background image

wmimb2011@gmail.com

hasło: 2011wmimb

Wydz. In

ż

ynierii 

Ś

rodowiska 

Politechniki Warszawskiej

1

WYTRZYMAŁO

ŚĆ

 MATERIAŁÓW I MECHANIKA BUDOWLI

Wykład 3

Redukcja układu sił, elementy statyki 3D

1. Definicja redukcji, przesuniecie równoległe siły

2. Redukcja dowolnego układu sił do wektora głównego i momentu głównego 

3. Niezmienniki redukcji

4. Równowa

ż

no

ść

 układów sił, równowa

ż

no

ść

 zeru układu sił

5. Redukcja układu sił do skr

ę

tnika

6. Def. momentu wektora wzgl

ę

dem osi

7. Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru przestrzennych układów sił

8. Wi

ę

zy idealne 3D, reakcje wi

ę

zów

Opracowanie : dr in

ż

. Szymon Imiełowski

prof. Zbigniew Kowalewski

Pa

P

Mom

M

P

P

V

i

A

i

3

2

=

=

=

=

A

V

A

M

M

V

Równowaga sił w punkcie A

Dokonali

ś

my redukcji układu sił czynnych wzgl

ę

dem A, który nazywamy biegunem redukcji

Pa

M

P

V

A

A

3

2

=

=

A

M

A

V

P

P

P

P

a

a

Redukcja układu sił - wst

ę

p

Redukcja układu sił – zast

ą

pienie danego układu sił, mo

ż

liwie najprostszym układem równowa

ż

nym. 

W punkcie obci

ąż

enie wspornika 

mo

ż

na zast

ą

pic wypadkow

ą

 sił

ą

 V

i wypadkowym momentem 

A

Składowe reakcji  w :

2

background image

1)  Działanie siły na ciało sztywne nie zmieni si

ę

, je

ż

eli punkt zaczepienia przeniesiony zostanie

do innego punktu le

żą

cego na linii działania siły, niech              s

ą

 wektorami posuwnymi  osi 

l

3

P

P

1

=

Wniosek z aksjomatu 5:   Stan ruchu ciała nie zmieni si

ę

, gdy do działaj

ą

cego układu sił dodamy 

lub odejmiemy układ sił równowa

ż

ny zeru.

Układem równowa

ż

nym zeru jest np. dwójka zerowa –

dwie siły współliniowe, równe co do warto

ś

ci i przeciwnie skierowane.

B

A

A

B

A

B

l

P

P

1

P

1

P

-

P

P

1

=

Redukcja układu sił - przesuni

ę

cie równoległe siły

1)  Działanie siły na ciało sztywne nie zmieni si

ę

, je

ż

eli punkt zaczepienia przeniesiony zostanie

do innego punktu le

żą

cego na linii działania siły, niech              s

ą

 wektorami posuwnymi  osi 

l

4

P

P

1

=

Wniosek z aksjomatu 5:   Stan ruchu ciała nie zmieni si

ę

, gdy do działaj

ą

cego układu sił dodamy 

lub odejmiemy układ sił równowa

ż

ny zeru.

Układem równowa

ż

nym zeru jest np. dwójka zerowa –

dwie siły współliniowe, równe co do warto

ś

ci i przeciwnie skierowane.

B

A

A

B

A

B

l

P

P

1

P

1

P

-

P

P

1

=

B

A

A

B

A

B

l

P

P

1

P

1

P

-

P

P

1

=

d

P

M

1

B

=

d

2)  

Je

ż

eli punkt zaczepienia siły zostanie przeniesiony poza jej lini

ę

 działania oddziaływanie siły na 

ciało musi by

ć

 uzupełnione momentem, który stanowi reakcj

ę

 na oddziaływanie na ciało 

momentu, który powstał wskutek przesuni

ę

cia siły wzgl

ę

dem poło

ż

enia  A. 

Redukcja układu sił - przesuni

ę

cie równoległe siły

background image

Przykład redukcji siły prostopadłej do przekroju wzgl

ę

dem 

ś

rodka ci

ęż

ko

ś

ci przekroju.  

Działanie siły przyło

ż

onej mimo

ś

rodowo jest równowa

ż

ne działaniu siły P  i  momentu  M=Pa

jest wielko

ś

ci

ą

 mimo

ś

rodu.

x

2

x

1

x

2A

A

M=Pa

Redukcja układu sił – mimo

ś

rodowe działanie siły

5

Rozwa

ż

amy       jedn

ą

 z sił układu sił działaj

ą

cych na  ciało w p-cie A.  W dowolnym p-cie O dodajemy 

dwójk

ę

 równowa

żą

cych si

ę

 sił

jest przesuni

ę

ciem równoległym siły oraz

siła, która równowa

ż

y działanie siły        .

O otrzymali

ś

my nowy układ obci

ąż

e

ń

, sił

ę

         i moment       , b

ę

d

ą

cy momentem pary                   .

Siła działaj

ą

ca w punkcie została zast

ą

piona sił

ą

 działaj

ą

c

ą

 w punkcie i par

ą

 sił.   

Czynno

ść

 t

ę

 powtarzamy dla ka

ż

dej siły układu.

Redukcja układu sił – zast

ą

pienie danego układu sił, mo

ż

liwie najprostszym układem równowa

ż

nym.

Tw.

Dowolny układ sił mo

ż

na zast

ą

pi

ć

 układem sił zaczepionych w jednym punkcie i układem par sił.

Redukcja dowolnego układu sił do wektora głównego i momentu głównego 

µ

i

P

A

r

µ

i

P

r

=

=

µ

O

A

O

A

O

'

i

P

'

''

i

i

P

P

=

M

'

i

P

M

''

i

P

'

i

P

)

,

''

i

i

P

P

(

'

i

P

P

'

i

P

6

background image

Mówimy , 

ż

e układ sił 

zredukowali

ś

my wzgl

ę

dem bieguna O 

do wektora głównego        i           momentu głównego 

układ sił

, którego wypadkowa jest równa 

układ par sił 

mo

ż

na obliczy

ć

 sum

ę

 momentów tych par

(

)

n

1

P

........

P

(

)

''

''

n

P

,

P

........

P

,

P

,

'

P

........

'

P

n

1

1

n

1

W punkcie otrzymali

ś

my równowa

ż

ne układowi 

(

)

n

1

P

........

P

(

)

'

P

........

'

P

n

1

=

=

n

1

i

i

o

'

P

F

(

)

'

'

P

,

P

........

'

'

P

,

P

n

n

1

1

(

)

=

=

n

1

i

i

i

o

'

'

P

P

Mom

M

,

(

)

n

1

P

........

P

o

F

o

M

c.n.u

Redukcja dowolnego układu sił do wektora głównego i momentu głównego 

µ

U

1

P

2

P

i

P

'

1

P

'

2

P

'

i

P

O

O

M

O

F

1

P

2

P

i

P

O

O

1

M

i

M

2

M

i

r

A

i

a)   

b) 

c)

W punkcie otrzymujemy układ par sił 

, który jest równowa

ż

ny zeru.

Otrzymali

ś

my dwa równowa

ż

ne układy sił:

.

(

)

''

''

n

P

,

'

P

........

P

,

'

P

n

1

1

"

i

P

7

zaczepione w punkcie nazywamy wektorem głównym i momentem głównym

układu sił 

wzgl

ę

dem punktu A.  Punkt nazywamy 

ś

rodkiem redukcji

Wektor główny jest wypadkow

ą

 sił

ą

 a moment główny jest wypadkowym momentem 

układu sił                     w punkcie A .

Def.:

Wektory

=

=

n

1

i

i

A

P

F

jest dowolnym układem sil skupionych działaj

ą

cych na układ materialny 

µ

(

)

n

1

P

........

P

µ

U

1

P

n

P

2

P

(

)

n

P

........

1

P

=

=

n

1

i

i

A

A

P

Mom

M

Wektor główny  i  Moment główny

Q

R

R

A

A

M

A

F

(

)

n

1

P

........

P

8

background image

jest dowolnym układem sil skupionych działaj

ą

cych na układ materialny 

µ

(

)

n

1

P

........

P

µ

U

1

P

n

P

2

P

Wektor główny  i  Moment główny

Q

R

R

B

B

F

B

M

A

A

M

A

F

zaczepione w punkcie nazywamy wektorem głównym i momentem głównym

układu sił 

wzgl

ę

dem punktu A.  Punkt nazywamy 

ś

rodkiem redukcji

Wektor główny jest wypadkow

ą

 sił

ą

 a moment główny jest wypadkowym momentem 

układu sił                     w punkcie A .

Def.:

Wektory

=

=

n

1

i

i

A

P

F

(

)

n

P

........

1

P

=

=

n

1

i

i

A

A

P

Mom

M

(

)

n

1

P

........

P

9

jest dowolnym układem sil skupionych działaj

ą

cych na układ materialny 

µ

(

)

n

1

P

........

P

µ

U

1

P

n

P

2

P

Wektor główny  i  Moment główny

Q

R

R

B

2

M

B

1

M

B

B

F

B

M

A

1

M

A

2

M

A

A

M

A

F

zaczepione w punkcie nazywamy wektorem głównym i momentem głównym

układu sił 

wzgl

ę

dem punktu A.  Punkt nazywamy 

ś

rodkiem redukcji

Wektor główny jest wypadkow

ą

 sił

ą

 a moment główny jest wypadkowym momentem 

układu sił                     w punkcie A .

Def.:

Wektory

=

=

n

1

i

i

A

P

F

(

)

n

P

........

1

P

=

=

n

1

i

i

A

A

P

Mom

M

(

)

n

1

P

........

P

10

background image

Tw

. (o zmianie

ś

rodka redukcji)

(

)

n

1

P

........

P

jest układem sił skupionych, oraz

oraz   A, B 

dwa dowolne punkty, 

wtedy z dokładno

ś

ci

ą

 do punktu zaczepienia

B

A

F

F

=

B

F

A

F

M

 

rzut

M

 

rzut

B

A

=

i)

ii)

iii)

Niezmienniki redukcji

1) wektor główny

B

A

F

F

=

2) rzut momentu głównego na kierunek wektora głównego

B

F

A

F

M

 

rzut

M

 

rzut

B

A

=

Dowód:

i)

Suma wektorów (wektor główny) nie zale

ż

y od poło

ż

enia układu współrz

ę

dnych

ii)

Wynika z def. momentu wektora wzgl

ę

dem punktu oraz 

jest wektorem swobodnym

A

M

iii)

(

)

(

)

A

F

A

F

A

F

A

B

A

F

B

F

M

 

rzut

F

BA

 

rzut

M

 

rzut

F

Mom

M

 

rzut

M

 

rzut

A

A

A

A

B

=

×

+

=

+

=

cnu.

poniewa

ż

O

)

F

A

B

(

rzut

F

F

BA

A

F

A

A

A

×

×

.

||

A

B

F

F

oraz

A

B

A

B

F

 

Mom

M

 

M

 

+

=

Je

ż

eli

Wektor główny  i  Moment główny 

– tw. o zmianie 

ś

rodka redukcji

B

2

M

B

1

M

B

B

F

B

M

A

1

M

A

2

M

A

A

M

A

F

11

Rozwa

ż

my dwa ro

ż

ne układy sił                    i    

(

) ( )

P

P

P

n

1

=

K

µ

µ

1

P

U

n

P

2

P

1

Q

n

Q

2

Q

3

Q

(

) ( )

Q

Q

Q

n

1

=

K

Równowa

ż

no

ść

 układów sił (wektorów)

(

)

n

1

P

P

K

(

)

n

1

Q

Q

K

12

background image

Def.

Dwa uklady sił   

i

s

ą

(geometrycznie) równowa

ż

nymi wtedy i tylko wtedy, gdy 

wzgl

ę

dem ka

ż

dego punktu  

wektory główne i momenty główne tych układów sił s

ą

 odpowiednio

równe.

Rozwa

ż

my dwa ro

ż

ne układy sił                    i    

(

) ( )

P

P

P

n

1

=

K

µ

µ

1

P

U

n

P

2

P

1

Q

n

Q

2

Q

3

Q

(

) ( )

Q

Q

Q

n

1

=

K

(

)

n

1

P

P

K

(

)

n

1

Q

Q

K

)

Q

..

..........

Q

(

)

P

..........

P

(

n

1

n

1

o

)

Q

(

o

)

P

(

E

O

F

F

=

,

o

)

Q

(

o

)

P

(

M

M

=

Def.

Dwa uklady sił   

i

s

ą

  równowa

ż

nymi wtedy i tylko wtedy, gdy

istnieje taki punktu  

E , w którym wektory główne i momenty główne tych układów sił s

ą

odpowiednio równe.

(

)

n

1

P

P

K

(

)

n

1

Q

Q

K

Równowa

ż

no

ść

 układów sił (wektorów)

O

o

)

Q

(

o

)

P

(

F

F

=

o

)

Q

(

o

)

P

(

M

M

=

(

)

n

1

P

P

K

(

)

n

1

Q

Q

K

13

Def.

Dwa uklady sił   

i

s

ą

  równowa

ż

nymi 

wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje taki punkt  

E , 

w którym wektory główne i momenty główne tych układów sił 

s

ą

odpowiednio równe.

Je

ś

li O jest dowolnym punktem, wi

ę

c je

ż

eli to znaczy,

ż

e w ka

ż

dym punkcie przestrzeni

wektory główne układów

s

ą

sobie równe

)

Q

..

..........

Q

(

)

P

..........

P

(

n

1

n

1

,

O

)

Q

(

O

)

P

(

E

O

F

F

=

O

)

Q

(

O

)

P

(

M

M

=

Dowód.

Załó

ż

my, 

ż

e  O, A

E s

ą

 dowolnymi punktami 

przestrzeni oraz w układy sił 

s

ą

 sobie 

równowa

ż

ne, tzn.

)

P

(

i

)

Q

(

=

=

A

)

Q

(

O

)

Q

(

A

)

P

(

O

)

P

(

F

F

F

F

O

)

Q

(

O

)

P

(

F

F

=

i)

(

)

n

1

P

P

K

(

)

n

1

Q

Q

K

A

)

Q

(

A

)

P

(

A

)

Q

(

A

)

P

(

M

M

F

F

=

=

,

+

=

+

=

A

)

Q

(

O

A

)

Q

(

O

)

Q

(

A

)

P

(

O

A

)

P

(

O

)

P

(

F

Mom

M

M

F

Mom

M

M

skoro w A:

to w dowolnym punkcie A równie

ż

 

ii)

O

)

Q

(

O

)

P

(

M

M

=

A

)

Q

(

A

)

P

(

A

)

Q

(

A

)

P

(

M

M

F

F

=

=

,

O

)

Q

(

O

)

P

(

M

M

=

)

P

(

i

)

Q

(

Równowa

ż

no

ść

 układów sił (wektorów)

µ

µ

1

P

U

n

P

2

P

1

Q

n

Q

2

Q

3

Q

A

A

)

Q

(

A

)

P

(

F

F

=

A

)

Q

(

A

)

P

(

M

M

=

O

O

)

Q

(

O

)

P

(

F

F

=

O

)

Q

(

O

)

P

(

M

M

=

14

background image

Ka

ż

d

ą

 sił

ę

 zewn

ę

trzn

ą

 przyło

ż

on

ą

 do układu 

µ

 mo

ż

na przesun

ąć

 wzdłu

ż

 linii działania 

nie zmieniaj

ą

c przy tym stanu układu. 

Stan ruchu układu materialnego poddanego działaniu ró

ż

nych ale równowa

ż

nych 

sobie układów sił

jest w obu przypadkach identyczny.

Warto

ść

 reakcji sztywnego układu materialnego poddanego działaniu ró

ż

nych ale równowa

ż

nych 

sobie układów sił

jest w obu przypadkach identyczna.

Dowolne dwie reprezentacje wektora posuwnego s

ą

 wektorami równowa

ż

nymi

.

Dwa układy równowa

ż

ne s

ą

 trzeciemu s

ą

 sobie równowa

ż

ne.

)

P

(

i

)

Q

(

P

'

P

d

A

Pd

P

=

=

=

=

A

)

P

(

A

)

P

(

A

)

P

(

A

)

P

(

'

'

M

M

F

F

,

P

P

=

'

P

'

P

Dowód:

)

P

(

i

)

Q

(

Równowa

ż

no

ść

 układów sił (wektorów)

15

Def.

Układ sił 

nazywamy równowa

ż

nym zeru

wtedy i tylko wtedy gdy, wzgl

ę

dem ka

ż

dego punktu przestrzeni

wektor główny i moment główny tego układu sił s

ą

 wektorami zerowymi.

)

P

........

P

(

n

1

0

)

P

........

P

(

n

1

0

F

o

)

P

(

E

O

,

.

0

M

o

)

P

(

Mówimy, 

ż

e siły układu                             równowa

żą

 si

ę

.

)

P

........

P

(

n

1

Równowa

ż

no

ść

 zeru układu sił  (wektorów)

µ

U

1

P

n

P

2

P

O

0

o

F

0

o

M

16

background image

Def.

Układ sił 

nazywamy równowa

ż

nym zeru

wtedy i tylko wtedy gdy, wzgl

ę

dem ka

ż

dego punktu przestrzeni

wektor główny i moment główny tego układu sił s

ą

 wektorami zerowymi.

)

P

........

P

(

n

1

0

)

P

........

P

(

n

1

0

F

o

)

P

(

E

O

,

.

0

M

o

)

P

(

Mówimy, 

ż

e siły układu                             równowa

żą

 si

ę

.

Tw.

Układ sił

jest równowa

ż

ny zeru wtedy i tylko wtedy

gdy, istnieje taki punkt wzgl

ę

dem którego, wektor główny i moment 

główny tego układu sił s

ą

 wektorami zerowymi.

)

(

n

1

P

P

K

0

)

P

........

P

(

n

1

,

0

F

o

)

P

(

E

O

=

,

.

0

M

o

)

P

(

=

Dowód:

Załó

ż

my, 

ż

e w punkcie 

E  wektor główny i moment główny układu sił 

( P1 . . . . Pn )  s

ą

 równe zeru. Wobec tego w dowolnym punkcie 

E  zachodzi

0

0

Mom

0

F

Mom

M

M

0

F

F

A

o

)

P

(

A

o

)

P

(

A

)

P

(

o

)

P

(

A

)

P

(

+

+

=

,

)

P

........

P

(

n

1

Równowa

ż

no

ść

 zeru układu sił  (wektorów)

µ

U

1

P

n

P

2

P

O

0

o

F

0

o

M

17

Układ dwóch sił o wektorach wzajemnie przeciwnych le

żą

cych na jednej prostej jest równowa

ż

ny zeru.

Jest nazywany zerow

ą

 dwójk

ą

  sił.

P

P

'

P

P

=

Tw.

Układ sił

jest równowa

ż

ny zeru wtedy i tylko wtedy

gdy, istnieje taki punkt wzgl

ę

dem którego, wektor główny i moment 

główny tego układu sił s

ą

 wektorami zerowymi.

)

(

n

1

P

P

K

0

)

P

........

P

(

n

1

,

0

F

o

)

P

(

E

O

=

,

.

0

M

o

)

P

(

=

Równowa

ż

no

ść

 zeru układu sił  (wektorów)

µ

U

1

P

n

P

2

P

O

0

o

F

0

o

M

18

background image

Stan (ruchu) układu

, do którego dodano równowa

ż

ny zeru układ sił nie ulega zmianie.

Warto

ść

 reakcji sztywnego układu materialnego poddanego działaniu dowolnego układu sił,  

do którego dodano równowa

ż

ny zeru układ sił nie ulega zmianie

.

Powy

ż

sze twierdzenie jest uzasadnieniem aksjomatu 5.

Dowód

Wektor główny i moment główny układu równowa

ż

nego s

ą

 równe zeru, wi

ę

c dodanie go                   

do dowolnego nie zmieni warto

ś

ci momentu głównego i wektora głównego tego układu.

Tw.

Je

ż

eli do układu sił 

dodamy układ sił 

równowa

ż

ny zeru, to tak otrzymany układ jest równowa

ż

ny 

układowi pierwotnemu 

)

(

n

1

P

P

K

)

P

P

(

)

0

(

)

P

P

(

n

1

n

1

K

K

+

)

(

n

1

P

P

K

W szczególnym przypadku dodanie zerowej dwójki sił, 

zmieni stanu równowagi układu. 

Równowa

ż

no

ść

 zeru układu sił  (wektorów)

)

(

n

1

P

P

K

'

P

P

=

U

O

0

o

F

0

o

M

µ

1

P

n

P

2

P

P

P

19

Pa

P

Mom

M

P

P

V

i

A

i

3

2

=

=

=

=

A

V

A

M

M

V

Równowaga sił w punkcie A

Dokonali

ś

my redukcji układu sił czynnych wzgl

ę

dem A, który nazywamy biegunem redukcji

Pa

M

P

V

A

A

3

2

=

=

A

M

A

V

P

P

P

P

a

a

Redukcja układu sił - wst

ę

p

Redukcja układu sił – zast

ą

pienie danego układu sił, mo

ż

liwie najprostszym układem równowa

ż

nym. 

W punkcie obci

ąż

enie wspornika 

mo

ż

na zast

ą

pic wypadkow

ą

 sił

ą

 V

i wypadkowym momentem 

A

Składowe reakcji  w :

20

background image

1

P

µ

n

P

2

P

o

2

o

1

o

M

M

 

M

+

=

o

F

o

1

M

 

rzut

M

 

o

=

- rzut wektora momentu głównego na kierunek wektora głównego

o

1

o

M

,

F

 

- niezmienniki redukcji (nie ulegaj

ą

 zmianie przy przesuni

ę

ciu bieguna)

o

2

M

o

F

 

- ulega zmianie przy zmianie poło

ż

enia bieguna

prosta centralna 

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

O

S

1

S

M

M

=

S

F

1

x

o

1

M

o

M

o

F

o

2

M

2

x

3

x

Redukcja układu sił  - prosta centralna, skr

ę

tnik

21

Sk

ą

d                                        .

0

S

2

M

S

S

M

 

F

 

||

0

×

S

S

M

 

F

 

Dla dowolnego poło

ż

enia bieguna S

,

o

S

F

 

F

 

=

.

o

o

o

S

o

S

F

SO

M

F

Mom

M

M

×

+

=

+

=

Po podstawieniu do (*)

0

)

F

SO

M

(

F

o

o

o

=

×

+

×

Aby zachodziła równo

ść

 (**) musi by

ć

 spełniony warunek                                ,  

z którego mo

ż

na wyznaczy

ć

 współrz

ę

dne punktu                             .

0

F

SO

M

o

o

=

×

+

,

3

3

2

2

1

1

o

S

i

F

i

F

i

F

F

 

F

 

+

+

=

=

,

3

3

2

2

1

1

o

i

M

i

M

i

M

M

 

+

+

=

.

3

3S

2

2S

1

1S

i

x

i

x

i

x

SO

+

+

=

Punkty te le

żą

 na prostej tzw. prostej centralnej  o równaniu (bez wyprowadzenia)

(*)

.   (**)

W układzie współrz

ę

dnych zaczepionym w O

3

1S

2

2S

1

3

2

3S

1

1S

3

2

1

2S

3

3S

1

1

F

x

F

x

F

M

F

x

F

x

F

M

F

x

F

x

F

M

+

=

+

=

+

Wyznaczmy punkt S, w którym                   tzn.                ,

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

Redukcja układu sił  - prosta centralna, skr

ę

tnik

prosta centralna 

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

O

S

1

S

M

M

=

S

F

1

x

o

1

M

o

M

o

F

o

2

M

2

x

3

x

22

background image

Opisywany  szczególny przypadek redukcji , 

, kierunek wektora głównego 

pokrywa si

ę

 z kierunkiem momentu głównego nazywa si

ę

 skr

ę

tnikiem.

W  przypadku 

,

warunek                  jest spełniony dla dowolnego punktu przestrzeni, 

E

3

.

Dla dowolnego układu sił

,  

prosta centralna jest zbiorem punktów   S

spełniaj

ą

cych  warunek                    , 

(

)

n

1

P

........

P

S

S

M

 

F

 

||

tzn. kierunek wektora głównego pokrywa si

ę

 

z kierunkiem momentu głównego.

Uwaga: 

Równanie prostej centralnej ma sens tylko w przypadku                          . 

0

F

 

F

 

S

o

=

0

F

 

F

 

S

o

=

S

S

M

 

F

 

||

S

S

M

 

F

 

||

Redukcja układu sił  - prosta centralna, skr

ę

tnik

prosta centralna 

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

O

S

1

S

M

M

=

S

F

1

x

o

1

M

o

M

o

F

o

2

M

2

x

3

x

23

Def.

Skr

ę

tnik – układ 3-ch sił ( Q1 , Q2 , Q3 ), z których dwie tworz

ą

 par

ę

 sił , a trzecia jest 

prostopadła do płaszczyzny tej pary.

2

Q

π

prosta centralna

S

3

Q

1

Q

Tw.  Dowolny układ sił 

mo

ż

na zredukowa

ć

 do skr

ę

tnika. 

(

)

n

1

P

........

P

(

)

(

)

.

,

3

2

1

n

1

Q

,

Q

Q

P

........

P

E

S

1

S

Q

F

 

=

,

S

3

2

S

F

)

Q

,

Q

(

Mom

M

 

λ

=

=

Dowód wynika z przedstawionego powy

ż

ej toku rozumowania.

tzn.                                       ,                                                            .        

Redukcja układu sił  - prosta centralna, skr

ę

tnik

prosta centralna 

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

S

1

S

M

M

=

S

F

≡≡≡≡

24

background image

Przypadki szczególne skr

ę

tnika

Tw.

Centralny układ sił mo

ż

na zredukowa

ć

 do 

siły wypadkowej       zaczepionej w 

ś

rodku układu 

S jest dowolnym punktem przestrzeni 

0

M

 

S

Je

ż

eli układ sil redukuje si

ę

 do jednej siły skupionej to sił

ę

 t

ę

 nazywa si

ę

wypadkow

ą

S jest punktem prostej centralnej

a)

o

o

F

M

(

)

( )

1

n

1

Q

P

........

P

1

S

Q

F

 

=

,   

l

S

0

M

 

S

0

Q

Q

3

2

b)

0

0

=

o

o

M

,

F

 

1

S

Q

F

 

=

,   

3

E

S

,  

0

Q

Q

3

2

,   

0

0

o

o

M

,

F

 

P

i

P

n

P

1

P

P

,

=

=

=

n

1

i

i

O

P

F

P

.

0

=

=

=

n

1

i

i

A

O

P

Mom

M

s

F

prosta centralna

O

l

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

o

F

o

M

1

x

2

x

3

x

s

F

O

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

1

x

2

x

3

x

o

F

1. Redukcja do siły skupionej: 

25

Nie mo

ż

na okre

ś

li

ć

rzutu

na kierunek 

.   

3

x

O

S(x

1S

, x

2S

, x

3S 

)

2

x

1

x

o

M

.

0

0

=

O

O

M

,

F

 

o

M

o

F

 

,

0

F

S

=

,     

3

E

S

jest dowolnym punktem przestrzeni .

,

0

Q

1

)

Q

,

Q

(

Mom

P

Mom

M

3

2

S

n

1

i

i

S

S

=

=

=

2. Redukcja do pary sił (momentu):

(

)

(

)

3

2

n

1

Q

Q

P

........

P

,

s

M

3. Układ sił równowa

żą

cych si

ę

:

0

M

F

o

o

=

Przykład redukcji układu sił :

Przypadki szczególne skr

ę

tnika

P

a

P

M

=

P

a

P

M

=

P

P

-

P

a

P

≡≡≡≡

≡≡≡≡

≡≡≡≡

26

background image

Redukcja układu sił

PRZEKSZTAŁCENIA ELEMENTARNE

Redukcj

ę

 układu sił – zast

ą

pieniem danego układu sił układem statycznie mu równowa

ż

nym –

mo

ż

na przeprowadzi

ć

 przez zastosowanie tzw. przekształce

ń

 elementarnych, które wynikaj

ą

 

z poprzednio udowodnionych twierdze

ń

Przekształcenia dotycz

ą

ce siły, układu sił 

1.Dan

ą

 sił

ę

 mo

ż

emy przesuwa

ć

 wzdłu

ż

 prostej jej działania 

2.Siły le

żą

ce na jednej linii prostej mo

ż

emy dodawa

ć

 algebraicznie.

3.Kilka sił przyło

ż

onych w danym punkcie mo

ż

na zast

ą

pi

ć

 sum

ą

 geometryczn

ą

przyło

ż

on

ą

 w tym samym punkcie

4.Do danego układu sił mo

ż

emy zawsze doda

ć

 lub odj

ąć

 układ zerowy

Przekształcenia dotycz

ą

ce pary sił

1.W danej parze sił mo

ż

na zmieni

ć

 moduły i ramie pary w ten sposób, aby moment

pozostał stały

2.Dan

ą

 par

ę

 sił mo

ż

na dowolnie przenosi

ć

 w płaszczy

ź

nie jej działania

3.Dan

ą

 par

ę

 sił mo

ż

na przenie

ść

 do płaszczyzny do

ń

 równoległej

27

Elementy statyki  3D

28

background image

Def

, Momentem wektora          wzgl

ę

dem osi 

l

nazywamy wektor posuwny osi 

którego  reprezentantem jest wektor     

AB

l

O

l

l

=

O

),

(

AB

Mom

rzut

AB

Mom

nie zale

ż

y od wyboru punktu O

AB

Mom

l

A

B

O’

l

π

O

AB

Mom

O

AB

Mom

l

o

Moment wektora wzgl

ę

dem osi

29

to z dokładno

ś

ci

ą

do punktu zaczepienia jest

Prawdziwe jest twierdzenie:

Tw.

Je

ż

eli płaszczyzna  

π

jest prostopadła do   prostej 

l

,  

 

l

 

 

 

,

'

=

=

π

π

O

AB

rzut

'

B

'

A

B'

A'

Mom

AB

Mom

O'

l

=

Dowód pomijamy

A

B

A’

B’

O’

l

π

AB

Mom

l

o

Moment wektora wzgl

ę

dem osi

30

background image

gdzie:                – dowolne wektory przesuwne lub zaczepione, 

α ∈

R .

to z dokładno

ś

ci

ą

do punktu zaczepienia jest

nie zale

ż

y od wyboru punktu O

Prawdziwe jest twierdzenie:

Tw.

Je

ż

eli płaszczyzna  

π

jest prostopadła do   prostej 

l

,  

 

l

 

 

 

,

'

=

=

π

π

O

AB

rzut

'

B

'

A

B'

A'

Mom

AB

Mom

O'

l

=

Uwaga: Moment wektora wzgl

ę

dem osi ma własno

ść

 liniowo

ś

ci

AB

Mom

l

Dowód pomijamy

b

a

,

a

α

a

α

l

l

Mom

Mom

=

)

(

b

a

b

a

l

l

l

Mom

Mom

Mom

+

=

+

)

(

A

B

A’

B’

O’

l

π

O

AB

Mom

O

AB

Mom

l

o

AB

Mom

l

o

Moment wektora wzgl

ę

dem osi

Def

, Momentem wektora          wzgl

ę

dem osi 

l

nazywamy wektor posuwny osi 

którego  reprezentantem jest wektor     

AB

l

O

l

l

=

O

),

(

AB

Mom

rzut

AB

Mom

31

Przypadki szczególne poło

ż

enia siły

1) 

3

|| Ox

P

b

a

P

P

Mom

2

P

Mom

1

x1

x2

2)

0

0

0

3

2

1

=

=

=/

P

Mom

P

Mom

P

Mom

P

x2

P

Mom

1

Moment wektora wzgl

ę

dem osi

b

P

P

Mom

=

1

a

P

P

Mom

=

2

0

3

=

P

Mom

3

2

x

Ox

P

32

x

1

x

3

x

3

background image

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił         

:                  ,                 , gdzie jest dowolnym punktem, 

w przypadku układu stacjonarnego 

stanowi

ą

 konieczne i wystarczaj

ą

ce warunki istnienia poło

ż

enia równowagi.

Warunkiem koniecznym istnienia stanu równowagi sztywnego 

układu materialnego 

µ

, w przedziale czasu T, pod działaniem 

układu obci

ąż

e

ń

        jest równowa

ż

no

ść

 zeru układu 

sił b

ę

d

ą

cych obci

ąż

eniem 

µ

, w przedziale   

T=< t

1

, t

2

>.

,         - wektor główny  i moment główny układu obci

ąż

e

ń

 w punkcie C

c

F

c

M

)

)

(

2

1

3

2

1

M

,

M

,

P

,

P

,

P

(

Q

=

Warunkiem wystarczaj

ą

cym istnienia stanu równowagi, 

w przedziale czasu 

T

, jest równo

ść

 zeru 

pr

ę

dko

ś

ci  pocz

ą

tkowych (w chwili 

t

)  elementów układu.

0

F

A

=

0

M

A

=

)

Q

(

)

Q

(

C

1

P

3

P

2

P

C

M

C

F

1

M

2

M

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

Dany jest układ obci

ąż

e

ń

 :

Ż

aglówka na wodzie jest przykładem 

układu materialnego niestacjonarnego

W dalszej cz

ęś

ci zajmujemy si

ę

 układami stacjonarnymi, których ruch wskutek 

nało

ż

onych wi

ę

zów jest niemo

ż

liwy. 

33

1.1. Wektor główny równy zeru:                  ,

)

P

 

.......

 

P

(

n

1

3

3

2

2

1

1

A

i

F

i

F

i

F

F

+

+

=

3

3

2

2

1

1

A

i

M

i

M

i

M

M

+

+

=

W dowolnym układzie obci

ąż

e

ń

, momenty skupione 

mo

ż

na zast

ą

pi

ć

 odpowiadaj

ą

cymi im parami sił, 

które dodajemy do układu sił.  W dalszej cz

ęś

ci 

rozpatrujemy powstały w ten sposób, równowa

ż

ny układ sił  

3

x

1

x

2

x

W układzie współrz

ę

dnych kartezja

ń

skim 

3

2

1

x

x

Ox

3

3i

2

2i

1

1i

i

i

P

i

P

i

P

P

+

+

=

0

A

F

=

=

=

=

+

+

=

=

n

1

i

3

3i

2

2i

1

1i

n

1

i

i

A

)

i

P

i

P

i

(P

P

F

+

+

=

+

+

=

=

=

0

i

X

i

X

i

X

i

P

i

P

i

P

3

3

2

2

1

1

n

1

i

n

1

i

n

1

i

3

3i

2

2i

1

1i

1. Przestrzenny dowolny układ sił

µ

A

A

M

A

F

1

P

i

P

2

P

i

r

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

=

=

=

0

X

0

X

0

X

3

2

1

,     gdzie:                             ,                 , 

=

=

n

1

i

α

i

α

P

X

1,2,3

α

=

- numer punktu        (1.1)

0

A

F

=

Z warunku                , wynikaj

ą

 równania:

34

background image

Z warunku                , wynikaj

ą

 równania:

1.2. Moment główny równy zeru:

,

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

.  

,

3

3

2

2

1

1

A

i

M

i

M

i

M

M

+

+

=

=

=

=

0

M

0

M

0

M

3

2

1

,     gdzie 

=

=

n

1

i

i

X

α

α

P

Mom

M

1,2,3

α

=

(1.2)

=

=

=

=

+

+

=

=

n

1

i

3

A

n

1

i

2

A

n

1

i

1

A

n

1

i

i

A

A

P

Mom

P

Mom

P

Mom

P

Mom

M

i

rzut

i

rzut

i

rzut

x

x

x

3

2

1

0

=

=

=

=

+

+

=

n

1

i

3

x3

n

1

i

2

x2

n

1

i

1

x1

P

Mom

P

Mom

P

Mom

i

i

i

M

A

A

A

M

A

F

1

P

i

P

2

P

i

r

0

A

M

=

3

x

1

x

2

x

µ

0

A

M

=

Tw.

Dowolny przestrzenny układ sił                       jest równowa

ż

ny zeru, wtedy i tylko wtedy gdy istnieje 

przynajmniej jeden układu współrz

ę

dnych                    , dla którego spełnione s

ą

 równania (1.1) i (1.2).  

)

P

 

.......

 

P

(

n

1

3

2

1

x

x

Ox

1. Przestrzenny dowolny układ sił  cd.

35

Tw.

Centralny przestrzenny układ sił

jest równowa

ż

ny

zeru je

ś

li istnieje taki układ 

, w którym spełnione s

ą

 równania:

A

i

P

2. 

Przestrzenny centralny układ sił

n

P

1

P

W tym przypadku równania  (1.2)  s

ą

 spełnione z zało

ż

enia, poniewa

ż

 istnieje punkt, 

punkt przeci

ę

cia kierunków sił, wzgl

ę

dem którego momenty wszystkich sił s

ą

 równe 

zeru. 

Nie mo

ż

na wykorzysta

ć

 równania 

Σ

M

A

=0 do wyznaczenia sił 

poniewa

ż

 A le

ż

na kierunku działania sił. Wobec tego liczba równa

ń

 redukuje si

ę

 do trzech

=

=

=

0

X

0

X

0

X

3

2

1

,

,

)

n

P

 

.......

 

1

P

(

3

x

2

x

1

Ox

(2)

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

Tw.

Układ sił

współosiowych  jest równowa

ż

ny 

zeru 

spełnione s

ą

 równania:

Je

ż

eli 

równania (2)

1

i (2)

2

s

ą

 spełnione z zało

ż

enia, 

poniewa

ż

 w rozwa

ż

anym układzie współrz

ę

dnych składowe sił, 

prostopadłe do 

Ox

3

, s

ą

 równe zeru. Pozostaje wi

ę

c jedno równanie.

1

P

n

P

2

P

3

x

1

x

2

x

3. Układ sił współosiowych

3

i

Ox

||

P

)

P

 

.......

 

P

(

n

1

=

0

X

3

Uwaga:  przyj

ę

to  

3

i

Ox

||

P

(3)

36

background image

Je

ż

eli 

,  z definicji układu sił 

równoległych  wynika, i

ż

 spełnione s

ą

warunki:

Równa

ń

 tych nie mo

ż

na wykorzysta

ć

 do 

wyznaczenia sił,

4. 

Przestrzenny układ sił równoległych

1

P

i

P

2

x

3

x

n

P

1

x

2

P

3

i

Ox

||

P

=

=

=

0

M

0

X

0

X

3

2

1

Tw.

Przestrzenny układ sił równoległych jest równowa

ż

ny zeru je

ś

li istnieje taki układ                   ,

w którym spełnione s

ą

 równania:

3

2

1

x

x

Ox

=

=

=

0

M

0

M

0

X

2

1

3

,

,

Uwaga:  przyj

ę

to  

3

i

Ox

||

P

wobec tego liczba równa

ń

 redukuje si

ę

 do trzech.

(4)

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

37

Tw.

Płaski układ sił zawarty na płaszczy

ź

nie 

π

  jest równowa

ż

ny zeru wtedy i tylko wtedy, 

gdy istnieje układ                   parametryzuj

ą

cy 

π

oraz punkt  A

π

taki, 

ż

e spełnione s

ą

 równania:

Z definicji płaskiego układu sił na płaszczy

ź

nie 

wynika

Je

ś

li 

jest płaskim układem sił na płaszczy

ź

nie  

π

, tzn. 

Def.

Płaski układ sił  

to układ sił, którego wszystkie 

wektory zawarte s

ą

 na jednej płaszczy

ź

nie. 

5. 

Płaski dowolny układ sił

)

P

 

.......

 

P

(

n

1

)

P

 

.......

 

P

(

n

1

n

i

P

i

......

1

,

π

=

wtedy

π

π

 

,

π

A

A

A

M

F

2

1

x

Ox

,

,

,

=

=

=

0

M

0

M

0

X

2

1

3

2

1

x

Ox

,   

Uwaga  Warunki (5) s

ą

 równowa

ż

ne nast

ę

puj

ą

cym równaniom:

=

=

=

0

M

0

M

0

X

B

A

1

pod warunkiem, 

ż

prosta AB nie jest 
prostopadła do osi 

1

Ox

(5.1)

=

=

=

0

M

0

M

0

M

C

B

A

pod warunkiem, 

ż

punkty A,B,C 
s

ą

 niewspółliniowe 

=

=

=

0

M

0

X

0

X1

A

2

,

,

(5)

(5.2)

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

π

A

M

A

1

P

A

F

i

P

n

P

38

x

1

x

2

background image

gdzie 

A

jest punktem wspólnym kierunków sił. 

Spo

ś

ród trzech równa

ń

 (5) pozostaj

ą

 tylko dwa:

Tw

.  Płaski centralny układ sił zawarty na płaszczy

ź

nie  

π

  jest równowa

ż

ny zeru wtedy i tylko wtedy,

gdy istnieje  układ  współrz

ę

dnych

parametryzuj

ą

cy  

π

  taki, 

ż

e:

6. Płaski centralny układ sił

Z definicji centralnego układu sił wynika, i

ż

 spełniony 

jest warunek    

=

0

M

A

2

1

x

Ox

=

=

0

X

0

X

2

1

,

(6)

i

P

A

π

n

P

1

P

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

39

x

1

x

2

Je

ż

eli

,  z definicji układu sił równoległych wynika,

i

ż

 spełniony jest warunek:

B

A

π

i

P

1

P

n

P

2

x

1

x

7. 

Płaski układ sił równoległych

1

i

Ox

||

P

,

=

0

X

2

wobec tego pozostaj

ą

 dwa równania równowagi.

2

1

x

Ox

Tw

Płaski układ sił równoległych jest równowa

ż

ny zeru je

ś

li istnieje taki układ

oraz punkt A

π

, w którym spełnione s

ą

 równania:

=

=

0

M

0

X

A

1

,

lub istniej

ą

 dwa punkty A, B 

π 

, takie, 

ż

AB nierównoległe do Ox

1

oraz spełnione s

ą

 równania:

(7.2)

(7.1)

=

=

0

M

0

M

B

A

,

Warunki równowa

ż

no

ś

ci zeru układu sił

40

background image

Def.

Wi

ę

zy nało

ż

one na punkt nazywamy idealnymi, je

ś

li : 

- wektor siły reakcji jest prostopadły do powierzchni, b

ą

d

ź

 krzywej, stanowi

ą

cej wi

ę

zy lub 

- je

ś

li wi

ę

zy stanowi izolowany punkt. 

Wi

ę

zy idealne nazywane s

ą

 doskonałymi lub gładkimi.

Rozwa

ż

amy wi

ę

zy punktowe.

a)  przestrzenne sztywne zamocowanie  

Niewiadomych sze

ść

 składowych reakcji

- nieznany kierunek siły reakcji  (trzy niewiadome) :     

- nieznany kierunek  momentu utwierdzenia (trzy niewiadome) : 

3

2

1

R

R

R

R

+

+

=

3

2

1

M

M

M

M

+

+

=

3

R

2

R

1

R

1

x

2

x

3

x

2

M

3

M

1

M

+

Wi

ę

zy idealne – przypadek przestrzenny

41

b) podparcie przegubowe nieprzesuwne

– uwolnione trzy stopnie swobody, ciało ma mo

ż

liwo

ść

 ruchu obrotowego wzgl

ę

dem punktu  

zamocowania     

Niewiadome  trzy składowe reakcji

- nieznany kierunek siły reakcji (trzy niewiadome) :            

3

2

1

R

R

R

R

+

+

=

2

x

1

x

3

x

3

R

2

R

1

R

Wi

ę

zy idealne – przypadek przestrzenny

42

background image

c)  podparcie przegubowe z mo

ż

liwo

ś

ci

ą

 przesuwu w dwóch kierunkach

- uwolnionych pi

ęć

 stopni swobody, punkt  podparcia ma mo

ż

liwo

ść

 ruchu po powierzchni wi

ę

zu

S

Znany kierunek reakcji        , prostopadły do  powierzchni wi

ę

zu .

R

S – powierzchnia wi

ę

zu  (powierzchnia mo

ż

liwego przesuwu punktu A

2

x

1

x

3

x

S

R

S

Wi

ę

zy idealne – przypadek przestrzenny

43

d) podparcie przegubowe z jednokierunkowym przesuwem

- uwolnione cztery stopnie swobodypunkt podparcia ma mo

ż

liwo

ść

 obrotu i ruchu po krzywej wi

ę

zu 

α

Niewiadome dwie składowe reakcji  - kierunek siły reakcji prostopadły do krzywej wi

ę

zu 

α

.

Je

ż

eli o

ś

 Ox

1

pokrywa si

ę

 z kierunkiem stycznym 

α

,

,

π

π

α

R

3

2

R

R

R

+

=

α

- krzywa wi

ę

zu 

3

x

1

x

2

x

α

3

R

1

R

2

x

α

R

π

Wi

ę

zy idealne – przypadek przestrzenny

44

background image

e) ci

ę

gno i pr

ę

t dwuprzegubowy 

– uwolnione trzy stopnie swobody znany kierunek reakcji wzdłu

ż

 prostej ł

ą

cz

ą

cej ko

ń

ce (przeguby) .

S

- siła reakcji wyra

ż

a sił

ę

 wewn

ę

trzn

ą

 (naci

ą

g) ci

ę

gna lub pr

ę

ta 

Wi

ę

zy idealne – przypadek przestrzenny

S

S

S

S

45