В статике изучаются условия равновесия (покоя либо равномерного прямолинейного движения) твердого тела или механической системы, находящихся под действием сил, а так же эквивалентные преобразования совокупностей сил, приложенных к твердому телу. В частности, те же задачи ставятся и для материальной точки, — в этом случае они значительно более просты.
Ниже будут использоваться термины, выделенные курсивом:
Системой сил называют совокупность сил, действующих на рассматриваемый объект.
Если линии действия всех сил системы лежат в одной плоскости, систему сил называют плоской. Если эти линии пересекаются в одной точке – сходящейся, если они параллельны – параллельной. В общем случае система называется пространственной или произвольной.
Если состояние (покой или движение) свободного твердого тела сохраняется при замене действия одной системы сил на другую, то такие системы сил называются эквивалентными.
Система сил называется уравновешенной, если твердое тело, к которому она приложена, не изменяет своего состояния.
Если система сил эквивалентна одной силе, то эта сила называется равнодействующей данной системы сил.
Силы, действующие на тело (или механическую систему), можно разделить на внешние и внутренние. Внешними называются силы, которые действуют на тело (или механическую систему) со стороны других тел, не принадлежащих рассматриваемой системе, а внутренними – силы, с которыми части данного тела (или механической системы) действуют друг на друга.
В задачах статики несвободных систем важно выделить силы, порождаемые связями. Эти силы называются реакциями связей. Все остальные силы называются активными или задаваемыми.
В аксиомах статики формулируются те простейшие и общие законы, которым подчиняются силы, действующие на одно и то же тело или приложенные к взаимодействующим телам.
Аксиома 1
абсолютно твердое тело находится в равновесии под действием двух сил, если их модули равны, а сами силы направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны, т.е.ˉF1=−ˉF2 (см. рис.1).
Аксиома 2
состояние абсолютно твердого тела не изменится, если к системе сил, на него действующих, добавить (или убрать) уравновешенную систему сил.
Иными словами, две системы сил эквивалентны друг другу, если они отличаются на уравновешенную систему сил.
Следствие
состояние твердого тела не изменится, если перенести точку приложения силы вдоль линии ее действия.
Возьмем на линии действия этой силы точку В и приложим в ней две уравновешенные силы ˉF1 и ˉF2, направленные вдоль линии силы ˉF и равные ей по модулю. Очевидно, что состояние твердого тела при этом останется прежним. Но силы ˉF и ˉF2 тоже образуют уравновешенную систему, которая может быть убрана без изменения состояния тела. В результате на тело будет действовать только одна сила ˉF1, равная ˉF, но приложенная в точке В. Таким образом, вектор силы, приложенной к абсолютно твердому телу, можно переносить вдоль его линии действия без изменения состояния тела (такой вектор называется скользящим).
Полученный результат справедлив только для сил, действующих на абсолютно твердое тело. При инженерных расчетах им можно пользоваться лишь тогда, когда определяются условия равновесия той или иной механической системы и не рассматриваются возникающие в ее частях внутренние усилия и (или) деформации.
Например, изображенный на рис.3.а стержень АВ будет находиться в равновесии, если ˉF1=−ˉF2 . При переносе точек приложения обеих сил в какую-нибудь точку С стержня (рис.3.б) или при переносе точки приложения силы ˉF1 в точку В, а силы ˉF2 в точку А (рис.3.в), равновесие не нарушается.
Однако внутренние усилия будут в каждом из рассматриваемых случаев разными. В первом случае силы пытаются стержень растянуть, во втором – он не напряжен, а в третьем — силы стержень сжимают. Следовательно, при определении внутренних усилий и (или) деформаций переносить точку приложения силы вдоль линии действия (иными словами, моделировать силу скользящим вектором) нельзя.
Аксиома 3
две силы, приложенные к телу в одной точке, имеют равнодействующую, приложенную в той же точке и изображаемую диагональю параллелограмма, построенного на этих силах, как на сторонах (см. рис.4).
Здесь R=√F21+F22+2F1F2cosα (1)
Сформулированная аксиома подтверждает справедливость использования для силы математической модели в виде вектора.
Аксиома 4
при всяком действии одного тела на другое силы их взаимодействия равны по модулю, имеют общую линию действия и направлены в противоположные стороны (эта аксиома известна читателю как третий закон Ньютона).
Заметим, что эти силы приложены к разным телам и, поэтому, не образуют уравновешенную систему сил.
Свойство внутренних сил: в соответствии с четвертой аксиомой при силовом взаимодействии две любые части механической системы (твердого тела) действуют друг на друга с равными по модулю и противоположно направленными силами. При изучении условий равновесия механическая система (твердое тело) рассматривается как единое целое; в этом случае внутренние силы образуют уравновешенную систему сил и могут быть исключены из рассмотрения. Следовательно, при изучении условий равновесия механической системы (тела) необходимо учитывать только внешние силы, на неё (него) действующие.
В дальнейшем, говоря о действующих силах, мы будем подразумевать, если не сделано специальной оговорки, что речь идет только о внешних силах.
Аксиома 5
равновесие изменяемого (деформируемого) тела или механической системы, находящихся под действием сил, не нарушится, если их считать отвердевшими (абсолютно твердыми).
Например, для равновесия тяжелой гибкой нити (трос, цепь) под действием двух сил, приложенных к ее концам, необходимы те же условия, что и для жесткого криволинейного стержня. Но эти условия не будут достаточными, так как для равновесия нити требуется, что бы приложенные силы были растягивающими. Сформулированная аксиома в некоторых источниках носит название принцип отвердевания.