Статика и динамика что это такое в механике


Кинематика, динамика и статика в физике. Что это такое?

Одним из основополагающих разделов физики является механика – дисциплина, изучающая законы, согласно которым происходит движение тел, а также изменение параметров движения в результате влияния тел друг на друга. Основными направлениями механики является изучение динамики, кинематики и статики. Подробному изучению этих наук специалисты посвящают всю жизнь, так как их положения лежат в основе наиболее важных общеинженерных дисциплин – теории механизмов, сопромата, деталей машин и др.

Что изучает теоретическая механика?

Движение и взаимодействие физических тел подчиняются строгим законам, по которым существует наша Вселенная. Описанию и обоснованию этих законов посвящена механика – раздел физики, позволяющий рассчитывать и предсказывать движение физических тел, исходя из их основных параметров и действующих на эти тела сил. В механике рассматриваются идеальные объекты:

  • материальная точка – объект, основной характеристикой которого является масса, но размеры не учитываются;
  • абсолютно твёрдое тело – заполненный веществом определённый объём, форма которого не изменяется ни при каких воздействиях, а между любыми двумя точками внутри этого объёма всегда сохраняется одно и то же расстояние;
  • сплошная деформируемая среда – состояние вещества в конечном объёме либо в неограниченном пространстве, в котором расстояния между произвольно взятыми точками могут изменяться в результате внешних воздействий.

Механика рассматривает законы движения, когда с течением времени изменяется либо положение одного тела относительно другого, либо взаимное расположение частей одного тела. Время, масса и расстояние для механики являются базовыми величинами.

Кинематика

Раздел механики, изучающий законы движения, его геометрические свойства, законы скоростей и ускорений, называется кинематикой. Название дисциплины образовано от греческого слова «κινειν», означающего движение. Кинематика изучает чистое движение с точки зрения пространства и времени, не учитывая массы физических тел и действующие на них силы. Движение в кинематике описывается исключительно математическими средствами, для чего используются алгебраические и геометрические методы, матанализ и т.д. При этом в классической кинематике не рассматриваются причины, по которым происходит механическое движение тел, а характеристики, присущие движению, считаются абсолютными, т.е. на них не влияет выбор системы отсчёта. Помимо классической, существует релятивистская механика, которая рассматривает общее понятие пространства-времени с инвариантными интервалами.

Динамика

Ещё один раздел механики, который рассматривает причины, порождающие механическое движение тел, называется динамикой. Это наименование образовано от греческого слова «δύναμις», означающего силу. Основными понятиями динамики являются масса тела, сила, которая на него воздействует, энергия, импульс и момент импульса. Основными задачами – определение силы, действующей на физическое тело, по характеру его движения, и определение характера движения, исходя из заданных сил воздействия.

Значительный вклад в развитие динамики внёс британский учёный Исаак Ньютон, сформулировавший три своих знаменитых закона, которые описывают взаимодействия сил, и фактически ставший родоначальником классической динамики. Эта дисциплина изучает закономерности движения при скоростях, ограниченных интервалом от долей одного миллиметра в секунду до десятков километров в секунду. Однако при рассмотрении движения сверхмалых объектов (элементарных частиц) и сверхвысоких скоростей, приближающихся к скорости света, законы классической динамики перестают действовать.

Статика

Законы пребывания тел и систем в равновесии при приложении к ним различных сил и моментов, изучает статика – ещё одно направление механики. Название дисциплины происходит от греческого слова «στατός», означающего неподвижность. Для статики сформулированы шесть аксиом, описывающих условия нахождения тела или системы физических тел в состоянии равновесия, а также два следствия из этих аксиом. Основным объектом в статике является тело или материальная точка, находящаяся в состоянии равновесия, т.е. неподвижно либо движется в рассматриваемой инерциальной системе координат равномерно и по прямой линии. Ограничивающими факторами для тела, находящегося в равновесии, служат внешние силы, которые на него воздействуют, а также другие тела, называемые связями.

www.vseznaika.org

Статика – раздел теоретической механики

Изложены основные понятия статики – раздела теоретической механики. Рассмотрены законы равновесия точки и тела. Представлены свойства моментов сил относительно точки и оси. Рассмотрена сила тяжести и сила распределенной нагрузки.

Статика – это раздел теоретической механики, в котором изучаются условия равновесия материальных тел, находящихся под действием сил.

Под состоянием равновесия, в статике, понимается состояние, при котором все части механической системы покоятся (относительно неподвижной системы координат). Хотя методы статики применимы и к движущимся телам, и с их помощью можно изучать задачи динамики, но базовыми объектами изучения статики являются неподвижные механические тела и системы.

Сила – это мера воздействия одного тела на другое. Сила – это вектор, имеющий точку приложения на поверхности тела. Под действием силы, свободное тело получает ускорение, пропорциональное вектору силы и обратно пропорциональное массе тела.

Закон равенства действия и противодействия

Сила, с которой первое тело действует на второе, равна по абсолютной величине и противоположна по направлению силе, с которой второе тело действует на первое.

Принцип отвердевания

Если деформируемое тело находится в равновесии, то его равновесие не нарушится, если тело считать абсолютно твердым.

Рассмотрим материальную точку, которая находится в равновесии. И пусть на нее действуют n сил  ,  k = 1, 2, ..., n.

Если материальная точка находится в равновесии, то векторная сумма действующих на нее сил равна нулю: (1)   .

В равновесии геометрическая сумма сил, действующих на точку, равна нулю.

Геометрическая интерпретация. Если в конец первого вектора поместить начало второго вектора , а в конец второго вектора поместить начало третьего , и далее продолжать этот процесс, то конец последнего, n-го вектора окажется совмещенным с началом первого вектора. То есть мы получим замкнутую геометрическую фигуру, длины сторон которой равны модулям векторов . Если все векторы лежат в одной плоскости, то мы получим замкнутый многоугольник.

Часто бывает удобным выбрать прямоугольную систему координат Oxyz. Тогда суммы проекций всех векторов сил на оси координат равны нулю:

Если выбрать любое направление, задаваемое некоторым вектором , то сумма проекций векторов сил на это направление равна нулю: . Умножим уравнение (1) скалярно на вектор : . Здесь – скалярное произведение векторов  и  . Заметим, что проекция вектора на направление вектора определяется по формуле: .

Статика твердого тела

Момент силы относительно точки

Определение момента силы

Моментом силы , приложенной к телу в точке A, относительно неподвижного центра O, называется вектор , равный векторному произведению векторов и : (2)   .
Геометрическая интерпретация

Момент силы равен произведению силы F на плечо OH.

Пусть векторы  и  расположены в плоскости рисунка. Согласно свойству векторного произведения, вектор перпендикулярен векторам  и  , то есть перпендикулярен плоскости рисунка. Его направление определяется правилом правого винта. На рисунке вектор момента направлен на нас. Абсолютное значение момента: . Поскольку  , то (3)   .

Используя геометрию, можно дать другую интерпретацию момента силы. Для этого проведем прямую AH через вектор силы  . Из цента O опустим перпендикуляр OH на эту прямую. Длину этого перпендикуляра называют плечом силы. Тогда (4)   . Поскольку , то формулы (3) и (4) эквивалентны.

Таким образом, абсолютное значение момента силы относительно центра O равно произведению силы на плечо этой силы относительно выбранного центра O.

При вычислении момента часто бывает удобным разложить силу на две составляющие: , где . Сила проходит через точку O. Поэтому ее момент равен нулю. Тогда . Абсолютное значение момента:

.

Компоненты момента в прямоугольной системе координат

Если выбрать прямоугольную систему координат Oxyz с центром в точке O, то момент силы будет иметь следующие компоненты: (5.1)   ; (5.2)   ; (5.3)   . Здесь – координаты точки A в выбранной системе координат: . Компоненты представляют собой значения момента силы относительно осей , соответственно.

Свойства момента силы относительно центра

Момент относительно центра O, от силы, проходящей через этот центр, равен нулю.

Если точку приложения силы переместить вдоль линии, проходящей через вектор силы, то момент, при таком перемещении, не изменится.

Момент от векторной суммы сил, приложенных к одной точке тела, равен векторной сумме моментов от каждой из сил, приложенных к этой же точке: .

Тоже самое относится и к силам, чьи линии продолжения пересекаются в одной точке.

Если векторная сумма сил равна нулю: , то сумма моментов от этих сил не зависит от положения центра, относительно которого вычисляются моменты:

.

Пара сил

Пара сил – это две силы, равные по абсолютной величине и имеющие противоположные направления, приложенные к разным точкам тела.

Пара сил характеризуется моментом , который они создают. Поскольку векторная сумма сил, входящих в пару равна нулю, то создаваемый парой момент не зависит от точки, относительно которой вычисляется момент. С точки зрения статического равновесия, природа сил, входящих в пару, не имеет значения. Пару сил используют для того, чтобы указать, что на тело действует момент сил, имеющий определенное значение .

Момент силы относительно заданной оси

Часто встречаются случаи, когда нам не нужно знать все компоненты момента силы относительно выбранной точки, а нужно знать только момент силы относительно выбранной оси.

Моментом силы относительно оси, проходящей через точку O – это проекция вектора момента силы, относительно точки O, на направление оси.

Свойства момента силы относительно оси

Момент относительно оси от силы, проходящей через эту ось равен нулю.

Момент относительно оси от силы, параллельной этой оси равен нулю.

Вычисление момента силы относительно оси

Момент силы относительно оси.

Пусть на тело, в точке A действует сила . Найдем момент этой силы относительно оси O′O′′.

Построим прямоугольную систему координат. Пусть ось Oz совпадает с O′O′′. Из точки A опустим перпендикуляр OH на O′O′′. Через точки O и A проводим ось Ox. Перпендикулярно Ox и Oz проводим ось Oy. Разложим силу на составляющие вдоль осей системы координат: . Сила пересекает ось O′O′′. Поэтому ее момент равен нулю. Сила параллельна оси O′O′′. Поэтому ее момент также равен нулю. По формуле (5.3) находим: .

Заметим, что компонента направлена по касательной к окружности, центром которой является точка O. Направление вектора определяется правилом правого винта.

Условия равновесия твердого тела

В равновесии векторная сумма всех действующих на тело сил равна нулю и векторная сумма моментов этих сил относительно произвольного неподвижного центра равна нулю: (6.1)   ; (6.2)   .

Подчеркнем, что центр O, относительно которого вычисляются моменты сил можно выбирать произвольным образом. Точка O может, как принадлежать телу, так и находится за его пределами. Обычно центр O выбирают так, чтобы сделать вычисления более простыми.

Условия равновесия можно сформулировать и другим способом.

В равновесии сумма проекций сил на любое направление, задаваемое произвольным вектором , равна нулю: . Также равна нулю сумма моментов сил относительно произвольной оси O′O′′: .

Иногда такие условия оказываются более удобными. Бывают случаи, когда за счет выбора осей, можно сделать вычисления более простыми.

Центр тяжести тела

Рассмотрим одну из важнейших сил – силу тяжести. Здесь силы не приложены в определенных точках тела, а непрерывно распределены по его объему. На каждый участок тела с бесконечно малым объемом ΔV, действует сила тяготения . Здесь ρ – плотность вещества тела, – ускорение свободного падения.

Пусть – масса бесконечно малого участка тела. И пусть точка Ak определяет положение этого участка. Найдем величины, относящиеся к силе тяжести, которые входят в уравнения равновесия (6).

Найдем сумму сил тяжести, образованную всеми участками тела: , где – масса тела. Таким образом, сумму сил тяжести отдельных бесконечно малых участков тела можно заменить одним вектором силы тяжести всего тела: .

Найдем сумму моментов сил тяжести, относительно произвольным способом выбранного центра O: . Здесь мы ввели точку C, которая называется центром тяжести тела. Положение центра тяжести, в системе координат с центром в точке O, определяется по формуле: (7)   .

Итак, при определении статического равновесия, сумму сил тяжести отдельных участков тела можно заменить равнодействующей , приложенной к центру масс тела C, положение которого определяется формулой (7).

Положение центра тяжести для различных геометрических фигур можно найти в соответствующих справочниках. Если тело имеет ось или плоскость симметрии, то центр тяжести расположен на этой оси или плоскости. Так, центры тяжести сферы, окружности или круга находятся в центрах окружностей этих фигур. Центры тяжести прямоугольного параллелепипеда, прямоугольника или квадрата также расположены в их центрах – в точках пересечения диагоналей.

Распределенная нагрузка

Равномерно (А) и линейно (Б) распределенная нагрузка.

Также встречаются подобные силе тяжести случаи, когда силы не приложены в определенных точках тела, а непрерывно распределены по его поверхности или объему. Такие силы называют распределенными силами или распределенными нагрузками.

Равномерно распределенная нагрузка q (рисунок А). Также, как и в случае с силой тяжести, ее можно заменить равнодействующей силой величины , приложенной в центре тяжести эпюры. Поскольку на рисунке А эпюра представляет собой прямоугольник, то центр тяжести эпюры находится в ее центре – точке C: |AC| = |CB|.

Линейно распределенная нагрузка q (рисунок В). Ее также можно заменить равнодействующей. Величина равнодействующей равна площади эпюры: . Точка приложения находится в центре тяжести эпюры. Центр тяжести треугольника, высотой h, находится на расстоянии от основания. Поэтому .

Силы трения

Трение скольжения. Пусть тело находится на плоской поверхности. И пусть – сила, перпендикулярная поверхности, с которой поверхность действует на тело (сила давления). Тогда сила трения скольжения параллельна поверхности и направлена в сторону, препятствуя движению тела. Ее наибольшая величина равна: , где f – коэффициент трения. Коэффициент трения является безразмерной величиной.

Трение качения. Пусть тело округлой формы катится или может катиться по поверхности. И пусть – сила давления, перпендикулярная поверхности, с которой поверхность действует на тело. Тогда на тело, в точке соприкосновения с поверхностью, действует момент сил трения, препятствующий движению тела. Наибольшая величина момента трения равна: , где δ – коэффициент трения качения. Он имеет размерность длины.

Использованная литература: С. М. Тарг, Краткий курс теоретической механики, «Высшая школа», 2010.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано: 03-10-2017

1cov-edu.ru

Теоретическая механика. В помощь студенту

Теоретическая механика – это раздел механики, в котором излагаются основные законы механического движения и механического взаимодействия материальных тел.

Теоретическая механика является наукой, в которой изучаются перемещения тел с течением времени (механические движения). Она служит базой других разделов механики (теория упругости, сопротивление материалов, теория пластичности, теория механизмов и машин, гидроаэродинамика) и многих технических дисциплин.

Механическое движение — это изменение с течением времени взаимного положения в пространстве материальных тел.

Механическое взаимодействие – это такое взаимодействие, в результате которого изменяется механическое движение или изменяется взаимное положение частей тела.

Статика твердого тела

Статика — это раздел теоретической механики, в котором рассматриваются задачи на равновесие твердых тел и преобразования одной системы сил в другую, ей эквивалентную.

    Основные понятия и законы статики
  • Абсолютно твердое тело (твердое тело, тело) – это материальное тело, расстояние между любыми точками в котором не изменяется.
  • Материальная точка – это тело, размерами которого по условиям задачи можно пренебречь.
  • Свободное тело – это тело, на перемещение которого не наложено никаких ограничений.
  • Несвободное (связанное) тело – это тело, на перемещение которого наложены ограничения.
  • Связи – это тела, препятствующие перемещению рассматриваемого объекта (тела или системы тел).
  • Реакция связи — это сила, характеризующая действие связи на твердое тело. Если считать силу, с которой твердое тело действует на связь, действием, то реакция связи является противодействием. При этом сила — действие приложена к связи, а реакция связи приложена к твердому телу.
  • Механическая система – это совокупность взаимосвязанных между собой тел или материальных точек.
  • Твердое тело можно рассматривать как механическую систему, положения и расстояние между точками которой не изменяются.
  • Сила – это векторная величина, характеризующая механическое действие одного материального тела на другое. Сила как вектор характеризуется точкой приложения, направлением действия и абсолютным значением. Единица измерения модуля силы – Ньютон.
  • Линия действия силы – это прямая, вдоль которой направлен вектор силы.
  • Сосредоточенная сила – сила, приложенная в одной точке.
  • Распределенные силы (распределенная нагрузка) – это силы, действующие на все точки объема, поверхности или длины тела. Распределенная нагрузка задается силой, действующей на единицу объема (поверхности, длины).

    Размерность распределенной нагрузки – Н/м3 (Н/м2, Н/м).

  • Внешняя сила – это сила, действующая со стороны тела, не принадлежащего рассматриваемой механической системе.
  • Внутренняя сила – это сила, действующая на материальную точку механической системы со стороны другой материальной точки, принадлежащей рассматриваемой системе.
  • Система сил – это совокупность сил, действующих на механическую систему.
  • Плоская система сил – это система сил, линии действия которых лежат в одной плоскости.
  • Пространственная система сил – это система сил, линии действия которых не лежат в одной плоскости.
  • Система сходящихся сил – это система сил, линии действия которых пересекаются в одной точке.
  • Произвольная система сил – это система сил, линии действия которых не пересекаются в одной точке.
  • Эквивалентные системы сил – это такие системы сил, замена которых одна на другую не изменяет механического состояния тела. Принятое обозначение: .
  • Равновесие – это состояние, при котором тело при действии сил остается неподвижным или движется равномерно прямолинейно.
  • Уравновешенная система сил – это система сил, которая будучи приложена к свободному твердому телу не изменяет его механического состояния (не выводит из равновесия). .
  • Равнодействующая сила – это сила, действие которой на тело эквивалентно действию системы сил. .
  • Момент силы – это величина, характеризующая вращающую способность силы.
  • Пара сил – это система двух параллельных равных по модулю противоположно направленных сил. Принятое обозначение: . Под действием пары сил тело будет совершать вращательное движение.
  • Проекция силы на ось – это отрезок, заключенный между перпендикулярами, проведенными из начала и конца вектора силы к этой оси. Проекция положительна, если направление отрезка совпадает с положительным направлением оси.
  • Проекция силы на плоскость – это вектор на плоскости, заключенный между перпендикулярами, проведенными из начала и конца вектора силы к этой плоскости.
  • Закон 1 (закон инерции). Изолированная материальная точка находится в покое либо движется равномерно и прямолинейно. Равномерное и прямолинейное движение материальной точки является движением по инерции. Под состоянием равновесия материальной точки и твердого тела понимают не только состояние покоя, но и движение по инерции. Для твердого тела существуют различные виды движения по инерции, например равномерное вращение твердого тела вокруг неподвижной оси.
  • Закон 2. Твердое тело находится в равновесии под действием двух сил только в том случае, если эти силы равны по модулю и направлены в противоположные стороны по общей линии действия. Эти две силы называются уравновешивающимися.

    Вообще силы называются уравновешивающимися, если твердое тело, к которому приложены эти силы, находится в покое.

  • Закон 3. Не нарушая состояния (слово «состояние» здесь означает состояние движения или покоя) твердого тела, можно добавлять и отбрасывать уравновешивающиеся силы. Следствие. Не нарушая состояния твердого тела, силу можно переносить по ее линии действия в любую точку тела. Две системы сил называются эквивалентными, если одну из них можно заменить другой, не нарушая состояния твердого тела.
  • Закон 4. Равнодействующая двух сил, приложенных в одной точке, приложена в той же точке, равна по модулю диагонали параллелограмма, построенного на этих силах, и направлена вдоль этой диагонали. По модулю равнодействующая равна:

  • Закон 5 (закон равенства действия и противодействия). Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и направлены в противоположные стороны по одной прямой. Следует иметь в виду, что действие — сила, приложенная к телу Б, и противодействие — сила, приложенная к телу А, не уравновешиваются, так как они приложены к разным телам.
  • Закон 6 (закон отвердевания). Равновесие нетвердого тела не нарушается при его затвердевании. Не следует при этом забывать, что условия равновесия, являющиеся необходимыми и достаточными для твердого тела, являются необходимыми, но недостаточными для соответствующего нетвердого тела.
  • Закон 7 (закон освобождаемости от связей). Несвободное твердое тело можно рассматривать как свободное, если его мысленно освободить от связей, заменив действие связей соответствующими реакциями связей.
    Связи и их реакции
  • Гладкая поверхность ограничивает перемещение по нормали к поверхности опоры. Реакция направлена перпендикулярно поверхности.
  • Шарнирная подвижная опора ограничивает перемещение тела по нормали к опорной плоскости. Реакция направлена по нормали к поверхности опоры.
  • Шарнирная неподвижная опора противодействует любому перемещению в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
  • Шарнирный невесомый стержень противодействует перемещению тела вдоль линии стержня. Реакция будет направлена вдоль линии стержня.
  • Глухая заделка противодействует любому перемещению и вращению в плоскости. Ее действие можно заменить силой, представленной в виде двух составляющих и парой сил с моментом.
    Момент силы относительно точки
  • Абсолютное значение момента равно произведению модуля силы на кратчайшее расстояние h от центра вращения до линии действия силы. Расстояние h называют плечом силы.
  • Момент считают положительным, если сила стремится вращать плечо h против хода часовой стрелки и отрицательным при вращении по ходу часовой стрелки.
  • Свойства момента силы относительно точки: 1) Момент силы не изменится при переносе точки приложения силы вдоль линии действия силы. 2) Момент силы равен нулю, если линия действия силы проходит через точку приложения силы. 3) Момент равнодействующей силы относительно точки равен сумме моментов слагаемых сил относительно этой точки.

    ,

    где
    Момент силы относительно оси
  • Момент силы относительно оси — это момент проекции этой силы на плоскость, перпендикулярную оси, относительно точки пересечения оси с плоскостью. Момент считается положительным, если с положительного конца оси поворот, который сила стремится совершить, виден происходящим против хода часовой стрелки, и отрицательным – если по ходу часовой стрелки.

  • Чтобы найти момент силы относительно оси, нужно: 1) Провести плоскость перпендикулярную оси z. 2) Спроецировать силу на эту плоскость и вычислить величину проекции . 3) Провести плечо h из точки пересечения оси с плоскостью на линию действия проекции силы и вычислить его длину. 4) Найти произведение этого плеча и проекции силы с соответствующим знаком.
  • Свойства момента силы относительно оси. Момент силы относительно оси равен нулю, если:

    1) , то есть сила параллельна оси.

    2) h=0, то есть линия действия силы пересекает ось.
    Момент пары сил
  • Момент пары сил равен произведению одной силы на кратчайшее расстояние между линиями действия сил пары, которое называется плечом пары (пара сил оказывает на тело вращающее действие) , где: — силы, составляющие пару; h — плечо пары. Момент пары считают положительным, если силы стремятся вращать плечо против хода часовой стрелки.
  • Свойства пары сил. 1) Сумма проекций сил пары на любую ось равна нулю. 2) Не изменяя момента пары можно одновременно соответственно изменять значение сил и плечо пары.

    3) Пару можно переносить в плоскости ее действия при этом действие пары на тело не изменится.

    Преобразование сходящейся системы сил
  • Равнодействующая двух сходящихся сил находится на основании аксиомы о параллелограмме сил. Геометрическая сумма любого числа сходящихся сил может быть определена путем последовательного сложения двух сил – способ векторного многоугольника.

    Вывод: система сходящихся сил () приводится к одной равнодействующей силе .

  • Аналитически равнодействующая сила может быть определена через ее проекции на оси координат: Согласно теореме: проекция равнодействующей на ось равна сумме проекций слагаемых сил на эту ось: , или в общем виде С учетом равнодействующая определяется выражением: .
  • Направление вектора равнодействующей определяется косинусами углов между вектором и осями x, y, z:
    Преобразование произвольной системы сил
  • Теорема: силу, приложенную к твердому телу, можно, не изменяя оказываемого ею действия, перенести параллельно в другую точку тела, прибавляя при этом пару сил с моментом, равным моменту переносимой силы относительно точки, в которую она переносится. В результате указанного преобразования получается сходящаяся система сил и сумма моментов пар сил. Действие сходящейся системы сил заменяют действием суммарной силы, действие моментов — суммарным моментом.

    Суммарный вектор — это главный вектор системы сил.

    Суммарный момент — это главный момент системы сил. Вывод: произвольная система сил в результате тождественного преобразования приводится к главному вектору и главному моменту системы сил.
  • Аналитически главный вектор и главный момент системы сил могут быть определены через их проекции на оси координат: ,
    Условия равновесия систем сил
  • Равновесие системы сходящихся сил Действие системы сходящихся сил эквивалентно действию одной равнодействующей силы.

    Для равновесия тела необходимо и достаточно, чтобы равнодействующая равнялась нулю .

    Из формулы следует, что для равновесия пространственной системы сходящихся сил необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций всех сил на оси X,Y,Z равнялась нулю:
  • Для равновесия плоской сходящейся системы сил необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций всех сил на оси X,Y равнялась нулю:
    Равновесие произвольной системы сил.
  • Действие произвольной системы сил эквивалентно действию главного вектора и главного момента. Для равновесия необходимо и достаточно выполнения условия: .
  • Для равновесия произвольной системы сил необходимо и достаточно, чтобы суммы проекций всех сил на оси X,Y,Z и суммы моментов всех сил относительно осей X,Y,Z равнялись нулю:
  • Для равновесия плоской произвольной системы сил необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций главного вектора на оси X,Y, и алгебраическая сумма моментов сил относительно центра О были равны нулю:

Кинематика

Кинематика — раздел теоретической механики, в котором рассматриваются общие геометрические свойства механического движения, как процесса, происходящего в пространстве и во времени. Движущиеся объекты рассматривают как геометрические точки или геометрические тела.

    Основные понятия кинематики
  • Закон движения точки (тела) – это зависимость положения точки (тела) в пространстве от времени.
  • Траектория точки – это геометрическое место положений точки в пространстве при ее движении.
  • Скорость точки (тела) – это характеристика изменения во времени положения точки (тела) в пространстве.
  • Ускорение точки (тела) – это характеристика изменения во времени скорости точки (тела).
    Способы задания движения точки
  • Задать движение точки — значит задать изменение ее положения по отношению к выбранной системе отсчета. Существуют три основные системы отсчета: векторная, координатная, естественная.
  • В векторной системе положение точки относительно начала отсчета задается радиус-вектором. Закон движения: .
  • В системе координат OXYZ положение точки задается тремя координатами X, Y, Z. Закон движения: x = x(t), y = y(t); z = z(t).
  • В естественной системе отсчета положение точки задается расстоянием S от начала отсчета до этой точки вдоль траектории. Закон движения: . Движение точки, при естественном способе задания движения, определено если известны: 1) Траектория движения. 2) Начало и направление отсчета дуговой координаты. 3) Уравнение движения. При естественном способе задания движения, в отличии от других способов, используются подвижные координатные оси, движущиеся вместе с точкой по траектории. Такими осями являются:

    Касательная (τ) – направлена в сторону возрастания дуговой координаты по касательной к траектории.

    Главная нормаль (n) – направлена в сторону вогнутости кривой. Бинормаль (b) – направлена перпендикулярно к осям τ, n.
    Определение кинематических характеристик точки
  • Траектория точки В векторной системе отсчета траектория описывается выражением: . В координатной системе отсчета траектория определяется по закону движения точки и описывается выражениями z = f(x,y) — в пространстве, или y = f(x) – в плоскости. В естественной системе отсчета траектория задается заранее.
  • Определение скорости точки в векторной системе координат При задании движения точки в векторной системе координат отношение перемещения к интервалу времени называют средним значением скорости на этом интервале времени: . Принимая интервал времени бесконечно малой величиной, получают значение скорости в данный момент времени (мгновенное значение скорости): . Вектор средней скорости направлен вдоль вектора в сторону движения точки, вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории в сторону движения точки. Вывод: скорость точки – векторная величина, равная производной от закона движения по времени. Свойство производной: производная от какой либо величины по времени определяет скорость изменения этой величины.
  • Определение скорости точки в координатной системе отсчета Скорости изменения координат точки:

    .

    Модуль полной скорости точки при прямоугольной системе координат будет равен:

    .

    Направление вектора скорости определяется косинусами направляющих углов:

    ,

    где — углы между вектором скорости и осями координат.
  • Определение скорости точки в естественной системе отсчета Скорость точки в естественной системе отсчета определяется как производная от закона движения точки: . Согласно предыдущим выводам вектор скорости направлен по касательной к траектории в сторону движения точки и в осях определяется только одной проекцией .
    Ускорение точки
  • По определению ускорение характеризует изменение скорости, то есть скорость изменения скорости.
  • Ускорения точки в векторной системе отсчета На основании свойства производной:

    .

    Вектор скорости может изменяться по модулю и направлению.

    Вектор ускорения направлен по линии приращения вектора скорости, т. е. в сторону искривления траектории.

  • Ускорение точки в координатной системе отсчета Ускорение изменения координат точки равно производной по времени от скоростей изменения этих координат:

    .

    Полное ускорение в прямоугольной системе координат будет определяться выражением:

    .

    Направляющие косинусы вектора ускорения:

    .

  • Ускорение точки в естественной системе отсчета Приращение вектора скорости можно разложить на составляющие, параллельные осям естественной системы координат: . Разделив левую и правую части равенства на dt, получим: , где — тангенциальное ускорение; — нормальное ускорение; R — радиус кривизны траектории в окрестности точки.
    Кинематика твердого тела
  • В кинематике твердых тел решаются две основные задачи: 1) задание движения и определение кинематических характеристик тела в целом;

    2) определение кинематических характеристик точек тела.

  • Поступательное движение твердого тела Поступательное движение — это движение, при котором прямая, проведенная через две точки тела, остается параллельной ее первоначальному положению.

    Теорема: при поступательном движении все точки тела движутся по одинаковым траекториям и имеют в каждой момент времени одинаковые по модулю и направлению скорости и ускорения.

    Вывод: поступательное движение твердого тела определяется движением любой его точки, в связи с чем, задание и изучение его движения сводится к кинематике точки.
  • Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси — это движение твердого тела, при котором две точки, принадлежащие телу, остаются неподвижными в течение всего времени движения.

    Положение тела определяется углом поворота . Единица измерения угла – радиан. (Радиан — центральный угол окружности, длина дуги которого равна радиусу, полный угол окружности содержит 2π радиана.)

    Закон вращательного движения тела вокруг неподвижной оси . Угловую скорость и угловое ускорение тела определим методом дифференцирования:

    — угловая скорость, рад/с;

    — угловое ускорение, рад/с². Если рассечь тело плоскостью перпендикулярной оси, выбрать на оси вращения точку С и произвольную точку М, то точка М будет описывать вокруг точки С окружность радиуса R. За время dt происходит элементарный поворот на угол , при этом точка М совершит перемещение вдоль траектории на расстояние . Модуль линейной скорости:

    .

    Ускорение точки М при известной траектории определяется по его составляющим : , где . В итоге, получаем формулы

    тангенциальное ускорение: ;

    нормальное ускорение: .
    Плоско-параллельное движение твердого тела
  • Плоско-параллельное движение твердого тела — это движение твердого тела, при котором все его точки перемещаются в плоскостях, параллельных одной неподвижной плоскости. Движение сечения S в своей плоскости можно рассматривать как сложное, состоящее из двух элементарных движений: 1) поступательного и вращательного;

    2) вращательного относительно подвижного (мгновенного) центра.

  • В первом варианте движение сечения может быть задано уравнениями движения одной его точки (полюса) и вращением сечения вокруг полюса. В качестве полюса может быть принята любая точка сечения. Уравнения движения запишутся в виде:

    .

    Ускорение точки движущейся плоской фигуры складывается из ускорения полюса относительно неподвижной системы отсчета и ускорения за счет вращательного движения вокруг полюса.

  • Во втором варианте движение сечения рассматривается как вращательное вокруг подвижного (мгновенного) центра P. В этом случае скорость любой точки В сечения будет определяться по формуле для вращательного движения: . Угловая скорость вокруг мгновенного центра Р может быть определена если известна скорость какой либо точки сечения, например точки А. .
  • Положение мгновенного центра вращения может быть определено на основании следующих свойств: 1) вектор скорости точки перпендикулярен радиусу;

    2) модуль скорости точки пропорционален расстоянию от точки до центра вращения ();

    3) скорость в центре вращения равна нулю.
  • Теорема: проекции скоростей двух точек твердого тела на прямую, проведенную через эти точки, равны между собой и одинаково направлены. Доказательство: расстояние АВ изменяться не может, следовательно, не может быть больше или меньше . Вывод: .
    Сложное движение точки
  • Относительное движение — это движение точки относительно подвижной системы. Переносное движение — это движение точки вместе с подвижной системой. Абсолютное движение — это движение точки относительно неподвижной системы. Соответственно называют скорости и ускорения:

    — относительные;

    — переносные; — абсолютные.
  • Абсолютная скорость точки равна векторной сумме относительной и переносной скоростей (согласно теореме о сложении скоростей): . Абсолютное значение скорости определяется по теореме косинусов:

    .

  • Ускорение по правилу параллелограмма определяется только при поступательном переносном движении . .
  • При непоступательном переносном движении появляется третья составляющая ускорения, называемое поворотным или кориолисовым. , где . Кориолисово ускорение численно равно:

    ,

    где – угол между векторами и . Направление вектора кориолисова ускорения удобно определять по правилу Н.Е. Жуковского: вектор спроектировать на плоскость, перпендикулярную оси переносного вращения, проекцию повернуть на 90 градусов в сторону переносного вращения. Полученное направление будет соответствовать направлению кориолисова ускорения.

Динамика

Динамика — это раздел теоретической механики, в котором изучаются механические движении материальных тел в зависимости от причин, их вызывающих.

    Основные понятия динамики
  • Инерционность — это свойство материальных тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока внешние силы не изменят этого состояния.
  • Масса — это количественная мера инерционности тела. Единица измерения массы — килограмм (кг).
  • Материальная точка — это тело, обладающее массой, размерами которого при решении данной задачи пренебрегают.
  • Центр масс механической системы — геометрическая точка, координаты которой определяются формулами: где mk, xk, yk, zk — масса и координаты k-той точки механической системы, m — масса системы. В однородном поле тяжести положение центра масс совпадает с положением центра тяжести.
  • Момент инерции материального тела относительно оси – это количественная мера инертности при вращательном движении. Момент инерции материальной точки относительно оси равен произведению массы точки на квадрат расстояния точки от оси:

    .

    Момент инерции системы (тела) относительно оси равен арифметической сумме моментов инерции всех точек:

  • Сила инерции материальной точки — это векторная величина, равная по модулю произведению массы точки на модуль ускорения и направленная противоположно вектору ускорения:
  • Сила инерции материального тела — это векторная величина, равная по модулю произведению массы тела на модуль ускорения центра масс тела и направленная противоположно вектору ускорения центра масс: , где — ускорение центра масс тела.
  • Элементарный импульс силы — это векторная величина , равная произведению вектора силы на бесконечно малый промежуток времени dt: . Полный импульс силы за Δt равен интегралу от элементарных импульсов:

    .

  • Элементарная работа силы — это скалярная величина dA, равная скалярному произведению вектора силы на бесконечно малое перемещение . Скалярное произведение векторов равно произведению их модулей на косинус угла между направлениями векторов:

    ,

    где α — угол между направлениями векторов перемещения и силы.
  • Работа силы на конечном перемещении точки её приложения равна интегралу от элементарной работы, взятому по перемещению: . Единица измерения работы — Джоуль (1 Дж = 1 Н·м).
  • Количество движения материальной точки — это векторная величина , равная произведению массы m на её скорость : .
  • Количество движения механической системы равно векторной сумме количества движения её точек. или , где m — масса механической системы, — вектор скорости центра масс системы.
  • Кинетическая энергия материальной точки — это скалярная величина Т, равная половине произведения массы точки на квадрат её скорости: .
  • Кинетическая энергия механической системы равна сумме кинетических энергий всех её точек: .
    Аксиомы динамики
  • Первая аксиома — это закон инерции. Если на свободную материальную точку не действуют никакие силы или действует уравновешенная система сил, то точка будет находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.
  • Вторая аксиома — закон пропорциональности ускорения. Ускорение, сообщаемое материальной точке действующей на неё силой, пропорционально этой силе и по направлению совпадает с направлением силы: — это основной закон динамики.
  • Третья аксиома — это закон противодействия. Силы, с которыми действуют друг на друга две материальные точки, равны по модулю и направлены вдоль прямой, соединяющей эти точки, в противоположные стороны:

    .

  • Четвертая аксиома — закон независимости действия сил. При действии на материальную точку системы сил полное ускорение этой точки равно геометрической сумме ускорений от действия каждой силы:

    Дифференциальные уравнения динамики
  • Дифференциальные уравнения движения точки связывают ускорение точки с действующими на нее силами. Фактически дифференциальные уравнения являются записью основного закона динамики в явной дифференциальной форме. Для абсолютного движения точки (движение в инерциальной системе отсчета) дифференциальное уравнение имеет вид:

    .

  • Векторное уравнение может быть записано в проекциях на оси прямоугольной инерциальной системы координат:
  • При известной траектория движения точки уравнение может быть записано в проекциях на оси естественной системы координат: С учетом того, что , где — тангенциальное ускорение; — нормальное ускорение, уравнения примут вид:

    Общие теоремы динамики
  • Общие теоремы динамики устанавливают зависимость между мерами механического движения и механического взаимодействия. Выводы теорем являются результатом тождественного преобразования основного закона динамики.
  • Теорема об изменении количества движения: изменение количества движения материальной точки (механической системы) за конечный промежуток времени равно сумме импульсов внешних сил за тот же промежуток времени — для материальной точки; — для механической системы.
  • Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии точки (механической системы) при её перемещении равно сумме работ всех действующих внешних сил на этом перемещении — для материальной точки; — для механической системы.
  • Кинетическая энергия механической системы определяется в соответствии с , при этом для твердых тел выведены следующие зависимости: — при поступательном движении тела; — при вращательном движении тела; — при плоско-параллельном движении тела.
  • Момент инерции цилиндра относительно его оси: .
  • Момент инерции стержня относительно оси z: .
  • Момент инерции прямоугольной пластины относительно осей х и y: .
  • Момент инерции шара определяется по формуле: .
  • Работа силы тяжести: , где P — сила тяжести; h — изменение положения тела по вертикали.
  • Работа силы при вращательном движении тела , где M — момент силы, w — угловая скорость тела. Следует иметь в виду, что работа, как скалярная величина, может быть положительной или отрицательной. Работа будет положительной если направление действия силы совпадает с направлением движения.
    Принцип Даламбера
  • Формулировка принципа Даламбера: если в любой момент времени к действующим на точку силам присоединить силы инерции, то полученная система сил будет уравновешенной: .
  • Для механической системы: .

Примеры решения задач

Решение примеров по теме: «Статика твердого тела»

Пример 1. Условия равновесия

Висящий на нити, под углом в сорок пять градусов к гладкой стене шар весом в десять Ньютон, находится в состоянии равновесия (рис. а). Необходимо определить давление однородного шара на гладкую стенку и натяжение нити.

Дано: P = 10 Н; α = 45° Найти: N, T — ?

Решение. Отбрасываем связи, а их действие на шар заменяем реакциями.

Реакция стенки N направлена перпендикулярно стенке (от точки касания С к центру шара О), реакция нити Т — вдоль нити от точки А к точке В.

Тем самым выявляется полная система сил, приложенных к покоящемуся шару.

Это система сил, сходящихся в центре О шара, и состоящая из веса шара Р (активная сила), реакции стенки N и реакции нити Т (рис. б).

Реакции N и Т по величине неизвестны. Для их определения следует воспользоваться условиями равновесия (в той или иной форме — геометрической, аналитической).

При геометрическом способе решения строится замкнутый многоугольник сил и используются соотношения школьной геометрии (теорема синусов, теорема косинусов, теорема Пифагора и т.д.).

В данном случае это замкнутый силовой треугольник (рис. в), из которого получаем:

После подстановки в формулы числовых значений, получим: .

Дано: Движение точки задано уравнениями ; (x, у — в сантиметрах, t — в секундах). Найти: уравнение траектории точки в координатной форме.

Решение. Для определения уравнения траектории из уравнений движения исключаем время t. Для этого из первого уравнения выражаем и подставляем это значение во второе уравнение, преобразованное к функциям одинарного угла: .

Опуская промежуточные выражения, получаем уравнение траектории: .

Уравнение определяет параболу, расположенную симметрично относительно оси у, с вершиной в точке (0, 4). Траекторией служит кусок этой параболы, заключенный между точками с координатами (-2, -4) и (2, -4).

Свободная материальная точка, масса которой десять килограмм, движется прямолинейно с ускорением пол метра в секунду в квадрате. Определить силу, приложенную к точке.

Дано: m = 10 кг; a = 0,5 м/с2. Найти: F — ?

Решение. Согласно основному закону динамики: .

Подставив значения в формулу, получим:

Ответ: сила, сообщающая массе, равной 10 кг, ускорение 0,5 м/с2, равна 5 Н.

Список литературы: Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах.

Буторин Л.В., Бусыгина Е.Б. Теоретическая механика. Учебно-практическое пособие.

electrichelp.ru

Статика – FIZI4KA

ЕГЭ 2018 по физике ›

Статика – это раздел механики, изучающий условия равновесия тел.

Виды равновесия тел

  • Устойчивое равновесие – это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, возвращается в прежнее положение.

  • Неустойчивое равновесие – это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, будет еще больше отклоняться от положения равновесия.

  • Безразличное равновесие – это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, не меняет своего положения.

Момент силы

Момент силы – это физическая величина, равная произведению модуля силы на ее плечо.

Обозначение – ​\( M \)​, единицы измерения – Н·м.

где ​\( d \)​ – плечо силы ​\( F \)​.

Плечо силы – это кратчайшее расстояние (перпендикуляр) от оси вращения до прямой, вдоль которой действует сила. Обозначение – ​\( d \)​ или ​\( l \)​, единицы измерения – м.

Знак момента силы

Если сила, приложенная к телу, вращает его по часовой стрелке, то момент силы положителен (​\( M \)​ > 0):

Если сила, приложенная к телу, вращает его против часовой стрелки, то момент силы отрицателен (\( M \) < 0):

Момент силы равен нулю, если плечо силы, приложенной к телу, равно нулю.

Условия равновесия тел

Тело находится в равновесии, если

  1. векторная сумма всех сил, действующих на тело, равна нулю;
  2. алгебраическая сумма всех моментов сил, вращающих тело по часовой стрелке, равна алгебраической сумме моментов сил, вращающих его против часовой стрелки:

Центр тяжести – это точка внутри тела или вне его, относительно которой сумма моментов сил тяжести, действующих на отдельные его части, равна нулю. Центр масс – геометрическая точка, положение которой характеризует распределение масс в теле:

Важно! Для твердого тела центр тяжести совпадает с центром масс.

Простые механизмы

Простые механизмы – это приспособления, служащие для преобразования силы.

Рычаг – это простейшее механическое устройство, представляющее собой твердое тело (перекладину), вращающееся вокруг точки опоры.

Рычаг дает выигрыш в силе:

Блок — простое механическое устройство, представляющее собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Желоб предназначен для каната, цепи, ремня и т. п. Блок бывает подвижный и неподвижный.

Неподвижный блок – это блок, ось которого закреплена.

Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, он используется для изменения направления действия силы.

Подвижный блок – это блок, имеющий свободную ось.

Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза:

«Золотое правило» механики

При использовании простых механизмов во сколько раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии, т. е. простые механизмы выигрыша в работе не дают.

Давление жидкости

Давление жидкости – это величина, равная произведению плотности жидкости на модуль ускорения свободного падения и на высоту столба жидкости.

где ​\( \rho \)​ – плотность жидкости, ​\( h \)​ – высота столба жидкости.

Сила давления жидкости – это сила, равная произведению давления жидкости на площадь поверхности:

Сообщающиеся сосуды

Сообщающиеся сосуды – это сосуды, соединенные между собой ниже уровня жидкости.

Закон сообщающихся сосудов: в неподвижных и открытых сообщающихся сосудах любой формы давление жидкости на любом горизонтальном уровне одинаково.

Следствия из закона сообщающихся сосудов:

  • в неподвижных и открытых сообщающихся сосудах высоты столбов жидкостей, отсчитываемых от уровня, ниже которого жидкость однородна (уровня mn), обратно пропорциональны плотностям этих жидкостей:

  • в неподвижных и открытых сообщающихся сосудах однородная жидкость всегда устанавливается на одинаковом уровне независимо от формы сосудов.

Важно! Давление, которое создает жидкость, находящаяся в равновесии при действии на нее силы тяжести, называют гидростатическим. Гидростатическое давление определяется формулой ​\( p=\rho gh \)​. Давление внутри жидкости на любой глубине складывается из атмосферного давления, или внешнего давления на жидкость, и гидростатического давления:

где ​\( p_0 \)​ – атмосферное давление.

Закон Паскаля

Закон Паскаля Давление, производимое на жидкость или газ, передается по всем направлениям одинаково.

Следствие из закона Паскаля — гидростатический парадокс: давление, производимое на дно сосуда, зависит только от высоты столба жидкости:

Сила давления жидкости на дно разная, т.к. она зависит от площади дна:

Гидравлический пресс – два сообщающихся сосуда, заполненные жидкостью и закрытые поршнями различной площади. Гидравлический пресс дает выигрыш в силе, но проигрыш в длине пути поршня:

Силы, действующие на поршни гидравлического пресса, пропорциональны площадям этих поршней:

Атмосферное давление – это давление, которое оказывает атмосфера на все находящиеся в ней предметы. Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты подъема над Землей.

Нормальное атмосферное давление: ​\( p_0 \)​ = 105 Па.

Приборы для измерения давления:

  • барометры – приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления (ртутный барометр, барометр-анероид);
  • манометры – приборы, предназначенные для измерения давлений жидкостей и газов.

Закон Архимеда

Архимедова сила – это выталкивающая сила, действующая на тело, погруженное в жидкость или газ.

Причина возникновения выталкивающей силы – разница давлений жидкости или газа на верхнюю и нижнюю грани. Архимедова сила всегда направлена перпендикулярно поверхности жидкости.

Архимедова сила равна разности веса тела в воздухе и веса тела в жидкости или газе:

где ​\( P_1 \)​ – вес тела в воздухе, ​\( P_2 \)​ – вес тела в жидкости или газе.

Закон Архимеда На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа, вытесненных телом:

Если тело полностью погружено в жидкость, то

где ​\( V_m \)​ – объем тела, погруженного в жидкость.

Если тело не полностью погружено в жидкость, то

где ​\( V_{чm} \)​ – объем части тела, погруженной в жидкость.

Условия плавания тел

На любое тело, погруженное в жидкость или газ, действуют две силы, направленные в противоположные стороны, – это сила тяжести и архимедова сила. Направление движения тела зависит от того, какая из этих сил больше по модулю.

Условия плавания тел

  • Тело плавает внутри жидкости:

  • Тело плавает на поверхности жидкости:

где ​\( V_1 \)​ – объем части тела, погруженной в жидкость.

Важно! Выталкивающая сила действует на тела в жидкостях и газах, потому что сжаты силой притяжения к Земле. В состоянии невесомости эта сила не действует.

Основные формулы по теме «Статика»

fizi4ka.ru

Динамика и статика.

Фундаментальные константы.

Название константы.

Обозн.

Значение.

Измерение

Гравитационная постоянная.

G

6,672*10-11

Н*м2/кг2

Ускорение свободного падения

G

9,8065

м/с2

Атмосферное давление

p0

101325

Па

Постоянная Авогадро

Na

6,022045*1023

Моль-1

Объем 1моль идеального газа

V0

22,41383

м3/моль

Газовая постоянная

R

8,31441

Постоянная Больцмана

K

1,380662*10-23

Дж/К

Скорость света в вакууме

C

2,99792458*108

м/с

Магнитная постоянная

0

4*10-7=

1,25663706*10-6

Гн/м

Электрическая постоянная

0

8,8541878*10-12

Ф/м

Масса покоя электрона

me

9,109534*10-31

кг

Масса покоя протона

mp

1,6726485*10-27

кг

Масса покоя нейтрона

mn

1,6749543*10-27

кг

Элементарный заряд

E

1,6021892*10-19

Кл

Отношение заряда к массе

e/me

1,7588047*1011

Кл/кг

Постоянная Фарадея

F

9,648456*104

Кл/моль

Постоянная Планка

H

6,626176*10-34

1,054887*10-34

Дж*с

Дж*с

Радиус 1 боровской орбиты

a0

0,52917706*10-10

м

Энергия покоя электрона

mec2

0.511034

МэВ

Энергия покоя протона

mpc2

938.2796

МэВ

.Энергия покоя нейтрона

mnc2

939.5731

МэВ

Система единиц.

Приставки Си.

пристав.

поряд.

пристав.

поряд.

пристав.

порядок

Пристав.

порядок

экса

Э

18

мега

М

6

деци

д

-1

Нано

н

-9

пета

П

15

кило

к

3

санти

с

-2

пико

п

-12

тера

Т

12

гекто

г

2

милли

м

-3

фемто

ф

-15

гига

Г

9

дека

да

1

микро

мк

-6

атто

а

-18

Механика.

Кинематика.

Обозн.

Изм.

Смысл

S

м

пройденный путь

v

м/с

скорость

t

с

время

x

м

координата

a

м/с2

ускорение

с-1

угловая скорость

T

с

период

Гц

частота

с-2

угловое ускорение

R

м

радиус

Скорость и ускорение.

, ,

Равномерное движение:

, ;

Равнопеременное движение: a=const,

, ;

, ;

v=v0+at , ;;

Криволинейное движение.

,

Вращательное движение.

, , ; ;

, ; , ;

, , , ;

Обозн.

Изм.

Смысл

F

Н

сила

P

кг*м/с

импульс

a

м/с2

ускорение

m

кг

масса

v

м/с

скорость

p

Н

вес тела

g

м/с2

ускорение свободного падения

E

Дж

энергия

A

Дж

работа

N

Вт

мощность

t

с

время

I

кг*м2

момент инерции

L

кг*м2/с

момент импульса

M

Н*м

момент силы

с-1

угловая скорость

Первый закон Ньютона:

Второй закон Ньютона.

,, приm=const

Третий закон Ньютона.

Основной закон динамики для неинерциальных систем отчета.

ma=ma0+Fинерц ,где а- ускорение в неинерциальной а0- в инерциальной системе отчета.

Скорость центра масс ;

Закон всемирного тяготения.

,

- ускорение свободного падения на планете.

- первая космическая скорость.

Вес тела.

P = mg - вес тела в покое.

P = m(g+a) - опора движется с ускорением вверх.

P = m(g-a) - опора движется с ускорением вниз.

P = m(g-v2/r) - движение по выпуклой траектории.

P = m(g+v2/r) - движение по вогнутой траектории.

Сила трения.

,

Закон Гука.

Fупр= – kx, - сила упругости деформированной пружины.

- механическое напряжение

- относител-ное продольное удлинение (сжатие)

- относит-ное поперечное удлинение (сжатие)

, где - коэффициент Пуассона.

Закон Гука:,

где Е- модуль Юнга.

, кинетическая энергия упругорастянутого (сжатого) стержня. (V- объем тела)

Динамика и статика вращательного движения.

- момент импульса

; - момент силы

L=const - закон сохранения момента импульса.

M=Fl, где l- плечо

I=I0+mb2 - теорема Штейнера

система

ось

I

точка по окружности

ось симметрии

mR2

стержень

через середину

1/12 mR2

стержень

через конец

1/3 mR2

шар

через центр шара

2/5 mR2

сфера

через центр сферы

2/3 mR2

кольцо или тонкостенный цилиндр

ось симметрии

mR2

диск сплошной цилиндр

ось симметрии

1/2 mR2

Условие равновесия тел

Законы сохранения.

Закон сохранения импульса.

P=mv; - импульс тела. Ft=P

Потенциальная и кинетическая энергия. Мощность.

- работа силы F

A=E

- мощность

- кинетическая энергия

- кинетическая энергия вращательного движения.

Ep=mgh - потенциальная энергия поднятого

над землей тела.

- потенциальная энергия пружины

Закон сохранения энергии.

Eк1+Eр1=Eк2+Eр2

studfiles.net

Статика - Физика - Теория, тесты, формулы и задачи - Обучение Физике, Онлайн подготовка к ЦТ и ЕГЭ.

Основные теоретические сведения

Основы статики

К оглавлению...

Статикой называется раздел механики, изучающий условия равновесия тел. Равновесием называют такое состояние тела или системы тел, в котором оно не движется в данной системе отсчета. Различают три вида равновесия:

  • Устойчивое равновесие. Если систему вывести из состояния устойчивого равновесия, то она самопроизвольно в него вернется, то есть при выведении из положения равновесия возникает сила, возвращающая систему к равновесию. Для этого необходимо, чтобы потенциальная энергия системы в состоянии устойчивого равновесия имела минимальное значение. Любая физическая система стремится к состоянию устойчивого равновесия. Это значит, что любой самопроизвольный процесс всегда проходит с уменьшением потенциальной энергии.
  • Неустойчивое равновесие. В данном случае при выведении из состояния равновесия возникают силы, уводящие систему от равновесия, и система самопроизвольно не может в него вернуться. В состоянии неустойчивого равновесия потенциальная энергия системы имеет максимальное значение.
  • Безразличное равновесие. При выведении из состояния равновесия в системе не возникает ни возвращающих, ни уводящих в сторону сил.

Из второго закона Ньютона следует, что если геометрическая сумма всех внешних сил, приложенных к невращающемуся телу, равна нулю, то тело находится в состоянии покоя или совершает равномерное прямолинейное движение (действительно, ведь ускорение тела при этом равно нулю). В этом случае принято говорить, что силы, приложенные к телу, уравновешивают друг друга. При вычислении равнодействующей силы все силы, действующие на тело, можно прикладывать к центру масс. Центр масс (или центр тяжести) – точка к которой приложена сила тяжести, действующая на тело.

Чтобы невращающееся тело находилось в равновесии, необходимо, чтобы равнодействующая всех сил, приложенных к телу, была равна нулю. Иными словами, векторная сумма всех сил, приложенных к телу должна быть равна нолю:

Момент силы. Правило моментов

К оглавлению...

Если тело может вращаться относительно некоторой оси, то для его равновесия недостаточно равенства нулю равнодействующей всех сил. Вращающее действие силы зависит не только от ее величины, но и от расстояния между линией действия силы и осью вращения. Длина перпендикуляра, проведенного от оси вращения до линии действия силы, называется плечом силы.

Для описания причин вызывающих вращения и условия равновесия тела в статике вводится новое понятие - момент силы. Произведение модуля силы F на плечо d и называется моментом силы M. Таким образом момент силы в статике вычисляется по формуле:

Обычно в физике используется следующее правило знаков: если сила поворачивает тело по часовой стрелке, то ее момент считается положительным, а если против – то отрицательным. Момент силы может и равняться нулю, если сила проходит (сама или продолжением) через ось. Обратите внимание: если Вы перепутаете, и возьмете знаки моментов наоборот (по часовой стрелке со знаком минус, а против часовой со знаком плюс), то ничего страшного не произойдет. Поэтому, важно запомнить, что моменты сил, вращающих тело в различных направлениях относительно часовой стрелки, берутся с различными знаками.

Обратите внимание, что момент силы зависит не только от величины силы, но и от ее плеча. Следовательно, одно и то же значение момента можно получить двумя способами: взять большую силу и малое плечо или взять малую силу и большое плечо. Вывод: чем больше плечо, тем меньшую силу необходимо прилагать для получения одного и того же результата.

Правило моментов: тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

При записи этого условия в ходе решения конкретной задачи по статике моменты сил необходимо записывать с учётом их знаков. В Международной системе единиц (СИ) моменты сил измеряются в ньютоно-метрах (Н∙м).

Обратите внимание: в общем случае, когда тело может двигаться поступательно и вращаться, для равновесия необходимо выполнение обоих условий: равенство нулю равнодействующей силы и равенство нулю суммы всех моментов.

Алгоритм решения задач на правило моментов (задач по статике):

  1. Нарисовать рисунок. Следует помнить, что сила тяжести, действующая на тело изображается один раз. Если же в задаче идет речь об изломанной палочке, то удобнее рисовать отдельно силы тяжести, действующие на каждую часть палочки, считая массы частей пропорциональными их длинам. В отличие от динамики, где силы изображаются из одной точки, в статике важно точно указать точку приложения силы.
  2. Выбрать ось вращения в точке приложения самой ненужной в задаче силы или сил (той силы, которую определять не надо и не хочется из-за природного чувства лени). При этом плечо (и, следовательно, момент) этой силы обратится в нуль независимо от ее величины, и в дальнейших вычислениях эту силу можно не учитывать совсем.
  3. Записать правило моментов относительно данной оси, на забывая про правило знаков.
  4. При необходимости записать также условие согласно которому равнодействующая сила равна нолю.
  5. Выразить искомую силу.

Рычаги и блоки

К оглавлению...

Как вы знаете из практики, иногда необходимо изменить направление силы, увеличить или уменьшить ее величину. Этой цели служат простые механизмы: устройства, преобразующие величину или направление силы с помощью механических явлений. Для всех простых механизмов справедливо золотое правило механики: выиграл в силе – проиграл в перемещении (или наоборот). Это значит, что при увеличении силы за счет некоторого механизма неизбежно будет уменьшено и перемещение. Рассмотрим основные типы простых механизмов изучаемых в школьной физике:

  • Равноплечий рычаг (весы). Рычаг, ось вращения которого проходит через его геометрический центр.
  • Неравноплечий рычаг. Рычаг ось вращения которого проходит через произвольную точку.
  • Неподвижный блок. Это диск с закрепленной осью, через который переброшена нить. Неподвижный блок используется для изменения направления приложения силы. Если трение в блоке отсутствует, нить невесома, то сила ее натяжения до и после блока не изменяется. Таким образом, неподвижный блок не дает ни выигрыша в силе, ни проигрыша в перемещении.
  • Подвижный блок. Это диск, ось которого может двигаться поступательно. Подвижный блок позволяет уменьшить силу в два раза, одновременно с этим вдвое увеличивая перемещение.
  • Наклонная плоскость. Это устройство применяется для поднятия тяжестей. При достаточно малых значениях угла наклона и небольшом коэффициенте трения сила, которую необходимо приложить чтобы поднимать некоторое тело вдоль наклонной плоскости может быть значительно меньше веса тела. Таким образом, подъем становится легче. Естественно, при этом в полном соответствии с «золотым правилом» увеличивается перемещение тела.

Центр тяжести тела

К оглавлению...

Центр масс (или центр тяжести) – точка к которой приложена сила тяжести, действующая на тело. В общем случае центр тяжести может и не лежать внутри тела, а выходить за его пределы (например, различные изогнутые длинные предметы, кольца, полукольца и так далее).

Рассмотрим основные методы определения положения центра масс тел для некоторых конкретных случаев, возникающих при решении задач по статике:

1. У однородных тел правильной формы (шары, прямоугольники, стержни) центр тяжести совпадает с геометрическим центром. Следует запомнить, что центр тяжести однородной треугольной пластины лежит в точке пересечения ее медиан. Для однородных симметричных тел центр тяжести всегда расположен на оси симметрии.

2. Определение положения центра тяжести системы из двух тел с известными центрами тяжести. Здесь можно использовать замечательное свойство центра тяжести. Подперев центр тяжести, мы обеспечим равновесие тела. Таким образом, центр тяжести системы из двух тел лежит на отрезке, соединяющем их центры тяжести, и делит его в отношении, обратном отношению масс тел:

где: l1 – расстояние от центра масс до тела с массой m1, а l2 – до тела с массой m2.

3. Определение положения центра тяжести любой системы тел с известными положениями центров тяжести. Необходимо ввести систему координат (естественно, начало координат выбрать в точке, относительно которой необходимо рассчитать положение центра тяжести), определить в ней координаты центров тяжести всех тел и найти координаты центра тяжести системы по формуле:

Аналогичные уравнения получаются для остальных координатных осей, если таковые необходимо рассматривать в задаче (просто переменная x меняется на y или z соответственно).

4. Однородное тело правильной формы с вырезом правильной формы. Проще всего свести задачу к обратной: мысленно вставить вырез обратно и получить тело правильной формы с известным положением центра тяжести. Далее представить его в виде двух тел: страшного с вырезом и самого выреза. А теперь все просто. У одного из тел (выреза) мы знаем положения центра тяжести. У другого – нет. Зато знаем положение центра тяжести системы двух тел. Составив уравнение для определения общего центра тяжести получим выражение с одной неизвестной – центром тяжести тела с вырезом. Решив уравнение получим искомый ответ.

5. Теорема Паппа. Применяется для определения положения центра тяжести плоской пластины, которая при вращении вокруг некоторой оси образует тело с легко вычисляемым объемом. Необходимо мысленно повернуть пластину на один оборот, нарисовать рисунок и применить теорему:

Формулировка теоремы: объем тела, полученного при вращении пластины, равен произведению ее площади на путь, пройденный центром тяжести при вращении:

Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?

Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:

  1. Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
  2. Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике. На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
  3. Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.

Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.

Нашли ошибку?

Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (адрес электронной почты и ссылки в социальных сетях здесь). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.

educon.by


Смотрите также

Календарь

ПНВТСРЧТПТСБВС
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31      

Мы в Соцсетях

 

vklog square facebook 512 twitter icon Livejournal icon
square linkedin 512 20150213095025Одноклассники Blogger.svg rfgoogle