Методы решения физико-математических задач

Равнодействующая системы двух параллельных сил

Формула равнодействующей двух параллельных сил
Расчет равнодействующей системы двух параллельных сил тремя способами, используя аксиомы статики и уравнения равновесия.
()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\tg}{tg} )()

Равнодействующая двух сонаправленных параллельных сил

Равнодействующая двух сонаправленных параллельных сил
Две сонаправленные параллельные силы F1 и F2 имеют равнодействующую R.
Две однонаправленные параллельные силы →F1  и →F2  ,  приложенные к твердому телу в точках A и B,
имеют равнодействующую →R ,  сонаправленную параллельно →F1  и →F2  .  Абсолютная величина равнодействующей равна сумме абсолютных величин сил:
(1.1)   R = F1  + F2  . 
Линия действия равнодействующей проходит через точку C, которая принадлежит отрезку AB, и делит его обратно пропорционально модулям сил:
(1.2)   ACBC = F2 F1  
(1.3)    | AC |  = F2 R ⋅  | AB | ;    | BC |  = F1 R ⋅  | AB |  . 
Радиус вектор точки приложения C определяется по формуле
(1.4)   →rC  = F1  ⋅ →rA  + F2  ⋅ →rB F1  + F2   , 
где →rA ,  →rB  – радиус векторы точек A и B.
Доказательство
Доказательство с помощью аксиом статики

Точка C отличается от других возможных точек приложения равнодействующей тем, что ее положение определяется только модулями сил →F1  и →F2  ,  и не зависит от их направления. Такую точку называют центром параллельных сил.

Равнодействующая двух противоположно направленных параллельных сил

Равнодействующая двух противоположно направленных параллельных сил
Две не равные противоположно направленные силы F1 и F2 имеют равнодействующую R.
Две не равные по модулю противоположно направленные силы →F1  и →F2  ,  приложенные к твердому телу в точках A и B,
имеют равнодействующую →R ,  направление которой совпадает с направлением наибольшей по абсолютной величине силы →F1  или →F2  .  Абсолютная величина равнодействующей равна модулю разности абсолютных величин сил:
(2.1)   R =  | F1  – F2  |  . 
Линия действия равнодействующей проходит через точку C, находящуюся на продолжении отрезка AB, причем:
(2.2)   ACBC = F2 F1  
(2.3)   AC = F2 R ⋅  | AB | ;   BC = F1 R ⋅  | AB |  . 
Радиус вектор точки приложения C определяется по формуле
(2.4)   →rC  = F1  ⋅ →rA  – F2  ⋅ →rB F1  – F2   , 
где →rA ,  →rB  – радиус векторы точек A и B.
Доказательство
Доказательство с помощью аксиом статики

Две равные по абсолютной величине и противоположно направленные силы, линии действия которых не совпадают, не имеют равнодействующей. Такая система называется парой сил и характеризуется моментом.

Наконец, приведем общую формулу равнодействующей, применимую как для сонаправленных, так и противоположно направленных сил →F1  и →F2  . 

Общая формула равнодействующей двух параллельных сил

Пусть две параллельные силы →F1  и →F2  приложены к твердому телу в точках A и B, соответственно.
И пусть →F1  + →F2  ≠ 0 . 
Тогда они имеют равнодействующую
→R = →F1  + →F2  , 
линия действия которой проходит через точку C с радиус вектором
→rC  = F1R  ⋅ →rA  + F2R  ⋅ →rB F1R  + F2R   , 
где F1R  = (→F1  ⋅ →R )R ,   F2R  = (→F2  ⋅ →R )R  – проекции сил →F1R ,  →F2R  на направление равнодействующей →R ;  →rA ,  →rB  – радиус векторы точек A и B (то есть векторы, проведенные из начала системы координат к этим точкам).
Доказательство

Точку приложения равнодействующей, как и сил →F1  и →F2  ,  можно перемещать вдоль их линий действия. Поэтому в качестве точки приложения равнодействующей →R можно выбрать любую точку C′ с радиус вектором
→rC ′  = →rC  + γ→R , 
где γ – произвольная постоянная. Однако такая точка уже не будет центром параллельных сил, поскольку ее положение зависит от направления вектора →R ,  параллельного силам →F1  и →F2  . 

Вывод формул

Определение равнодействующей, используя уравнения статики

Напомним, что равнодействующая – это одна сила, действие которой эквивалентно действию заданной системы сил. То есть законы движения твердого тела должны сохранить свой вид при замене заданной системы сил на равнодействующую. В уравнения движения тела твердого входит только векторная сумма внешних сил и сумма моментов этих сил относительно любой точки. Поэтому, при замене системы сил на равнодействующую, должны выполняться два условия.
1. Векторная сумма внешних сил →Fi  должна равняться равнодействующей:
(3.1)   →R = Σi →Fi  . 
2. Сумма моментов внешних сил относительно произвольной точки O должна равняться моменту от равнодействующей силы относительно этой точки:
(3.2)   →MO (C, →R ) = Σi →MO (Ai , →Fi ) . 
Здесь →MO (C, →R ) – момент равнодействующей →R ,  приложенной в точке C, относительно точки O; →MO (Ai , →Fi ) – момент силы →Fi  ,  приложенной в точке Ai, относительно точки O. Моменты можно выразить посредством векторного произведения: →MO (Ai , →Fi ) = [→ri  × →Fi ] ,  где →ri  – радиус вектор, проведенный из точки O в Ai. Тогда последнее уравнение можно записать так:
(3.3)   [→rC  × →R ] = Σi [→ri  × →Fi ] . 

Эквивалентные преобразования сил применяются только для сил, приложенных к абсолютно твердому телу, или к системе тел, которая, согласно принципу отвердевания, может рассматриваться как твердое. Нельзя производить преобразования сил, приложенных к различным точкам и телам, которые могут совершать относительное движение.

Сонаправленные силы

Система координат, однонаправленные силы и их равнодействующая
Сонаправленные силы и их равнодействующая.

Найдем равнодействующую →R и точку ее приложения C двух параллельных сонаправленных сил →F1  и →F2  ,  приложенных в точках A и B.

Выберем прямоугольную систему координат Axyz с началом в точке A. Ось Ay направим вдоль направлений сил; ось Az – перпендикулярно плоскости рисунка (на нас). Из точек C и B опустим перпендикуляры CC′ и BB′ на ось Ax.

Вектор равнодействующей определяется по формуле (3.1):
→R = →F1  + →F2  . 
Отсюда следует, что он параллелен и сонаправлен силам →F1  и →F2  ,  и также направлен вдоль оси Ay. Спроектировав это векторное уравнение на эту ось, найдем абсолютную величину равнодействующей:
R = F1  + F2  . 

Спроектируем уравнение (3.2) на ось Az.
(4.1)   MAz (C, →R ) =  MAz (A, →F1 ) + MAz (B, →F2 ) . 
Сила →F1  проходит через эту ось. Поэтому ее момент равен нулю: MAz (A, →F1 ) = 0 .  Поскольку →R⊥AC ′ и →F2 ⊥AB ′ ,  то отрезки AC' и AB' будут плечами сил →R и →F2  .  Находим их моменты как произведения плеча силы на абсолютное значение:
MAz (C, →R ) =  | AC ′ |  ⋅ R,   MAz (B, →F2 ) =  | AB ′ |  ⋅ F2  . 
Подставляем в (4.1):
 | AC ′ |  ⋅ R = 0 +  | AB ′ |  ⋅ F2  ; 
 | AC ′ |  = F2 R ⋅  | AB ′ |  . 
Поскольку  | AC ′ |  =  | AC |  cos α;    | AB ′ |  =  | AB |  cos α ,  где α = BAB ′ ,  то
 | AC |  = F2 R ⋅  | AB |  . 

Получим остальные формулы (1.2) – (1.4).
 | BC |  =  | AB |  –  | AC |  =   | AB | RR – F2 R ⋅  | AB |  =  R – F2 R ⋅  | AB |  = F1 R ⋅  | AB |  ; 
 | AC |  | BC |  = F2 R ⋅  | AB |  / F1 R ⋅  | AB |  = F2 F1   ; 
→rC  = →rA  + →AC = →rA  +  | AC |  | AB |  →AB =  RR →rA  + F2 R ⋅ (→rB  – →rA ) = 
 (R – F2 ) ⋅ →rA  + F2  ⋅ →rB R =  F1  ⋅ →rA  + F2  ⋅ →rB F1  + F2   . 

Противоположно направленные силы

Система координат, противоположно силы и их равнодействующая
Противоположно направленные силы и их равнодействующая.

Теперь найдем равнодействующую →R и точку ее приложения C двух параллельных, но противоположно направленных сил →F1  и →F2  (см. рисунок). Будем считать, что F1  > F2  .  Также выбираем прямоугольную систему координат Axyz с началом в точке A.

Из формулы (3.1)
→R = →F1  + →F2 
следует, что вектор равнодействующей параллелен силам →F1  и →F2  .  Спроектировав это векторное уравнение на ось Ay, найдем абсолютную величину равнодействующей:
R = F1  – F2  . 

Спроектируем уравнение (3.2) на ось Az.
(5.1)   MAz (C, →R ) =  MAz (A, →F1 ) + MAz (B, →F2 ) . 
Сила →F1  проходит через эту ось. Поэтому ее момент равен нулю: MAz (A, →F1 ) = 0 .  Поскольку →R⊥AC ′ и →F2 ⊥AB ′ ,  то отрезки AC' и AB' будут плечами сил →R и →F2  .  Находим их моменты как произведения плеча силы на абсолютное значение. При этом положительному значению соответствует закручивание против часовой стрелки. У нас наоборот. поэтому моменты отрицательные:
MAz (C, →R ) = –  | AC ′ |  ⋅ R,   MAz (B, →F2 ) = –  | AB ′ |  ⋅ F2  . 
Подставляем в (5.1):
–  | AC ′ |  ⋅ R = 0 –  | AB ′ |  ⋅ F2  ; 
 | AC ′ |  = F2 R ⋅  | AB ′ |  . 
Поскольку  | AC ′ |  =  | AC |  cos α;    | AB ′ |  =  | AB |  cos α ,  где α = BAB ′ ,  то
 | AC |  = F2 R ⋅  | AB |  . 

Получим остальные формулы (2.2) – (2.4).
 | BC |  =  | AB |  +  | AC |  =   | AB | RR + F2 R ⋅  | AB |  =  R + F2 R ⋅  | AB |  = F1 R ⋅  | AB |  ; 
 | AC |  | BC |  = F2 R ⋅  | AB |  / F1 R ⋅  | AB |  = F2 F1   ; 
→rC  = →rA  + →AC = →rA  +  | AC |  | AB |  →BA =  RR →rA  + F2 R ⋅ (→rA  – →rB ) = 
 (R + F2 ) ⋅ →rA  – F2  ⋅ →rB R =  F1  ⋅ →rA  – F2  ⋅ →rB F1  – F2   . 

Вывод общей формулы

Пусть две параллельные силы →F1  и →F2  приложены к твердому телу в точках A и B. Найдем равнодействующую →R и точку ее приложения C, применяя уравнения (3.1) и (3.3).

Вектор равнодействующей равен сумме векторов сил, действующих на тело:
→R = →F1  + →F2  . 
По условию, →F1  + →F2  ≠ 0 .  То есть абсолютная величина равнодействующей отлична от нуля: R ≠ 0 . 

Найдем точку приложения C равнодействующей →R из уравнения моментов (3.3). Для этого выберем прямоугольную систему координат с началом в произвольной точке O. Тогда момент равнодействующей относительно начала координат O должен равняться сумме моментов сил →F1  и →F2  относительно этой точки:
(6.1)   [→rC  × →R ] = [→rA  × →F1 ] + [→rB  × →F2 ] . 
Здесь →rA ,  →rB ,  →rC  – радиус векторы точек A, B и C. То есть векторы, проведенные из начала системы координат O к этим точкам.

При R ≠ 0 можно ввести единичный вектор →nR  ,  направленный вдоль равнодействующей:
→nR  = →RR  . 
Введем проекции векторов →F1  и →F2  на направление →nR   : 
F1R  = (→F1  ⋅ →nR ) = (→F1  ⋅ →R )R  , 
F2R  = (→F2  ⋅ →nR ) = (→F2  ⋅ →R )R  . 
Поскольку все силы параллельны, то
F1R  = ± F1 ,  F2R  = ± F2  . 
Тогда
→F1  = F1R →RR ,  →F2  = F2R →RR  ; 
[→rA  × →F1 ] + [→rB  × →F2 ] =  [ →rA  × F1R →RR  ] + [ →rB  × F2R →RR  ] = 
 [ →rA F1R R × →R  ] + [ →rB F2R R × →R  ] =  [ F1R  ⋅ →rA  + F2R  ⋅ →rB R × →R  ] . 
Подставляем в (6.1).
[→rC  × →R ] =  [ F1R  ⋅ →rA  + F2R  ⋅ →rB R × →R  ] . 
Отсюда
(6.2)   →rC  = F1R  ⋅ →rA  + F2R  ⋅ →rB R + γ→R , 
где γ – произвольная постоянная.

Формула (6.2) определяет линию действия равнодействующей. При γ = 0 получаем:
(6.3)   →rC  = F1R  ⋅ →rA  + F2R  ⋅ →rB R  . 
Покажем, что →rC  из (6.3) определяет точку в пространстве. Для этого нужно доказать, что →rC  является радиус-вектором (см. Что такое радиус-вектор).
1. Поскольку →rC  равен сумме векторов →rA  и →rB  ,  умноженных на постоянные коэффициенты, то →rC  является вектором.
2. Выполним параллельный перенос системы координат. Пусть ее начало переместится из точки O в O′. Тогда компоненты всех радиус-векторов преобразуются по одному закону:
→rA  = →OO ′ + →r ′A ; 
→rB  = →OO ′ + →r ′B . 
Покажем, что и →rC  преобразуется по этому закону:
→rC  = F1R  ⋅ →rA  + F2R  ⋅ →rB R =  F1R (→OO ′ + →r ′A ) + F2R (→OO ′ + →r ′B )R = 
 →OO ′ ⋅ F1R  + F2R R +  F1R  ⋅ →r ′A + F2R  ⋅ →r ′BR =  →OO ′ ⋅ RR + →r ′C = →OO ′ + →r ′C ; 
→rC  = →OO ′ + →r ′C . 
→rC  также преобразуется по этому закону. Поэтому является радиус-вектором, то есть определяет положение точки в пространстве.

Доказательства с помощью аксиом статики

Теперь найдем равнодействующую, используя аксиомы статики. Суть аксиом заключается в том, что силы, приложенные к твердому телу, являются скользящими векторами. То есть силы, приложенные к одной точке можно складывать по правилу параллелограмма, и точку приложения силы можно перемещать вдоль ее линии действия.

Мы сразу можем упростить задачу, если переместим точки приложения A и B сил →F1 ,  →F2  так, чтобы прямая, проходящая через точки приложения была перпендикулярна направлению сил: AB⊥→F1  .  После того как мы найдем точку приложения C равнодействующей →R ,  мы также можем переместить ее вдоль линии действия равнодействующей. В результате все формулы, полученные для случая AB⊥→F1  ,  будут применимы и для произвольно расположенных точек A и B.

Две силы одного направления

Преобразование двух сонаправленных сил, используя аксиомы статики
Преобразование двух сонаправленных сил.

1. Переместим точки приложения параллельных сил →F1  и →F2  вдоль их линий действия в точки A и B так, чтобы AB⊥→F1  . 
2. Добавим систему взаимно уравновешивающихся сил →N1  и →N2  ,  приложенных к точкам A и B. Они равны по абсолютной величине, противоположны по направлению, и их линии действия совпадают с прямой AB. В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из →F1 ,  →N1  ,  приложенных к A, и →F2 ,  →N2  ,  приложенных к B.
3. Сложим силы →F1  и →N1  по правилу параллелограмма: →Q1  = →F1  + →N1  .  Тоже самое проделаем с →F2  и →N2   :  →Q2  = →F2  + →N2  .  В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из →Q1  и →Q2  ,  приложенных к точкам A и B, соответственно. Эти силы составляют углы α и β с прямой AB, причем:
(7.1)   tg α = F1  / N,  tg β = F2  / N , 
где N = N1  = N2  – абсолютная величина сил →N1  и →N2  . 
4. Найдем точку D пересечения линий действия сил →Q1  и →Q2  ,  и перенесем точки приложения этих сил в D. В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из →Q1  и →Q2  ,  приложенных к точке D.
5. Сложим →Q1  и →Q2  по правилу параллелограмма. В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из одной равнодействующей силы →R .  Легко показать, что →R = →F1  + →F2   : 
→R = →Q1  + →Q2  =  →F1  + →N1  + →F2  + →N2  =  →F1  + →N1  + →F2  – →N1  = →F1  + →F2  . 
Поскольку силы →F1  и →F2  перпендикулярны AB, то равнодействующая →R также перпендикулярна AB.
6. Наконец, перенесем точку приложения равнодействующей →R вдоль ее линии действия в точку C, чтобы точки A, B и C располагались на одной прямой. Применяя (7.1), из прямоугольников ACD и BCD находим:
 | CD |  =  | AC |  tg α =  | BC |  tg β ; 
 | AC |  ⋅ F1  / N =  | BC |  ⋅ F2  / N ; 
 | AC |  | BC |  = F2 F1   ; 
 | AC |  =  | AC |  | AB |   | AB |  =   | AC |  | AC |  +  | BC |   | AB |  =   | AC |  /  | BC |  | AC |  /  | BC |  + 1  | AB |  = 
 F2  / F1 F2  / F1  + 1  | AB |  =  F2 F2  + F1   | AB |  = F2 R  | AB |  ; 
 | BC |  = F1 F2   | AC |  =  F1 F2  ⋅ F2 R  | AB |  = F1 R  | AB |  ; 
→rC  = →rA  + →AC = →rA  +  | AC |  | AB |  →AB =  RR →rA  + F2 R →AB = 
 F1  + F2 R →rA  + F2 R (→rB  – →rA ) =  F1 →rA  + F2 →rB F1  + F2   . 

Две противоположно направленные силы

Преобразование двух противоположно направленных сил, используя аксиомы статики
Преобразование двух противоположно направленных сил.

1. Переместим точки приложения сил →F1  и →F2  вдоль их линий действия в точки A и B так, чтобы AB⊥→F1  . 
2. Добавим систему взаимно уравновешивающихся сил →N1  и →N2  ,  приложенных к точкам A и B. Эти силы равны по абсолютной величине, противоположны по направлению и их линии действия совпадают с прямой AB. В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из →F1 ,  →N1  ,  приложенных к A, и →F2 ,  →N2  ,  приложенных к B.
3. Сложим силы →F1  и →N1  по правилу параллелограмма: →Q1  = →F1  + →N1  .  Тоже самое проделаем с →F2  и →N2   :  →Q2  = →F2  + →N2  .  В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из →Q1  и →Q2  ,  приложенных к точкам A и B, соответственно. Эти силы составляют углы α,  β с прямой AB:
(8.1)   tg α = F1  / N,  tg β = F2  / N , 
где N = N1  = N2  . 
4. Найдем точку D пересечения линий действия сил →Q1  и →Q2  ,  и перенесем в D точки приложения этих сил. В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из →Q1  и →Q2  ,  приложенных к точке D.
5. Сложим →Q1  и →Q2  по правилу параллелограмма. В результате получим эквивалентную систему сил, состоящую из одной силы →R .  Легко показать, что →R = →F1  + →F2   : 
→R = →Q1  + →Q2  =  →F1  + →N1  + →F2  + →N2  =  →F1  + →N1  + →F2  – →N1  = →F1  + →F2  . 
Поскольку силы →F1  и →F2  перпендикулярны AB, то равнодействующая →R также перпендикулярна AB. Если F1  > F2  ,  то R = F1  – F2  .  Если F1  < F2  ,  то R = F2  – F1  .  В общем случае,
R =  | F1  – F2  |  . 
Далее полагаем, что F1  > F2  . 
6. Наконец, перенесем точку приложения равнодействующей →R вдоль ее линии действия в точку C, чтобы точки A, B и C располагались на одной прямой. Применяя (8.1), из прямоугольников ACD и BCD находим:
 | CD |  =  | AC |  tg α =  | BC |  tg β ; 
 | AC |  ⋅ F1  / N =  | BC |  ⋅ F2  / N ; 
 | AC |  | BC |  = F2 F1   ; 
 | AC |  =  | AC |  | AB |   | AB |  =   | AC |  | BC |  –  | AC |   | AB |  =   | AC |  /  | BC | 1 –  | AC |  /  | BC |   | AB |  = 
 F2  / F1 1 – F2  / F1   | AB |  =  F2 F1  – F2   | AB |  = F2 R  | AB |  ; 
 | BC |  =  | BC |  | AB |   | AB |  =   | BC |  | BC |  –  | AC |   | AB |  =  11 –  | AC |  /  | BC |   | AB |  = 
 11 – F2  / F1   | AB |  =  F1 F1  – F2   | AB |  = F1 R  | AB |  ; 
→rC  = →rA  + →AC = →rA  +  | AC |  | AB |  →BA =  RR →rA  + F2 R →BA = 
 F1  – F2 R →rA  + F2 R (→rA  – →rB ) =  F1 →rA  – F2 →rB F1  – F2   . 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню