background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

MECHANIKA 
 

Mechanika – dział  fizyki  mówiący  o  ruchu  ciał materialnych  pod  wpływem  działających   

sił. 
     Podstawowe  pojęcia  mechaniki  to: 

1.

 

Punkt  materialny. 

2.

 

Układ  punktów  materialnych. 

3.

 

Bryła  sztywna. 

Ad1. Punktem  materialnym – nazywamy  punkt  geometryczny, który  posiada  pewną  skończoną  
masę. 
Ad2. Układem  punktów  materialnych – nazywamy  zbiór  punktów  materialnych. 
Ad3. Bryłą  sztywną – nazywamy  układ  punktów, w  którym  wzajemne  odległości  nie  ulegają  
zmianie. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pojęcia  pierwotne  w  mechanice: 

Przestrzeń – jest  to  wielkość  związana  z  określeniem  położenia  punktu  lub  ciała. 
Czas – II  wielkość  pierwotna 
Masa – miara  służąca  do  scharakteryzowania  i  do  porównania  ciał  materialnych  w  oparciu  o  
podstawowe  eksperymenty 
Siła – jest miarą  oddziaływania  jednego  ciała   na  drugie  po  przez  kontakt  bezpośredni  obu  
ciał, bądź  na  odległość  (  pola  magnetyczne  ). 
 

Mechanika  Newtonowska – wielkości  niezależne 

 

Mechanika  realistyczna – wielkości  zależne  przy  dużych  prędkościach 

 

Mechanika    klasyczna  –  zajmuje    się    badaniem    warunków    spoczynku    i    ruchem    punktów  

materialnych  i  brył sztywnych  w  funkcji  czterech  pojęć  podstawowych. 
 

Podział  wielkości  fizycznych: 

- skalary, 
- wektory. 
 

Skalar  –  to    wielkość,  którą    można    określić    za    pomocą    jednej    liczby    rzeczywistej  (  np. 

czas, masa, energia, praca, moc, gęstość ). 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 

Wektor  –  jest  to    wielkość    określona    liczbą,  posiadająca    kierunek    i    zwrot    w    przestrzeni       

( np. siła, prędkość, przyspieszenie ). Obrazem  wektora  jest  odcinek  skierowany.  
 
Określając wektor  należy podać: 
-  Wartość  (  moduł    wektora  )  –  stanowi    liczbę    jednostek    długości      narysowanej    w    przyjętej  

skali – oznaczenie: 

a

 

- Kierunek ( wyznacza prosta „l” ) 
- Zwrot ( zaznaczony  grotem )     

Oznaczenie  wektora: 

a

 

 

 

Pojęcie  siły  można  określić  jako  wzajemne  oddziaływanie  jednego  ciała na  drugie. Jest 

wielkością  wektorową  gdyż  dla  jednoznacznego opisania  należy  określić: 

1.

 

Wartość  liczbową – długość  odcinka CD. 

2.

 

Kierunek – który  wyznacza  prosta „l”. 

3.

 

Zwrot – oznaczony  grotem. 

 

Punkt  D  (  punkt  zetknięcia wektora  siły  z  ciałem  )  nazywamy  punktem  przyłożenia  siły. 
Układ  sił – jest  to  zbiór  sił  przyłożonych w  jednym  lub  kilku  punktach ciała. 
 

Podział  sił  ( na  sposób  przyłożenia  ): 

-

 

siła  skupiona, 

-

 

siła  powierzchniowa, 

-

 

siła  objętościowa  lub  masowa. 

Siła  skupiona – jest  to  sił, która  działa  na  ciało  materialne  w  pewnym  określonym  punkcie. 
Siły    powierzchniowe  –  są    to  siły,  których    działanie    jest  rozłożone    na    części    lub  na    całej  
powierzchni ( np. siła  nacisku  jednego  ciała  położonego  na  drugie, siła  wiatru  napierającego  
na  ścianę  budynku  ). 
Siły  objętościowe  lub  masowe – są  to  siły, których  działanie  jest  rozłożone  na  całą  objętość  
ciała. 
 

Podział  sił: 

-

 

siły  wewnętrzne, 

-

 

siły  zewnętrzne: 

-   siły  czynne, 
-   siły  bierne. 

Siły    zewnętrzne  –  są    to    siły    oddziaływania    pomiędzy  poszczególnymi    ciałami    lub    bryłami  
sztywnymi, źródłem  działania  tych  sił  są  inne  ciała. 
Siły    zewnętrzne    czynne  –  są    to  takie  siły,  które    próbują    zmienić    stan    spoczynkowy    lub 
ruchowy  ciała. 
Siły  zewnętrzne  bierne – występują  w  miejscach  ograniczających  swobodę  ruchu  ciała  w  tzw. 
podporach,  występują    one    podczas    działania    sił    zewnętrznych    czynnych    przeciwdziałając  
ruchowi. 
Siły  wewnętrzne – siły  oddziaływania  pomiędzy  cząsteczkami  materii  tego  samego ciała  po 
dokonaniu  „myślowego”  przecięcia  przez  ciało. 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

DEF.  MOMENTU    SIŁY    WZGLĘDEM    PUNKTU:  Momentem    siły    względem    punktu    ( 

nazwanego  punktem  „O”  )  nazywamy  wektor  momentu  M

O

  równy  iloczynowi  wektorowemu  

promienia     wyprowadzonego  z  punktu  O  do  wektora     i  wektora  siły   

M

 

 = R

×

 

 

( )

F

R

F

R

F

M

O

,

sin

=

                              

( )

α

=

F

R,

 

Jego  kierunek  (   M

O

 ) jest  prostopadły  do  płaszczyzny  utworzonej  przez  wektory    i   

Jego  wartość  jest  równa  

O

M

=Fd. 

Zwrot   M

O  

zgodny  z  regułom  śruby  prawoskrętnej. 

PRAWA  NEWTONA 

I  Prawo  Newtona. Jeżeli  na  ciało  nie  działają  żadne  siły  lub  działające  siły  równoważą  się, 
to  ciało  pozostaje  w  spoczynku  lub  porusza  się  ruchem  jednostajnym  po  lini  prostej.  
II  Prawo  Newtona. Jeżeli  na  ciało  działa   siła  (  wypadkowa  wszystkich  sil  działających  na  
punkt    materialny    jest    różna    od    zera    ),  to    porusza    się    ono    względem    inercjalnego  układu  
odniesienia    ruchem    zmiennym    z  przyspieszeniem    wprost    proporcjonalnym    do    siły,  a  
odwrotnie proporcjonalnym  do  masy  ciała. Kierunek i  zwrot wektora przyspieszenia  są  zgodne  
z  kierunkiem  i  zwrotem  wektora  siły. 

m

F

a

=

                   

dt

p

d

F

=

 

III  Prawo  Newtona. Jeżeli  dwa ciała  A  i  B  działają  wzajemnie  na  siebie, to  siła   F

AB

, z  

jaką  ciało  A działa na  ciało  B  i  siła   F

BA

, z  jaką ciało B  działa  na  ciało A, są  równe  co  do  

wartości, mają  ten  sam  kierunek, ale  przeciwne  zwroty. 

 

AB

=  - F

BA   

Prawo    Grawitacji    Newtona.  Każde  dwa    punkty    materialne    przyciągają    się  wzajemnie  siłą  
wprost  proporcjonalną  do iloczynu  ich  mas i odwrotnie  proporcjonalną  do  kwadratu  odległości  
między  nimi.

 

F

12

=g

0

2

2

1

r

r

m

m

     

0

r

- wektor  jednostkowy, g – stała  grawitacji 

ZASADY  STATYKI 

Zasada    pierwsza    (    zasada    równoległoboku      )  –  działanie    dwóch    sił    P1    i    P2      można  
zastąpić    działaniem    jednej    siły    R,  działającej    na    ten    sam    punkt    i    będącej    przekątną  
równoległoboku  ABCD  zbudowanego  na  wektorach  sił  P1   i  P2. 

α

cos

2

2

1

2

2

2

1

P

P

P

P

R

+

+

=

 

Gdy  siły  P1  i  P2  działają  wzdłuż jednej  prostej  i  są  zgodnie  skierowane  R=P1+P2. 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

Natomiast, gdy  siły  są  przeciwnie  skierowane  i  P2>P1; R=P2-P1. 
Zasada  druga – jeżeli  do  ciała  przyłożone  są  dwie  siły, to  równoważą  się  one  tylko  wtedy  
gdy  mają  te  samą  linię  działania, te  same  wartości  liczbowe  i  przeciwne  zwroty. Aby  siły  te  

równoważyły   się, muszą  być  spełnione  zależności: 

2

1

P

P

=

  i    

2

1

P

P

=

. Na   podstawie  tej  

zasady  można, wyprowadzić  pojęcie  siły zerowej, czyli  siły, której  wartość  jest  równa  zeru. Z  
zasady tej wynika  także  pojęcie  siły  przeciwnej  do  siły  P1, której  bezwzględna  wartość  oraz 
linie działania  są  takie  same, ale  zwrot  jest  przeciwny. Siłę  przeciwną  oznacza się  znakiem  
minus  (  -P2  ). 
Zasada  trzecia – skute  działania  układu  sił  przyłożonego  do  ciała  nie  zmienia  się, jeśli do  
tego  układu  dodamy  lub  odejmiemy  dowolny układ  równoważących  się sił, czyli  tzw. układ  
zerowy.  Z  zasady    tej    wynika    następujący  wniosek:  każdą    siłę    działającą    na    ciało  sztywne 
można  przesunąć  dowolnie  wzdłuż  jaj  lini  działania. 
Zasada    czwarta  (    zasada    zesztywnienia    )  –  jeżeli    ciało    odkształcalne  znajduje    się    w  
równowadze  pod działaniem  pewnego  układu  sił, to  również  pozostanie  w  równowadze  ciało  
odkształcalne    sztywne    (    nieodkształcalne    )    identyczne    z    poprzednim,  pod    działaniem    tego  
samego    układu    sił.  Wynika    stąd    wniosek,  że    warunek    konieczny    i      wystarczający    do  
równowagi    ciała    sztywnego    jest    tylko    warunkiem    koniecznym,  ale  nie    wystarczającym    do  
równowagi ciała  odkształcalnego. 
Zasada    piąta    (    zasada    działania    i    przeciwdziałania    )  –  każdemu    działaniu    towarzyszy  
równe  co  do  wartości, o przeciwnym zwrocie  i  leżące  na  tej  samej  prostej  przeciwdziałanie. 
Zasada    szósta  (      zasada    oswobodzenia   od   więzów    )  –  każde    ciało    nie    swobodne    można 
myślowo  oswobodzić  z  więzów,  zastępując    ich  działanie    reakcjom,  a  następnie    rozważać    jako  
ciało  swobodne znajdujące  się  pod  działaniem  sił  czynnych  i  biernych  (  reakcji więzów  ). 
Własności  iloczynu  skalarnego: 

-

 

przemienność:  

v

w

w

v

o

o

=

  

-

 

rozdzielność  względem  dodawania:  

w

u

v

u

w

v

u

o

o

o

+

=

+

)

(

 

-

 

łączność mieszana:  

)

(

)

(

w

v

a

w

v

a

o

o

=

 

-

 

warunek  prostopadłości  wektorów:  

0

=

w

o

 

( )

w

v

w

v

w

v

,

cos

=

o

 

Własności  iloczynu  wektorowego: 

-

 

antyprzemienność:  

v

w

w

v

×

=

×

 

-

 

rozdzielność  względem  dodawania:  

( )

w

u

v

u

w

v

u

×

+

×

=

+

×

 

-

 

łączność  mieszana:  

( )

( )

w

v

a

w

v

a

×

=

×

 

-

 

prostopadłość 

 

iloczynu 

 

wektorowego 

 

do 

pozostałych 

 

czynników:  

w

w

v

v

w

w

o

o

)

(

)

(

×

=

×

=0 

)

,

(

sin

w

v

w

v

w

v

=

×

 

 

Zwrot  zgodny  z  regułą                         Zwrot  przeciwny  do  reguły   

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

śruby  prawo  skrętnej                             śruby  prawo  skrętnej 
znak  „+”                         

 

 

 znak  „ – ” 

 

Moment  siły  względem  punktu  nie  zmieni  się  jeżeli  siłę  przeniesiemy  wzdłuż  jej lini  

działania. 
 

Jeżeli  prosta  działania  siły  przechodzi  przez  punkt  O  to  moment  siły  równa się  zero. 

 

 

 
 
 
 

Moment siły  w  kartezjańskim  układzie  współrzędnych. 

                                                                                             
 
 
                                                                                            M

x

, M

y

, M

z

 – moment  siły  względem  danej  osi 

 

                                                                                           

i

j

k

 - wektory  jednostkowe 

 

 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
                                                                                 
 

                                                                            

k

r

j

r

i

r

r

z

y

x

+

+

=

 

                                                                           

k

F

j

F

i

F

F

z

y

x

+

+

=

 

                                                                           

k

M

j

M

i

M

M

z

y

x

O

+

+

=

 

 

 

)

(

)

(

)

(

y

x

x

y

x

z

z

x

z

y

y

z

r

F

r

F

k

r

F

r

F

j

r

F

r

F

i

+

+

=

 

Po    rozwinięciu    wyznacznika    współrzędne,  które    nazywamy    momentami    siły    względem  

odpowiedniej  osi  nazywamy: 

 

Moment  siły  względem  osi  jest równy  zero, gdy  siła  jest 

równoległa  do  osi  lub  gdy  linia działania siły  przecina  oś. 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 

Moment    siły        względem    punktu    o    jest    sumą,  momentów    sił    względem    osi:  x,  y,  z  

przecinających  się  w  tym  punkcie. 

Momentem    siły      względem    dowolnej    prostej    l    nazywamy  rzut,  wektora    momentu  

obliczanego  względem  dowolnego  punktu  leżącego  na  prostej  l, na  prostą  l.  
               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( rys. obok ) 

 
 
 
 
 
 

Zmiana  bieguna  (  punktu O  )  momentu  siły. 

 
Moment  względem  punktu  A: 

 

F

r

M

A

A

×

=

 

Moment  względem  punktu  B: 

 

F

r

M

B

B

×

=

 

Patrz    rysunek  –  dodawanie    wektorów    metodą  
trójkąta: 

 

A

BA

B

r

r

r

+

=

 

F

r

F

r

F

r

r

M

A

BA

BA

A

B

×

+

×

=

×

+

=

)

(

 

F

r

M

M

BA

A

B

×

+

=

     

 
 

 

Moment  siły  względem  punktu  B  jest  równy  sumie dwóch  momentów, z  których  jeden  

obliczany    jest    względem    dowolnego    punktu,  natomiast    drugi    jest    momentem    tej    siły  
uczepionym  w  punkcie  A  liczonym  względem  punktu  B.   
 

Twierdzenie  Varignona. Moment  sumy  sił względem dowolnego punktu  jest  równy  sumie 

momentów  poszczególnych  sił  względem  tego punktu. 
                         
                                     

                                          

n

n

F

r

F

r

F

r

F

r

F

F

F

F

r

×

+

×

+

×

+

×

=

+

+

+

+

×

...

)

...

(

3

2

1

3

2

1

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Para  sił  i  jej  własności. Układ  dwóch  sił  równoległych  o  takich  samych  wartościach  

liczbowych  lecz  przeciwnie  zwróconych nazywamy  parą. 

  
d – ramię  pary sił 
 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

Wypadkowa  pary  sił  równa  się  zero, czyli  pary  sił  nie  można  zastąpić jedną  siłą. 
 
Oddziaływanie  pary  sił  wyraża  się  momentem pary  sił. 
 
 

Momentem    pary    sił  –  jest      wektor    prostopadły    do    płaszczyzny    działania    pary    sił,  o  

wartości  równej  iloczynowi  wartości  
siły  i  ramienia, o  zwrocie  zgodnym  
z  regułą  śruby prawo  skrętnej. 
 

d

F

M

O

=

|

|

 

 
 

Własności  pary sił: 

I    Dwie    pary    sił    o    tej    samej  
płaszczyźnie  działania  są  sobie  równe, gdy  posiadają  równe  momenty. 
 
 

Dowód  pierwszej  własności: 

 
 

Na    rysunku    przedstawiono  parę    sił  

P

1

    i    P

2

    o    liniach    działania    l

1

    i    l

2

których  moment:  M

1

=P

1

a. 

Prowadząc    dwie    dowolne    proste    m

1

    i  

m

2

,  otrzymamy    punkty    C,  D,  E,  F.  Siły  

P

1

  i  -P

1

  przyłożone  do  punktów A  i  B  

możemy    przesunąć    do    punktów    C  i    F. 
Na    prostej    przechodzącej    przez    punkty  
C    i    F    przykładamy    układ    sił    R    i    -R  
równy    zeru.  Po    złożeniu    sił    P

1

    i    -R  

oraz    -P

1

    i    R    otrzymamy    siły  

wypadkowe    P

2

    i    –P

2. 

Z

   

równości  obu  

równoległoboków    sił,  zbudowanych    w  
punktach  C  i  F, wynika  że  siły  P

2

  i  -P

2

  

tworzą  parę  sił  równoważną  parze sił  P

1

  

i    -P

1

,  bo    różnią    się    tylko    o    układ 

równoważny  zeru: M

2

=P

2

b=P

1

a=M

1

 

 
 
 
 
 
II
    Zachowując    niezmieniony    moment,  parę    sił    można  przenieść    do  dowolnej    płaszczyzny  

równoległej    do  jej    płaszczyzny  działania    nie  
zmieniając  równowagi  układów. 
 
 

Dowód  drugiej  własności: 

 

Mamy parę  sił  P

1

  i  -P

1

  w odległości  h, leżącą  

na    płaszczyźnie   

1

.  Na    płaszczyźnie    równoległej  

2

      do    ∏

1   

umieszczamy

 

  dwa    układy    równoważne  

zeru    sił    P

2

    i    -P

2   

w    tej    samej    odległości    h. 

Zakładamy,  że    siły    P

2

    i    -P

2   

są  równe    sile    P

1

wypadkowa    sił    jednakowo  zwróconych    P

1

    i    P

2

  

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

wynosi  (  P

+ P

2  

) i  przyłożona  jest  w  punkcie  O. Podobnie  wypadkowa  sił  -P

1

  i  -P

2

  równa  

się    sile    wypadkowej    -(    P

1

  +  P

  )    i  przy  łożona    jest    także    w    punkcie  O.  Siły  wypadkowe  

równoważą    się,  tworząc    w    punkcie    O    układ    równoważny  zeru.  Z  całego    układu    pozostaną, 
wówczas  siły  P

2

   i –P

2

  tworząc  parze  sił  równoważną  parze sił  P

1

  i  -P

1

. otrzymaną  parę  sił  

P

2

  i  -P

2  

możemy  na  podstawie  pierwszego  twierdzenia  zastąpić w  płaszczyźnie  

2

   

dowolną, 

inną  parą  sił  o  tym  samym  momencie.  
 
 

 

 
 
 
III
    Dwie    pary  sił  działające    w    jednej    płaszczyźnie    można    zastąpić  przez    jedną    parę    sił, 
działającą  w  tej  samej  płaszczyźnie  o  momencie  równym  sumie  momentów  dwóch  par  sił. 
 

Dowód  trzeciej  własności: 

 

 
 
 
Mamy  dwie  pary  sił  P

1

  i  -P

1

  oraz  P

2

  i  

-P

2

.  siły    wchodzące    w    skład    tych    par  

możemy    przesunąć    wzdłuż    ich    linii  
działania  l

1

  i  l

2

  oraz  m

1

  i  m

2

  do  punktów 

A  i  B. Po  złożeniu  sił  P

1  

i  P

2

  oraz  -P

1

  i   

–P

2  

otrzymamy  wypadkowe  P  i  -P. 

 
P=P

1

+P

2

 

 

 

 

-P=-P

1

-P

 
Stąd    wynika,  że  siły    P    i    -P    stanowią 

parę  sił.  Jest    to    para    stycznie    równoważna  
układowi    par    (    P

1

,  -P

1

    )    i    (    P

2

,  -P

2

    ), 

ponieważ    powstała    z  tych    par    przez  
zastosowanie  zasad    statyki.  Po    oznaczeniu  
przez  M

1

, M

2

, M  momentów par  (  P

1

, -P

1

  ), 

(  P

2

, -P

2

  )  i  (  P, -P  )  oraz   

r

BA

=

2

1

2

1

2

1

)

(

M

M

P

r

P

r

P

P

r

P

r

M

+

=

×

+

×

=

+

×

=

×

=

  

IV  Dwie  pary  sił  działające  w  przecinających  się  płaszczyznach  są równoważne jednej  parze  
sił  o  momencie  równym wektorowej sumie  momentów  tych  par.       
 

 
Dowód  czwartej  własności:                                                                                  

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 

 

Mamy  dwie  pary  sił   (  P

1

, -P

1

  )  i  

(  P

2

, -P

2

  ), o  momentach   M

1

  i  M

2

działające 

 

odpowiednio 

 

płaszczyznach   

1   

i   

2

 

,  przecinające  

się    wzdłuż    prostej    l.  Przyłożone    do  
punktu  A    siły    P

1

    i    P

2

    zastępujemy  

wypadkową    P,  a    siły    -P

1

    i    -P

2

  

wypadkową  -P. 

P=P

1

+P

2

 

 

 

-P=-P

1

-P

Co  oznacza, że  siły  P  i  -P  stanowią  
parę    równoważną    układowi    dwóch  
par    (    P

1

,  -P

1

    )    i    (    P

2

,  -P

2

    ). 

Oznaczając  moment  pary  sił  (  P, -P  )  

przez  M  oraz  

r

BA

=

:   

 

 

 

 

2

1

2

1

2

1

)

(

M

M

P

r

P

r

P

P

r

P

r

M

+

=

×

+

×

=

=

+

×

=

×

=

 

 
 
 
 
 
Twierdzenie  o  równoległym  

przesunięciu  sił.  

 
Do  punktu  B przykładamy  siły  zerowe  F

1

  i  F

2

siła  F

1

  równoważy  siłę  F. 

2

1

F

F

F

=

=

   

 
 

 

Płaski  dowolny  układ  sił. 

Płaskim  układem  sił – nazywamy  taki  układ, w  którym  siły  zewnętrzne  czynne i bierne leżą  
w  jednej  płaszczyźnie. 

 

Warunki  równowagi  dowolnego  układu  sił.  

 

Dowolny  płaski  układ  sił  jest  w  równowadze  jeśli  algebraiczne  

sumy    wszystkich    rzutów    sił    na    osie    układu    i    suma    momentów  
wszystkich  sił  względem  dowolnie  obranego  bieguna  na  płaszczyźnie  
działania  tych  sił są  równe  zeru. 
 

 

                                                                                                                                                Punkty  ABC  nie  mogą  leżeć  na  jednej linii.

 

Szczególny  przypadek: warunki  równowagi  płaskiego  zbieżnego  układu  sił. 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

Układem    sił    zbieżnych  –  nazywamy    układ,  w    którym    linie    działania    się    przecinają    się   w  
jednym punkcie. 

 
 

Siły  zbieżne  leżące  w  jednej  płaszczyźnie  są  w  

równowadze  jeżeli  sumy  rzutów  tych  sił  na  dwie  osie  
prostokątnego  układu  współrzędnych  są  równe  zero. 

 

 

 

 

 

 

Płaski  układ  sił  równoległych. 

  

Poszczególne  siły  rzutujemy  na  oś  y, powstaje  siła F,  

która  musi spełnić: 

              

 

Geometryczne  warunki  równowagi  układów sił  na  

płaszczyźnie. 

 

Równowaga  trzech  sił  na  płaszczyźnie. Trzy  siły  leżące  na  jednej  płaszczyźnie  są  w 

równowadze  w  tedy  gdy  kierunki  działania  tych  sił  przecinają  się  w  jednym  punkcie, siły  
zaś  tworzą  trójkąt  zamknięty  o  zgodnym  obiegu  strzałek. 

 

 

Równowaga  czterech  sił  na  płaszczyźnie. Cztery  siły  leżące  na  płaszczyźnie  są  w  

równowadze  wtedy  gdy  wypadkowe  par  sił  wchodzących  w skład  czwórki  sił  mają te  same  
wartości, przeciwne  zwroty  i  leżą, na  prostej  działania  łączącej  punkty  przecięcia  par  sił. 

 
    
 
 

 
Kierunki  par  sił  muszą  się  przecinać, Prosta  
Culmanna   (  domniemana  siła  )  dla  sił  F

1

, F

2

 

ma  zwrot  AB, a  dla  sił  F

3

, F

4

  zwrot  BA. 

 
 
 
 
 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 
 

 

Rodzaje  podpór: 

1.

 

Podpora  przegubowa  przesuwna: 

 

Jedna  niewiadoma  reakcja  R. 
 
 
 
 
 

2.

 

Podpora  przegubowa  stała: 

 

 
 
     Dwie  niewiadome  reakcje  R

x

  i  R

y

  (  lub  R  i  α  ) 

 
 
 
 

3.

 

Zawieszenie  na  cięgnach  wiotkich: 

 

 

 

Dwie  niewiadome  S

1

  i  S

2

 

 
 
 
 
 
 
 

 

4.

 

Podparcie  na  gładkiej  lub  chropowatej  powierzchni: 

 
 
a)  więzły  idealne 
b)  więzły  normalne  (  z  tarciem  )

 

 
 

5.

 

Utwierdzenie  sztywne: 

                               
    

Trzy  niewiadome  R

x

, R

y

  i  Mo  (  moment  utwierdzenia  ) 

 

 
 
 

6.

 

Pręt  przegubowy: 

 
 

Po  jednej  niewiadomej  na  każdy  pręt 

 
 
 
 
 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 
 

Zastosowanie  metody  wieloboku  sznurowego  do  redukcji  płaskiego  układu  sił.  

 

Dane  są  trzy  siły  P

1

, P

2

, P

3

  działające  w  jednej  płaszczyźnie, wzdłuż  prostych  l

1

, l

2

  i  l

3

Jeżeli    chcemy    znaleźć    wypadkową    W    tych  
sił,  to  należy    zbudować    wielobok    ABCD. 
Wartość    i    kierunek    wypadkowej    określa  
zamykający    bok    AD    (    wektor    główny    R    )  
wieloboku    sił.  Pozostaje    jeszcze    kreślić    w  
planie  sił   punkt, przez   który  przechodzi  linia  
działania    tej    wypadkowej.  W    tym    celu    w  
wieloboku    sił    obieramy    dowolny    punkt    O, 
zwany    biegunem,  i    łączymy    go    promieniami  
1, 2, 3, 4  z  początkiem  i  końcem  każdej  z  sił  
P

1

, P

2

, P

3

. jak wynika  z  wieloboku  sił, na  trzy  

siły    przypadają    cztery    promienie.  W  ogólnym  
przypadku    na    n    sił    przypada    n+1    promieni. 

Przy  tym  sposobie  oznaczenia  promień  1 łączy  biegun  O  z  wierzchołkiem wieloboku sił, w  
którym  znajduje  się początek  siły  P1, następnie  promień  2  łączy  biegun  O  z  wierzchołkiem 
wieloboku  sił, w którym  znajduje  się początek siły  P

2

  itd. 

W  planie  sił z  dowolnego  punktu  F, położonego na prostej  l

1

  (  linia  działania siły  P

1

  ), 

prowadzimy  proste  równoległe do promieni  1  i 2. Prosta  równoległa  do  promienia 2  przecina  
prostą  l

2

    (    linię    działania    siły    P

2

    )    w    punkcie    G.  Z  tego    punktu    prowadzimy    prostą  

równoległą  do promienia  3, aż  do  przecięcia  się  z prostą  l

3

  ( linia działania siły  P

3  

) w punkcie  

H, z  którego prowadzimy  prostą  równoległą  do    promienia  4. 

Sposób  rysowania  prostych  równoległych  planie  sił  jest  taki, że  każdemu trójkątowi  (  P

1

1, 2  )  w wieloboku sił odpowiada  w planie sił  węzeł  F, w  którym przecina  się linia  działania  
siły  P

1

  z  prostymi  równoległymi do  promieni  1  i  2.  ostatecznie otrzymujemy  w  planie  sił  

linię  łamaną  EFGHI  (   1, 2, 3, 4 ), nazwaną  wielobokiem  sznurowym. Następnie  rozkładamy 
każdą  z    sił    P

1

,  P

2

,  P

3

    na    składowe    wzdłuż    wieloboku    sznurowego.  Tak    więc    siłę    P

1

  

rozkładamy    na    S

1

    i    S

2

,  siłę    P

3

    na  składowe    S

3

    i    S

4

.  Wielkości    i  zwroty  tych    składowych  

odczytujemy  z  wieloboku  sił, gdzie P

1

=S

1

+S

2

, P

2

=S

2

'+S

3

, P

3

=S

3

'+S

4

, S

2

'=-S

2

, S

3

'=-S

3

W    ten  sposób    dany    układ  sił    (    P

1

,  P

2

,  P

3

    )  zastępuje    się    równoważnym    mu    statycznie  

układem  sił (  S

1, 

S

2

, S

2

', S

3

, S

3

', S

4

  ). Ale  siły  S

2

  i  S

2

'  oraz  S

3

  i  S

3

'  (  jako parami równe  co do 

wartości  i  przeciwnie  skierowane  )  równoważą  się  wzajemnie. Pozostają  jedynie  siły  S

1

  i S

4

 

działające  wzdłuż  skrajnych  boków  1  i  4  wieloboku  sznurowego. Wypadkowa  W   sił  S

1

  i  S

4

  

jest  równocześnie    wypadkową    sił    P

1

,  P

2

    i  P

3

,  a  jej    linia    działania  –  prosta    l  –  przechodzi  w 

planie  sił przez   punkt  K  przecięcia  boków  1 i  4  wieloboku  sznurowego  i  jest  równoległa  do 
wektora    głównego    R    (    boku    AD  wieloboku    sił    ).  Podobnie    wyznacza    się    wypadkową  
dowolnej    liczby  sił  działających    w    jednej    płaszczyźnie    (    oczywiście    przy    założeni,  że 
wypadkowa  istnieje  ).  

Na  podstawie  dotychczasowych  rozważań możemy  stwierdzić, że: 
Dowolny  płaski  układ  sił  można  zastąpić  przez  dwie  siły, działające  wzdłuż  skrajnych 

boków    wieloboku    sznurowego.  Wartości    tych    sił    są  wyrażone    przez  długości    odpowiednich  
promieni  wieloboku  sił, a  zwroty  są  takie, że  wektorowa  suma  tych  sił  jest  równa  wektorowi  
głównemu  R. Linia  działania  wypadkowej  W=R przechodzi  przez  punkt  przecięcia  skrajnych  
boków wieloboku  sznurowego. 

Korzystając  z tych  spostrzeżeń, możemy  przy  określaniu wypadkowej  płaskiego  układu  sił  

nie    wyznaczać  sił    składowych  S

1, 

S

2

,  S

2

',  S

3

,  S

3

',  S

4

  ...,  itd.,  które    wyznaczaliśmy    w    celu  

wyjaśnienia  konstrukcji wieloboku  sznurowego.  

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

Na    poniższym    rysunku    przedstawiono    sposób    określania    wypadkowej    czterech  sił  

działających w  jednej  płaszczyźnie. Wartości  wypadkowej  i  jej  kierunek  określa  zamykający  
bok  AE   wieloboku  ABCDE, a jej  linia działania  przechodzi  przez  punkt  K, będący  punktem  
przecięcia  się skrajnych  boków wieloboku  sznurowego  1  i  5. 

W    dotychczas  rozważanych    przykładach  

układy  sił    redukowały    się    do    siły  
wypadkowej,  gdyż    odpowiadające    im 
wieloboki    sił  nie  zamykały    się.  Weźmy    teraz  
pod uwagę  przypadek, gdy  wektor  główny  R  
jest    równy    zeru,  tzn.,  że    wielobok    sił    jest  
zamknięty  i  ma  zgodny  obieg  wektorów  sił  
P

1

,  P

2

,  P

3

.  W    przypadku    pierwszym    (    obok, 

prawa  )  układ  sił sprowadza się  do  pary  sił  S

1

  

i  S

4

. Ramię  h  tej  pary  jest  równe  odległości  między skrajnymi bokami  wieloboku sznurowego  

i  i  4.  

W  przykładzie  drugim  (  obok, lewo  )  siły  S

1

 

i    S

5

    równoważą    się,  gdyż    pierwszy    bok  

wieloboku  sznurowego  1 pokrył  się  z ostatnim 5, 
co  oznacza, że  układ  sił   (  P

1

, P

2

, P

3

, P

4

  )  jest  w  

równowadze. 

Przy    redukcji    płaskiego  układu    sił    mogą  

występować  następujące  przypadki: 
1.

 

Wielobok    sił    nie    zamyka    się  –  układ    sił         

                                                                      redukuje się  do  jednej  siły wypadkowej. 

2.

 

Wielobok  sił  zamyka  się, a  wielobok sznurowy  nie  zamyka  się  - układ  sił  redukuje  się do  
pary  sił. 

3.

 

Wielobok  sił zamyka  się  i  wielobok  sznurowy  również  się  zamyka – układ  sił  znajduje  
się w  równowadze.  
 

Dowolny  układ  sił  w  przestrzeni. 

 

 

Przestrzennym    układem    sił  –  nazywamy    układ    o  

dowolnie rozmieszczonych  w przestrzeni  liniach  działania. 
 

Warunki    równowagi    dowolnego    przestrzennego  

układu sił. 
 

Przestrzenny    dowolny    układ    sił    znajduje    się    w 

równowadze  jeżeli  algebraiczne  sumy  rzutów  wszystkich  
sił    na    trzy    osie    układu  współrzędnych    i  algebraiczne  
sumy    momentów    wszystkich    sił  względem    tych    osi  są 
równe  zero. 
 
Równania równowagi: 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

        

0

0

0

1

1

1

=

=

=

=

=

=

n

i

n

i

n

i

Fiz

Fiy

Fix

          

0

0

0

1

1

1

=

=

=

=

=

=

n

i

z

n

i

y

n

i

x

M

M

M

 

Przestrzenny  układ  sił  zbieżnych: 

Przestrzenny  układ  sił  zbieżnych – znajduje się w  równowadze  gdy  sumy  rzutów  wszystkich  
sił  na trzy  osie  prostokątnego  układu  współrzędnych  są  równe  zero. 
Równania równowagi: 

        

=

=

=

=

=

=

n

i

n

i

n

i

Fiz

Fiy

Fix

1

1

1

0

0

0

 

 

Przestrzenny  układ  sił  równoległych: 

Warunki    równowagi    przestrzennego    układu    sił  
równoległych – suma  rzutów  sił  na oś  równoległą  do  
kierunku działania sił  jest równa  zero  oraz  równania  
momentów  względem  osi  leżących  na  płaszczyźnie  
prostopadłej  do  kierunku  działania  sił są  równe zero.  

        

=

=

=

=

=

=

=

=

n

i

y

n

i

x

n

i

Fiyi

M

Fixi

M

F

1

1

1

0

0

0

  

 
 
 

 

Sposoby  podparcia  w  układach  przestrzennych: 

1.  Przegub  kulisty. 

 

2.  Łożysko  szyjne. 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 

3.  Łożysko  oporowe  lub  stopowe. 

 

4.  Zawias. 

 

5.  Usztywnienie  całkowite. 

 

 

 

 
 

Redukcja  dowolnego  układu  sił. 

Przez  redukcję układu  sił  rozumiemy  przekształcenie  układu  w możliwie  najprostszy. 
Elementy  redukcji dowolnego  płaskiego  układu  sił: 
-  wektor   główny  F

g,

 

-  moment  główny  M

g,

 

-  parametr  układu  tzw. wyróżnik  k  (  p  ). 
Wektor  główny – równy  jest sumie  geometrycznej  wszystkich  sił  układu  traktowanych  jako  
wektory swobodne. Wektor  główny  nie  zależy od  bieguna  do  którego  redukujemy układ  sił. 

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

i

F

F

n

i

g

=

=

1

                           

2

2

2

gz

gy

gx

g

F

F

F

F

+

+

=

 

g

gz

g

gy

g

gx

F

F

F

F

F

F

=

=

=

γ

β

α

cos

cos

cos

 

Moment  główny  (  ogólny  ) – równy jest  sumie momentów  wszystkich  sił  względem  bieguna  
redukcji  O. Moment  główny  zależy  od  wyboru  bieguna. 

=

=

n

i

o

go

M

M

1

 

Parametr  układu  (  wyróżnik  ) – to  iloczyn  skalarny  wektora  głównego  i  momentu  ogólnego. 

go

g

M

F

k

o

=

,  czyli:  

goz

gz

goy

gy

gox

gx

M

F

M

F

M

F

k

+

+

=

     k≤0 

 

Przypadki  redukcji  dowolnego  układu  sił. 

 

WEKTOR  GŁÓWNY  

g

F

    MOMENT  GŁÓWNY  

go

M

 

PARAMETR  UKŁĄDU   

WYNIK  REDUKCJI 

=0 

=0 

=0 

UKŁĄD  W  

RÓWNOWADZE 

=0 

≠0 

=0 

PARA  SIŁ 

≠0 

=0 

=0 

WYPADKOWA 

≠0 

≠0 

≠0 

(

go

g

M

F

)SKRĘTNIK,  

DWIE  SIŁY  SKOŚNE

 

 

i

F

g

F

n

i

=

=

1

       

2

2

goy

gox

go

M

M

M

+

=

 

 

Redukcja    dowolnego    przestrzennego  

układu  sił  do  skrętnica. 

Układ    wektora    głównego    R    i    momentu 

głównego  M

go

, obliczonego  względem  środka  

redukcji    O,  spróbujmy    zredukować    do  
prostszej  postaci. Niech  wektory  R i M

o

  będą  

przyłożone    w    punkcie  O,  początku  układu  
współrzędnych. 

Rozłóżmy  moment  główny  M

o

  na  dwie  

składowe: M'

o

  - zgodną  z  kierunkiem  wektora  

głównego    R    i    M''

o

  –  prostopadłą    do    tego  

wektora. 

Następnie 

 

składową 

 

M''

o

  

zastępujemy    parą    sił    (    -R,  R    ),  leżącą    w  
płaszczyźnie  prostopadłej  do  M''

o, 

przy  czym  

siła  (  -R   )  jest przyłożona  w  punkcie  O. Linia  działania drugiej  siły  R  będzie  przechodzić  
przez    pewien    szczególny    punkt,  którego    położenie    jest    opisane    promieniem  –  wektorem    r, 
wynikającym    z    następującej    zależności:   

R

r

M

o

×

=

′′

,  która    określa    równoważność  

zastępowania   wektora    M''

o   

parą   sił  (   -R, R   ). W  wyniku  tych  przekształceń  otrzymaliśmy  

dwie  siły  (  -R, R  ), przyłożone  w  punkcie  O, które  można  usunąć  jak  układ  równoważący  
się.  Cały  układ    redukuje    się    wówczas    do    siły    R    przyłożonej    do    punktu    głównego    M'

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

równoległej  do  R. 

ϕ

cos

o

o

M

R

R

M

=

, gdzie 

R

R

- wektor  jednostkowy  (  wersor  )  o  kierunku  i  

zwrocie  wektora  R, natomiast  cosφ – cosinusem  kąta  między  wektorami  R  a  M

o

o

oz

z

oy

y

ox

x

RM

M

R

M

R

M

R

+

+

=

ϕ

cos

  .  Ponieważ    wektor      M'

o   

jest    wektorem    swobodnym,  więc  

można go

 

 przenieść  do  punktu  C. 

 

Tak  więc wykazaliśmy, że  dowolny  przestrzenny układ  n  sił można  zredukować  do  dwóch  

wektorów 

 

kolinearnych: 

wektora 

 

głównego 

 

R, 

określanego 

 

wzorem  

=

=

+

+

+

=

n

i

h

Pi

P

P

P

R

1

2

1

...

  

i  wektora   M'

o

, określanego  zależnością   

ϕ

cos

o

o

M

R

R

M

=

. Taki  

prosty    układ    tych    wektorów    nazywa    się    skrętnikiem,  a      ich    linia    działania,  przechodząca  
przez  punkt  C, nazywa się  osią  centralną  układu  sił  Pi. 

 

Układ złożony  z  wektora  głównego i składowej  

momentu  głównego  M'

o, 

leżącej  na  linii  działania  

wektora  R, nazywamy  skrętnikiem.   

 

 

Równanie    osi    centralnej    wyznaczamy, 

redukując  wektor  główny  R i moment  główny  M

o

  

(    obliczony    względem    środka    redukcji    O    )    do  
innego    środka    redukcji,  którym    jest    punkt    C. 
Moment    główny    M

c

    względem    punktu  C, 

opisanego  promieniem  wektorem  r  o  składowych  
(    -x,  -y,  -z    )    na    podstawie  wzory   

R

r

M

M

o

×

+

=

1

0

1

  

wynosi: 

 

k

y

R

z

R

j

z

R

x

R

i

z

R

y

R

k

M

j

M

i

M

k

M

j

M

i

M

x

y

x

z

y

z

oz

oy

ox

z

c

y

c

x

c

)

(

)

(

)

(

+

+

+

+

+

+

+

=

+

+

=

 

stąd  otrzymujemy  składowe  wektora  głównego  M

c

M

cx

=M

ox

-R

z

y+R

y

M

cy

=M

oy

-R

z

x-R

x

M

cz

=M

oz

-R

y

x+R

x

Ponieważ  punkt  C  leży  na osi  centralnej, więc  M

c

= M'

o

Wówczas  wektory  R  i  M

c

, jako  kolinearne, muszą  być  

wzajemnie    proporcjonalne,  czyli   

z

cz

y

cy

x

cx

R

M

R

M

R

M

=

=

,  a  

po  podstawieniu  wyrażeń  (  M

cx, 

M

cy, 

M

cz   

)  otrzymamy  

ostatecznie: 

z

x

y

oz

y

x

z

oy

x

y

z

ox

R

y

R

x

R

M

R

z

R

x

R

M

R

z

R

y

R

M

+

=

+

=

+

związki  te  przedstawiają  dwa  niezależne  równania  liniowe  z  trzema  niewiadomymi ( x, y, z  ), 
będące  równaniem  osi centralnej  układu  sił. Prosta ta  ma takie  same  cosinusy  kierunkowe  jak  
wektor  główny  układu   R.  

  

   

Redukcja  dowolnego  przestrzennego  układu  sił  do siły  wypadkowej. 

 

Szczególny    przypadek    redukcji      przestrzennego    układu    sił    otrzymujemy,  gdy    wektor  

momentu    głównego    M

o

,  obliczony    względem    dowolnego    punktu  O,  będzie    prostopadły    do  

wektora  głównego  R.  

background image

 

Więcej na www.chomikuj.pl/MarWag987 

 

 

Składowa    momentu    głównego    M'

o

   

(    według  

pierwszego    rysunku    do    redukcji    do    skrętnika    )   

będzie  równa  zeru   i 

układ    redukuje    się    wyłącznie    do    sumy  
geometrycznej  R,  przechodzącej    przez  punkt    C. 
Oznacza    to,  że    taki  układ    sił    Pi    daje    się  
zredukować    wyłącznie    do    jednej    siły    R,  która  
jest  wypadkową    układu    sił,  leżącą    na    osi 
centralnej  układu.  W    tym    przypadku    oś  
centralna    staje    się  linią    działania    wypadkowej    
(  rysunek  po 
prawej  ). 
 
 
 
 

 

Warunkiem    koniecznym    i    dostatecznym,  aby  

przestrzenny    układ  sił    Pi    redukował    się    do    wypadkowej, 
jest    istnienie  różnej    od    zera    sumy    geometrycznej    R    i  
prostopadłości    wektora  momentu    głównego    M

względem  

dowolnie    wybranego  punktu    O    do    linii    działania    sumy 
geometrycznej. 
 
Przykład: 

  
 
 
 

3

2

1

1

F

F

F

i

F

F

n

i

g

+

+

=

=

=

 

3

3

2

2

1

1

1

)

(

F

r

F

r

F

r

i

F

M

M

n

i

o

go

×

+

×

+

×

=

=

=

 

Wektor  główny  jest  niezmiennikiem – nie  zależy  od  bieguna  redukcji. 

x

F

M

g

go

o

=

          

g

go

F

M

x

d

=

=

     -     odległość między parą  sił 

Do    układu    sił  dodajemy    parę  sił. 

Siły    F

g

    i    - F

g   

równoważą    się, 

redukuje    się    również    moment  
główny, pozostaje  tylko  jedna  siła  
ale  przesunięta  o  x  od  bieguna. 

Rys a)