Теоретическая механика
Конспект лекций по предмету
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Для студентов специальности:
260501.65 Технология продуктов общественного питания,
форма обучения - очная
Конспект лекций составлен на основе:
1. Буторин Л.В., Бусыгина Е.Б. Теоретическая механика. Учебно-практическое пособие. – М., МГУ ТУ, 2004
2. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. – М.: Высшая школа, 2001г. - с.
3. Яблонский А.А., Никифорова В.Н. Курс теоретической механики. М. “Лань”, 2000г.
Введение
Современные промышленные производства, в том числе пищевые, являются высокомеханизированными производствами. На технологическое оборудование возлагается решение все более сложных задач, что в свою очередь ведет к усложнению оборудования. Формирование современного инженера немыслимо без знания фундаментальных дисциплин. Одной из таких дисциплин является теоретическая механика.
Теоретическая механика – раздел механики, в котором излагаются основные законы механического движения и механического взаимодействия материальных тел. Механическим движением называется изменение с течением времени взаимного положения в пространстве материальных тел, механическим взаимодействием – такое взаимодействие, в результате которого изменяется механическое движение или изменяется взаимное положение частей тела.
Теоретическую механику принято делить на: статику, кинематику и динамику.
В статике изучаются условия равновесия материальных тел и методы тождественного преобразования системы сил. Равновесие – это состояние, при котором тело при действии сил остается неподвижным или движется равномерно прямолинейно.
В кинематике рассматриваются общие геометрические характеристики движения тел. Действующие на тело силы не рассматриваются. Закон движения задается. Закон движения тела – это зависимость положения тела в пространстве от времени.
В динамике изучают общие законы движения тел под действием сил.
1. Cтатика твердого тела
1.1 Основные понятия статики
Абсолютно твердое тело (твердое тело, тело) – материальное тело, расстояние между любыми точками в котором не изменяется. Следствие размеры и форма тела не изменяются.
Материальная точка – тело, размерами которого по условиям задачи можно пренебречь.
Свободное тело – тело, на перемещение которого не наложено никаких ограничений.
Несвободное (связанное) тело – тело, на перемещение которого наложены ограничения.
Связи – тела, препятствующие перемещению рассматриваемого объекта (тела или системы тел).
Механическая система – совокупность взаимосвязанных между собой тел или материальных точек.
Твердое тело можно рассматривать как механическую систему, положения и расстояние между точками которой не изменяются.
Сила – векторная величина, характеризующая механическое действие одного материального тела на другое.
Сила как вектор характеризуется точкой приложения, направлением действия и абсолютным значением (рис.1.1). Единица измерения модуля силы – Ньютон.
Рис.1.1. Рис.1.2.
Линия действия силы – прямая, вдоль которой направлен вектор силы.
Сосредоточенная сила – сила, приложенная в одной точке.
Распределенные силы (распределенная нагрузка) – силы, действующие на все точки объема, поверхности или длины тела (рис.1.2).
Распределенная нагрузка задается силой, действующей на единицу объема (поверхности, длины).Размерность распределенной нагрузки – Н/м3 (Н/м2, Н/м).
Внешняя сила – сила, действующая со стороны тела, не принадлежащего рассматриваемой механической системе.
Внутренняя сила – сила, действующая на материальную точку механической системы со стороны другой материальной точки, принадлежащей рассматриваемой системе.
Система сил – совокупность сил, действующих на механическую систему.
Плоская система сил – система сил, линии действия которых лежат в одной плоскости.
Пространственная система сил – система сил, линии действия которых не лежат в одной плоскости.
Система сходящихся сил – система сил, линии действия которых пересекаются в одной точке (рис.1.3).
Произвольная система сил – система сил, линии действия которых не пересекаются в одной точке.(рис.1.4)
Рис.1.3 Рис.1.4
Эквивалентные системы сил – такие системы сил, замена которых одна на другую не изменяет механического состояния тела. Принятое обозначение:
Уравновешенная система сил – система сил, которая будучи приложена к свободному твердому телу не изменяет его механического состояния (не выводит из равновесия).
Равнодействующая сила – сила, действие которой на тело эквивалентно действию системы сил.
Момент силы – величина, характеризующая вращающую способность силы.
Пара сил – система двух параллельных равных по модулю противоположно направленных сил. Принятое обозначение – ().Под действием пары сил тело будет совершать вращательное движение.
Проекция силы на ось – отрезок, заключенный между перпендикулярами, проведенными из начала и конца вектора силы к этой оси (рис.1.5 ).
Проекция положительна, если направление отрезка совпадает с положительным направлением оси.
Проекция силы на плоскость – вектор на плоскости, заключенный между перпендикулярами, проведенными из начала и конца вектора силы к этой плоскости (рис.1.6).
Рис.1.5 Рис.1.6
1.2. Аксиомы статики
В основе теоретических положений статики лежит ряд аксиом. Аксиома, это закон, сформулированный в результате обобщения результатов наблюдений.
1. Аксиома равновесия.
Две силы, действующие на твердое тело, уравновешиваются только в том случае, если они равны по модулю и действуют вдоль одной прямой в противоположные стороны (рис.1.7).
Рис.1.7 Рис.1.8
2. Аксиома присоединения ( исключения) уравновешенной системы сил.
Действие системы сил на твердое тело не изменится, если к ней присоединить или исключить из нее уравновешенную систему сил (рис 1.8).
3.Аксиома о параллелограмме сил.
Система двух сил, приложенных в одной точке твердого тела, имеет равнодействующую, приложенную в той же точке. Вектор равнодействующей является диагональю параллелограмма, построенного на этих силах (рис.1.9).
Рис. 1.9 Рис.1.10
4.Аксиома противодействия.
При действии одного твердого тела на другое возникает сила противодействия, равная по модулю, противоположно направленная действующей силе (рис.1.10).
Примечание. Силу, действие которой задано, называют активной силой, силу противодействия называют реакцией.
5.Аксиома связей.
Всякое несвободное тело можно рассматривать как свободное, если его мысленно освободить от связей, заменив их действие соответствующими реакциями.
1.3 Связи и их реакции
Тела, препятствующие перемещению рассматриваемого объекта, будем называть связями. Сила, с которой связь действует на рассматриваемый объект, называется реакцией связи. При определении возможных реакций связи следует исходить из того, что реакция это сила, препятствующая перемещению рассматриваемого тела. Реакция направлена в сторону, противоположную той, куда связь не позволяет перемещаться телу.
Рассмотрим некоторые часто встречающиеся связи .
Гладкая поверхность ограничивает перемещение по нормали к поверхности опоры. Реакция направлена перпендикулярно поверхности (рис.1.11).
Шарнирная подвижная опора ограничивает перемещение тела по нормали к опорной плоскости. Реакция направлена по нормали к поверхности опоры (рис.1.12)
Шарнирная неподвижная опора противодействует любому перемещению в плоскости ,перпендикулярной оси вращения. При расчетах реакцию Fr, как правило, представляют в виде двух составляющих по осям X и Y (рис.1.13).
Шарнирный невесомый стержень противодействует перемещению тела вдоль линии стержня. Реакция будет направлена вдоль линии стержня (рис.1.14).
Глухая заделка противодействует любому перемещению и вращению в плоскости (рис.1.15). Ее действие можно заменить силой, представленной в виде двух составляющих и парой сил с моментом.
