

2

 + a

z

2

  

Podnosząc do kwadratu równania (1) i dodając stronami oraz uwzględniając (2), otrzymamy: 

cos

2

 (

a

x) + cos

2

 (

a

y) + cos

2

 (

a

z) = 1 

Z wyrażeń (1.1) mamy: 

cos (

a

x) = 

a

x

a   

 

cos (

a

y) = 

a

y

a   

 

cos (

a

z) = 

a

z

a   

Wektory jednostkowe osi 

x, y, z oznaczamy 

przez 

i, j, k, więc składowe wektora wzdłuż 

osi współrzędnych to: 

a

x

 = a cos (

a

x) 

i

  

a

y

 = a cos (

a

y)   

(3) 

 

 

a

z

 = a cos (

a

z) 

k

 

Wektor analitycznie zapisujemy w postaci: 

a = a

x

 

i

 + a

y

 

j

 + a

z

 

k

 

(4) 

  

 

Rzut sumy wektorów na dowolną oś równa się sumie rzutów 
wektorów składowych na tę samą oś, czyli: 

 

x

n

i

i

a

1

n

i

i

x

a

1

   

y

n

i

i

a

1

n

i

i

y

a

1

     

z

n

i

i

a

1

n

i

i

z

a

1

 

Iloczyn skalarny 

W  rachunku  wektorowym  mamy  dwa  rodzaje  mnożenia 

wektorów, w wyniku których otrzymujemy dwa różne iloczyny. Są to 

iloczyn skalarny i iloczyn wektorowy. 

background image

 

Iloczyn  skalarny  jest  to  skalar  równy  iloczynowi  modułów  wektorów  składowych  przez 

cosinus kąta zawartego między nimi. Symbolicznie oznaczamy to w następujący sposób: 

a

 ·

b

 = a ·b cos (

a

b

cosα = OB

 = miara rzutu wektora 

b

 na wektor 

a

.     a cosα = miara rzutu wektora 

a

 na wektor 

b

 

Iloczyn skalarny dwóch wektorów jest równy wartości bezwzględnej jednego wektora pomnożonego 

przez miarę rzutu wektora drugiego. Iloczyn skalarny dwóch wektorów może być liczbą dodatnią, ujemną 
lub zerem w zależności od wielkości kąta α zawartego między nimi. 
dla   cosα > 0 

   

a

 · 

b

 > 0  

dla   cosα < 0  

   

a

 · 

b

 < 0 

dla   cosα = 0  

   

a

 · 

b

 = 0 

 

Z  definicji  iloczynu  skalarnego  wynika, 
że: 
-  iloczyn 

skalarny  posiada  prawo 

przemienności   

a

 · 

b

 = 

b

 · 

a

 

-  iloczyn skalarny posiada prawo rozdzielności względem dodawania (lub odejmowania) 

(

a

 + 

b

)  ·

c

 = 

a

  ·

c

 + 

b

 

·

c

 

-  prawo łączności,

m ·

a

 ·

n ·

b

 = 

m n 

a

 ·

b

 

Iloczyn wektorowy 

Iloczyn  wektorowy  dwu  niezerowych  wektorów  a  i  b 

określa się następująco: 

a

 

b

 = (|

a

| · |

b

| sin φ) 

n

°, 

gdzie 

n

°  jest  wersorem  prostopadłym  do  płaszczyzny 

wektorów 

a

 i 

b

   

Zwrot wersora 

n

°, czyli zwrot wektora 

a

 

b

 jest taki, 

że trójka wektorów 

a

b

n

° tworzy układ prawoskrętny. 

Zwrot  wersora 

n

°  można  określić  również  stosując  regułę 

śruby  prawoskrętnej  o  osi  prostopadłej  do  płaszczyzny 
wektorów 

a

 i 

b

Wersor 

n

° jest zwrócony w kierunku ruchu postępowego śruby prawoskrętnej, który zaistniałby przy jej 

obróceniu o taki najmniejszy kąt φ , o jaki należy obrócić wektor 

a

, aby pokryć go z wektorem 

b

Z definicji iloczynu wektorowego wynika bezpośrednio, że długość iloczynu wektorowego jest 
liczbowo równa polu równoległoboku zbudowanego na wektorach 

a

 i 

b

      

 

Iloczyn wektorowy 

a

 

b

 można przedstawić analitycznie w następujący sposób: 

c

 = 

a

 

b

 = (a

x

i

+ a

y

j

 + a

z

k

x (b

x

i

 + b

y

j

 + b

z

k

).  

Iloczyny wektorowe wektorów jednostkowych 

i

j

k

 wynoszą odpowiednio: 

i

 x 

i

 = 

j

 

j

 = 

k

 

k

 = 0    

i

 x 

j

 = 

k

    

j

 

k

 = 

i

   

 

k

 

i

 = 

j

 

Mnożąc wyrażenia w nawiasach otrzymamy: 

c

 = 

a

 

b

 = 

i

(a

y

b

z

 – a

z

b

y

) + 

j

(a

z

b

x

 – a

x

b

z

) + 

k

(a

x

b

y

 – a

y

b

x

Iloczyn  wektorowy  jako  wektorową  suma  trzech  wektorów  składowych  c

x

,  c

y

,  c

z

,  równoległych  do  osi 

współrzędnych: 

c

x

 = (

a

 

b

)

x

 = 

i

 (a

y

b

z

 – a

z

b

y

)       

c

y

 = (

a

 

b

)

=   (a

z

b

x

 - a

x

b

z

)       

c

z

 = (

a

 

b

)

z

 = 

k

(a

x

b

y

 – a

y

b

x

Wzory  te  przedstawiają  rzuty  iloczynu  wektorowego  na  osie  współrzędnych.  Algebraiczne  wartości 

tych  rzutów  (czyli  miary  rzutów  na  osie)  przedstawiają  wyrażenia  zawarte  w  nawiasach  obok  wektorów 
jednostkowych (wersorów) 

i

,

 

j

,

 

k

   

 

c

x

 = a

y

b

z

 – a

z

b

y       

    

    c

y

 = a

z

b

x

 – a

x

b

z,       

 

 

c

z

 = a

x

b

y

 – a

y

b

x. 

background image

 

Powyższe wyrażenia można zapisać w postaci wyznacznika: 

a

 

z

y

x

z

y

x

b

b

b

a

a

a

k

j

i

b

 

W odróżnieniu od iloczynu skalarnego iloczyn wektorowy umożliwia mnożenie przez siebie większej 

liczby wektorów niż dwa, np. : 

a

 x 

b

 

c

 

Właściwości iloczynu wektorowego: 

-  iloczyn  wektorowy  dwu  wektorów  niezerowych  jest  wektorem  zerowym  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy 

wektory te są równoległe, 

-  iloczyn wektorowy nie podlega prawu przemienności, 

a

 x 

b

 = - (

b

 

a

-  iloczyn wektorowy podlega prawu łączności, (α 

a

x (β 

b

) = α β (

a

 

b

-  iloczyn wektorowy podlega prawu rozdzielności względem dodawania i odejmowania, 

a

 

x (

b

 ± 

c

) = (

a

 

b

) ± (

a

 

c

Moment siły względem punktu 

Momentem 

M

°  siły 

F

  względem  punktu 

O  (bieguna)  nazywamy  iloczyn  wektorowy    wektora 

promienia 

r

 łączącego biegun z początkiem siły 

F

 przez wektor tej siły. 

M

° = 

r

 

F

  

Innymi słowy, jest to wektor 

M

° prostopadły 

do płaszczyzny utworzonej przez wektor siły 

F

 oraz 

wektor  promień 

r

przechodzący  przez  punkt 

O. 

Zwrot  wektora  momentu  wynika  z  właściwości 
iloczynu wektorowego. 

Wyrażając  wektory 

r

F

,  i 

M

°  w 

ortokartezjańskim układzie współrzędnych 

r

 = 

r

x

 

i

 + 

r

y

 

j

 + r

z

 

k

 

F

 = 

F

x

 

i

 + 

F

y

 

j

 + 

F

z

 

k

 

M

° = 

M

x

 

i

 + 

M

y

 

j

 + 

M

z

 

k

 

otrzymujemy: 

M

° = 

z

y

x

z

y

x

F

F

F

r

r

r

k

j

i

  

Współrzędne wektora momentu są więc następujące: M

x

 = 

z

y

z

y

F

F

r

r

    

M

y

 = 

x

z

x

z

F

F

r

r

    

M

z

 = 

y

x

y

x

F

F

r

r

 

 

Właściwości wektora momentu siły względem punktu określają właściwości iloczynu wektorowego: 

|

M

°| = h |

F

|, 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gdzie: 
-   h  –  ramię  siły  względem  punktu  (najkrótsza  odległość 

pomiędzy  siłą  a  punktem,  względem  którego  liczymy 
moment), 

-  kierunek  wektora 

M

°    jest    _|_  do  płaszczyzny 

przechodzącej przez wektory 

r

 i 

F

,  

-  trójka wektorów 

r

F

M

° tworzy układ prawoskrętny. 

Z podanych określeń wynika, że: 

-  przesuwając  siłę 

F

  wzdłuż  jej  linii  działania  nie 

zmieniamy  momentu  tej  siły  względem  obranego 
punktu, 

background image

 

momenty  sił  leżących  na  jednej  płaszczyźnie,  względem  bieguna 

O  na  tej  płaszczyźnie  są  do  siebie 

równoległe, 

moment siły względem bieguna jest równy zeru, jeżeli linia działania siły przechodzi przez biegun. 

Dwa wektory równoważne mają względem tego samego punktu równe momenty. 
Dwa  wektory  równe,  które  mają  względem  pewnego  punktu  równe  momenty,  są 
równoważne

Suma  momentów  wektorów,  których  proste  działania  przecinają  się  w  jednym  punkcie, 

równa się momentowi ich sumy uczepionej w punkcie zbieżności. 

n

i

o

M

1

(

i

F

) = 

o

 (

n

i

i

F

1

)   

 

 

 

 

 

 

 

Wektor momentu 

M

° siły 

F

 zmienia się w zależności od położenia bieguna.  

Dana jest siła 

F

 działająca wzdłuż prostej L. Obieramy 

dwa  niezależne  bieguny 

O  i  O’,  względem  których  obliczymy 

momenty siły 

F

Moment siły 

F

 względem punktu 

O wynosi:  

o

M

 = 

r

1

 

F

natomiast względem bieguna O’ wynosi:  

'

o

M

 = 

r

2

 x 

F

 

Pomiędzy  promieniami  –  wektorami 

r

1

  i 

r

2

  zachodzi 

następująca zależność:  

O

O

r

r

'

1

2

 

Tak więc możemy napisać: 

F

x

O

O

F

x

r

F

x

O

O

r

M

o

'

'

1

1

'

  czyli :    

F

x

O

O

M

M

o

o

'

'

 

Wyrażenie 

F

x

O

O'

  możemy  uważać  za  moment  siły 

F

  zaczepionej  w  punkcie 

O  względem  bieguna  O’. 

Ostatecznie możemy powiedzieć że: 
Moment siły 

F

 

względem dowolnego bieguna O’ równa się momentowi tej siły 

F

 

względem 

punktu O oraz momentowi siły 

F

 

zaczepionej w punkcie O względem bieguna O’.  

 

Para sił 

Parą sił nazywamy układ dwu sił równoległych, równych 
co do wielkości, przeciwnie skierowanych nie leżących na 
jednej prostej. 
Ponieważ  wektor  główny  pary  sił 

s

  = 

0

,  moment  pary  M  nie 

zależy od obioru bieguna, jego moduł wynosi: 

M = F h 

 

 

 

 

 

 

Kierunek  wektora  momentu  pary  sił  jest  prostopadły  do 
płaszczyzny wyznaczonej przez linie działania pary sił. Jego zwrot 
przyjmujemy  taki,  by  patrząc  z  końca  wektora 

M, 

umiejscowionego  między  siłami  pary,  mieć  początek  każdej  siły 
po  stronie  prawej,  czyli  zgodnie  z  regułą  śruby  prawoskrętnej  (rys.  1.18).  Warunkiem  równoważności 
dwóch par jest geometryczna równość ich momentów.  

Wynikają stąd następujące właściwości pary sił: 

-  parę sił możemy dowolnie przemieścić w płaszczyźnie jej działania, 
-  parę sił możemy przenieść w dowolne położenie na płaszczyznę równoległą do płaszczyzny jej działania,  
-  para  sił  nie  zmieni  się,  jeżeli  proporcjonalnie  powiększymy  siły,  a  pomniejszymy  jej  ramię,  lub 

odwrotnie, 

-  układ  par  sił  jest  równoważny  jednej  parze  wypadkowej,  której  moment  jest  sumą  geometryczną 

momentów par składowych, 

-  pary  sił  nie  można  zastąpić  jedna  siłą  wypadkową,  lecz  tylko  drugą  parą  o  takim  samym  wektorze 

momentu, 

-  dowolny  układ  par  sił  jest  w  równowadze  wtedy,  gdy  suma  geometryczna  momentów  tych  par  jest 

równa zeru; jest to tzw. warunek równowagi par sił. 

background image

 

 
Przykład 
Do prostopadłościanu o krawędziach 2a, 2b, c (rys. 1.22) przyłożono cztery siły 

1

2

3

F

4

, których 

wielkości  wyrażone  w  [N]  są  liczbowo  równe  długościom  odpowiednich  odcinków  OK,  KL,  LM,  oraz  MN, 
które są wyrażone w [m]. Punkty K, L, M, N są środkami odpowiednich krawędzi.  
Zredukować podany układ sił, przyjmując za bieguny punkty O oraz O’. 
 

Rozwiązanie: 

 

Przyjmujemy  układ  współrzędnych 

Oxyz  i  zaznaczamy  w 

nim zadane siły: 
 

 

1

F

 = b

j

 + c

k

,   

2

F

 = a

i

 + b

j

,  

3

 = -c

k

,  

 

 

4

F

 = a

i

 – b

j

 

Wektor główny układu: 
 

 

s

 = 

1

F

 + 

2

F

 + 

3

 + 

4

F

 = 2a

i

 + b

j

 

Długość wektora głównego wynosi: 
 

 

s =  4 a

2

 + b

2

  

Zgodnie  ze  wzorami  (1.22)  obliczamy  współrzędne 
ogólnego momentu 

o

M

, które wynoszą: 

 

M

x

 = 2b (-c) –cb = - 3bc       M

y

 = ca – a(-c) = 2ac  

 

   M

z

 = (-b)a – (ba + 2ba) = - 4ab 

Równanie momentu ogólnego 

o

M

 ma więc postać:    

o

M

 = - 3bc

i

 + 2ac

j

 – 4ab

k

 

Moduł momentu ogólnego wynosi:  

 

Mº =  9(bc)

2

 + 4(ac)

2

 + 16(ab)

2

 

Dany układ sił redukuje się do siły równej wektorowi głównemu 

s

 uczepionemu w punkcie 

O i pary 

sił o momencie równym ogólnemu momentowi 

o

M

. Przy zmianie środka redukcji wektor główny 

s

 układu 

sił nie ulega zmianie, natomiast moment ogólny 

o

M

Wyznaczamy najpierw wektory  O

O

'

 i  O

O

'

 

s

, a mianowicie: 

 

 

)

2

2

(

'

'

k

c

j

b

i

a

OO

O

O

 

 

 

k

ab

j

ac

i

bc

s

x

O

O

2

2

'

 

Ostatecznie moment ogólny 

'

o

M

 będzie wynosił: 

 

 

'

o

M

= (- 3

bc

i

 + 2ac

j

 - 4ab

k

 ) + 

bc

i

 – 2ac

j

 + 2ab

k

 = = - 2bc

i

 – 2ab

k

 

a jego wielkość wynosi:              M =  4b

2

c

2

 + 4a

2

b

2

 

Redukując  układ  sił  względem  bieguna 

O’,  otrzymujemy  zatem  siłę  równą  wektorowi  głównemu 

s

 

uczepionemu w biegunie 

O’ oraz parę sił o momencie 

'

o

M

 

Więzy, reakcje 

Przegub  walcowy–  to  sworzeń  przechodzący 

przez  otwór  kołowy,  wykonany  w  podpieranym 
ciele. Składowe reakcji R mogą leżeć wyłącznie w 
płaszczyźnie  prostopadłej  do  osi  sworznia. 

Podpora  taka  w  przestrzeni  odbiera  ciału  dwa 
stopnie swobody. Dwie składowe tej reakcji R

z

, R

y

 

są niewiadomymi. 

Przegub  kulisty    (zwany  również  łożyskiem 

stopowym)  –  to  zakończenie  pręta  wykonane  w 
kształcie  kuli  i  osadzone  w  czaszy  podpory 

kulistej. Trzy składowe reakcji R

x

, R

y

, R

z

 stanowią 

niewiadome przy rozpatrywaniu równowagi ciała.

background image

Podpora  przesuwna  –  jest  połączeniem  przegubu 

walcowego  z  konstrukcją  pozwalającą  na  przesunięcie  po 
płaszczyźnie  podpory  za  pomocą  rolek.  Reakcja  tej  podpory 

ma  kierunek  zgodny  z  kierunkiem  normalnej  do  płaszczyzny 
podparcia i odbiera jeden stopień swobody. Niewiadomą jest 
tutaj wielkość reakcji R. 

 

Cięgno  –  stanowi  element  nieważki, 

doskonale  wiotki,  nie  stawiający  oporu 
zginania,  łączący  ciało  z  podporą.  Reakcja  R 

zawsze  jest  skierowana  wzdłuż  cięgna  i  może 
być  wyłącznie  siłą  rozciągającą.  Podpora  taka 

odbiera jeden stopień swobody i jedyną niewiadomą 
jest tutaj wielkość reakcji R. 

 

Pręt dwuprzegubowy – ma cechy cięgna,  

gdyż reakcja R musi przechodzić przez oba 
przeguby pręta z tą tylko różnicą, że w 
przeciwieństwie do cięgna pręt może być zarówno 

rozciągany, jak i ściskany.  
Podpora taka również odbiera jeden stopień 
swobody i niewiadomą tutaj jest wielkość reakcji R

A

R

B

, R

C

Podpory,  pełniące  rolę  więzów  unieruchamiających  ciało,  powinny  spełniać  następujące 
warunki: 
co najwyżej trzy więzy mogą leżeć na jednej płaszczyźnie, najwyżej trzy kierunki więzów mogą 
się przecinać w jednym punkcie, co najwyżej trzy kierunki więzów mogą być wzajemnie równoległe, nie 

może  być  dwóch  wiązek  więzów  równoległych,  nie  może  być  jednej  wiązki  więzów  zbieżnych,  a  drugiej 
równoległych, wszystkie więzy nie mogą przecinać jednej prostej. 

Niespełnienie któregokolwiek z podanych warunków jest równoznaczne z 

niezapewnieniem równowagi ciała. 

Równania równowagi 

Jeżeli ciało sztywne jest w spoczynku, to mówimy, że jest w równowadze, zaś o siłach 

działających na to ciało, że się równoważą.  

Układ  sił  działających  na  ciało  sztywne  jest  w  równowadze  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy 

wektor główny i moment ogólny są wektorami zerowymi.  
Wynikają stąd dwa wektorowe warunki równowagi układu sił:   

s

 = 

0

,   

o

M

 = 

0

 

 

 

W ortokartezjańskim układzie współrzędnych warunki  przyjmują postać : 

n

i

ix

F

1

 = 0     

n

i

iy

F

1

 = 0   

 

n

i

iz

F

1

 = 0                                                (a) 

)

(

1

iy

i

iz

n

i

i

F

z

F

y

 = 0 

 

)

(

1

iz

i

ix

n

i

i

F

x

F

z

 = 0  

)

(

1

ix

i

iy

n

i

i

F

y

F

x

 = 0      (b) 

Równania  (a),  czyli  warunki  rzutów  sił  oraz  równania  (b)  –  warunki  rzutów  momentów, 
noszą nazwę 

analitycznych warunków równowagi.  

Tak  więc  dla  dowolnego  przestrzennego  układu  sił  mamy  sześć  równań  równowagi. 
Jeżeli  przestrzenny  układ  sił  jest  zbieżny,  tzn.  linie  działania  wszystkich  sił  przecinają  się  w  jednym 
punkcie, to obierając ten punkt za początek układu współrzędnych zauważamy, że odpadają wszystkie trzy 
równania momentów - pozostają tylko równania rzutów sił: 

n

i

ix

F

1

 = 0   

n

i

iy

F

1

 = 0   

n

i

iz

F

1

 = 0 

Ograniczając swobodę ciała powodujemy pojawienie się dodatkowych sił zewnętrznych, tzw. reakcji. 

Po  dołączeniu  tych  ostatnich  do  sił  czynnych  traktujemy  taki  układ  jako  swobodny.  Możemy  więc 
powiedzieć, że dowolny układ materialny nieswobodny jest w równowadze wtedy, gdy działające nań siły 

background image

 

czynne  i  reakcje  będą  się  wzajemnie  równoważyły,  czyli  gdy  siły  czynne  i  reakcje  (siły  bierne)  będą 
spełniały równania równowagi. Z równań tych będziemy mogli obliczyć niewiadome reakcje. 
Jeżeli  liczba  niewiadomych  reakcji  (niewiadomych  podporowych)  jest  równa  liczbie  równań 

równowagi, 

rozpatrywany 

układ 

nazywamy 

układem 

statycznie 

wyznaczalnym           

(izostatycznym).  

Jeśli  liczba  niewiadomych  podporowych  jest  mniejsza  od  liczby  równań  równowagi,  układ 
nazywamy układem 

chwiejnym (hipostatycznym). 

Jeżeli  liczba  niewiadomych  podporowych  (reakcji)  układu  nieswobodnego  jest  większa  od 
liczby  równań  równowagi,  układ  taki  nazywamy 

układem  statycznie  niewyznaczalnym 

(hiperstatycznym). 

W statyce będziemy zajmowali się tylko 

układami statycznie wyznaczalnymi. 

 

Przykład 

Prostokątna  jednorodna  płyta  o  wymiarach  2a  ·  2b  i  ciężarze  Q  przymocowana  jest  w  punkcie  A  za 

pomocą  przegubu  kulistego,  a  w  punkcie  B  w  zawiasie  (rys.  2.8a).  Płyta  utrzymywana  jest  w  położeniu 
poziomym za pomocą cięgna CE, łączącego wierzchołek płyty C z punktem E leżącym na wysokości h nad 
punktem A.  

Znaleźć składowe reakcji w punktach A i B oraz siłę S napięcia cięgna. 

Rozwiązanie: 

Na płytę działają następujące siły: Q , X

A

, Y

A

, Z

A

, X

B

, Z

B

, S Aby napisać równania równowagi, musimy 

wyznaczyć kąty, jakie oś cięgna CE tworzy z osiami x,y,z, przyjętego układu współrzędnych. 

 

 

 

 

cosα = 

2 b

4 a

2

 + 4 b

2

 + h

2

       cosβ = 

2 a

4 a

2

 + 4 b

2

 + h

2

        cosγ = 

h

4 a

2

 + 4 b

2

 + h

2

  

 

Warunki równowagi mają następującą postać: 

 

 

X

A

 + X

B

 – S cosα = 0 

 

 

 

 

 

 

(1) 

 

 

Y

A

 – S cosβ = 0 

 

 

 

 

 

 

 

(2) 

 

 

Z

A

 + Z

B

 + S cosγ – Q = 0   

 

 

 

 

 

(3) 

 

 

- Qa + 2 Z

B

a + 2a S cosγ = 0 

 

 

 

 

 

(4) 

 

 

Qb – 2b S cosγ = 0  

 

 

 

 

 

 

(5) 

 

 

- 2 X

B

a = 0   

 

 

 

 

 

 

 

(6) 

 
Po rozwiązaniu powyższego układu równań otrzymujemy;  

X

A

 = Q 

b

,

   

Y

A

 = Q 

a

,

   

Z

A

 = 

Q

X

B

 = 0, 

 

Z

B

 = 0, 

 

 

S = 

Q

4 a

2

 + 4 b

2

 + h

2

h

 

.