Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 5. Возьмем теперь – что вполне допустимо – вместо координат $x, y, x^{\prime}, y^{\prime}, x^{\prime \prime}, y^{\prime \prime}, \ldots, \bar{x}, \bar{y}, \ldots$ соответствующие радиусы векторы $\rho, \rho^{\prime}, \rho^{\prime \prime}, \ldots, \bar{\rho}, \ldots$ и углы $\varphi, \varphi^{\prime}, \varphi^{\prime \prime}, \ldots, \bar{\varphi}, \ldots$, образуемые этими радиусами с осью $x$; тогда, как мы знаем, и равным образом Подставим эти выражения в общую формулу пункта 2 предыдущего параграфа и положим ясно, что $\sigma, \sigma^{\prime}, \ldots, \bar{\sigma}, \ldots$ – это углы, обравуемые радиусами $\rho^{\prime}, \rho^{\prime \prime}, \ldots, \bar{\rho}, \ldots$ с радиусом $\rho$; следовательно, расстояния тел, как взаимные, так и по отношению к плоскости $x y$ и к точке, избранной в качестве начала координат, будут зависеть только от величин $\rho, \rho^{\prime}, \rho^{\prime \prime}, \ldots, \bar{\rho}, \ldots, \sigma, \sigma^{\prime}, \ldots, \bar{\sigma}, \ldots, z, z^{\prime}$, $z^{\prime \prime}, \ldots, \bar{z}, \ldots$ Но если система может свободно вращаться вокруг этой точки параллельно плоскости $x y$, т. е. вокруг оси $z$, перпендикулярной к этой плоскости, то угол $\varphi$ будет независим от условий системы и, следовательно, дифференциал $d \varphi$ останется произвольным. Отсюда следует, что члены, связанные с $d \varphi$ в общем уравнении равновесия, должны в общей своей сумме равняться нулю. Легко видеть, что все эти члены будут выражены с помощью $N d \varphi$, где так что для равновесия получается уравнение $\dot{N}=0$. то получится ююда следует еще вместо $\varphi^{\prime}, \varphi^{\prime \prime}, \ldots, \bar{\varphi}, \ldots$ подставить $\varphi+\sigma, \varphi+\sigma^{\prime}, \ldots, \varphi+\bar{\sigma}, \ldots$ При выполнении этих подстановок становится прежде всего ясным, что величины $\bar{p}, \ldots$ уже не согержат угла $\varphi$, поэтому $\frac{\partial \bar{p}}{\partial \phi}=0, \ldots$; следовательно, внутренние силы $\bar{P}, \ldots$ исчезнут из уравнения и останутся только внешние силы $P, P^{\prime}, \ldots$ поэтому величина $N$ приобретает следующий вид: Так как центры сил $P, P^{\prime}, \ldots$ можно избрать где угодно по направлению этих сил, то можно допустить, что эти силы изображаются линиями $p, p^{\prime}, \ldots$, которые являются прямолинейными расстояниями их точек приложения от соответствующих центров. Указанным путем мы получим более простое выражение В этой формуле радиусы $R$ и $\rho$, исходящие из начала координат и образующие между собою угол $\varphi-A$, составляют стороны треугольника, имеющего основанием проекцию отрезка $p$ на плоскость $x y$; следовательно, величина $R_{p} \sin (\varphi-A)$ выражает удвоенную площадь этого треугольника; то же самое можно сказать и о других аналогичных величинах. Но так как мы обозначили (п. 3) через $\gamma, \gamma^{\prime}, \ldots$ углы, образуемые направлениями сил $P, P^{\prime}, \ldots$ с осью $z$, или с линиями, параллельными әтой оси, то ясно, что дополнительные к ним углы будут представлять собою наклонения линий $p, p^{\prime} \ldots \kappa$ плоскости $x y$; следовательно, $p \sin \gamma, p^{\prime} \sin \gamma^{\prime}, \ldots$ будут проекциями этих линий. Если из начала координат опустить на эти проекции перпендикуляры, которые мы назовем П, П’,.., то получится и величина $N$ будет приведена к следующему виду: если вместо $p, p^{\prime}, p^{\prime \prime}, \ldots$ снова подставить $P, P^{\prime}$, $P^{n}$, . . При равновесии системы, обладающей свободой врацения около оси и состоящей из тел, действующих друг на друга каким угодно образом и одновременно находяцихся под действием внешних сил, сумма этих сил, измеренных параллельно плоскости, перпендикулярной к оси, и у.множенных каждал соответственно на перпендикуляр, опущєнный из оси на направление силы, спроектированной на ту же плоскость, должсна равняться нулю,-если силам, стремлиімся вращать систему в противоположных направлениях, присвоить противоположсные знаки. Обычно эту теорему излагают проще, а именно: для того чтобы имело место равновесие около какойлибо оси, моменты сил по отношению $\boldsymbol{\kappa}$ этой оси должны взаимно уничтожаться. В настоящее время в механике под моментом силы по отнсшению к какой-либо линии понимают произведение этой силы, измеренной параллельно плоскости, перпендикулярной к этой линии, и умноженной на плечо рычага, где под плечом подразумевают перпендикуляр, опущенный из этой же линии на направление силы, отнесенной к той же плоскости. В самом деле, действие силы, стремящейся вращать систему около оси, зависит только от этого момента, так как если әту силу разложить на две, из которых одна будет параллельна оси, а другая будет лежать в плоскости, перпендикулярной к оси, то, очевидно, только последняя будет в состоянии вызывать вращение. Поэтому мы данному моменту присвоим особое название момента относительно оси врачения. представляющую сумму виртуальных моментов всех сил,-введя в качестве одной из независимых переменных угол вращения около заданной оси. Тогда коэффициентом дифферендиала этого угла будет сумма всех моментов относительно этой оси; настоящий прием может оказаться полезным во многих случаях. если углы $\varphi, \varphi^{\prime}, \ldots$ изменить на одну и ту же разность $d \varphi$, то получится Таковы изменения $x, y, x^{\prime}, y^{\prime}, \ldots$, получающиеся в результате элементарног вращения $d \varphi$ системы около оси $z$. Точно так же получаютея и изменения $y, z, y^{\prime}, z^{\prime}, \ldots$, вызываемые элементарным вращением $d \psi$ около оси $x$; для этого следует в приведенных выше формулах вместо $x, y, x^{\prime}, y^{\prime}, \ldots$ взять $y, z, y^{\prime}, z^{\prime}, \ldots$ и вмсто $d \varphi$ взять $d \psi$, в результате чего получится Если в последних формулах вместо $y, z, y^{\prime}, z^{\prime}, \ldots$ взять соответственно $z, x, z^{\prime}, x^{\prime}, \ldots$ и вместо $d \psi$ взять $d \omega$, получатся изменения, происходящие вследствие элементарного вращения $d \omega$ около оси $y$, которые составят Если допустить, что все три вращения происходят одновременно*), то полные изменения координат $x, y, z, x^{\prime}, y^{\prime}, z^{\prime}, \ldots$ будут согласно принципам дифференциального исчисления равны суммам частных изменений, вызванных каждым из этих вращений, так что мы получим следующие полные выражения: $d x=z d \omega-y d \varphi, \quad d y=x d \varphi-z d \psi, \quad d z=y d \psi-x d \omega$, $d x^{\prime}=z^{\prime} d \omega-y^{\prime} d \varphi, \quad d y^{\prime}=x^{\prime} d \varphi-z^{\prime} d \psi, \quad d z^{\prime}=y^{\prime} d \psi-x^{\prime} d \omega$, Подставив эти значения в общую формулу равновесия (п. 2), мы получим только члены, происходяцие от вращений $d \psi, d \omega, d \varphi$ около трех осей $x, y$ и $z$. Если система может свободно вращаться во всех направлениях около точки, являющейся началом координат, то указанные выше члены должны порознь равняться нулю. Таким образом с помощью указанных выше подстановок мы будем иметь Подставив вместо $d \bar{x}, \overline{d y}, d \bar{z}, \ldots$ аналогичные выражения $\bar{z} d \omega-\bar{y} d \varphi, \bar{x} d \varphi-\bar{z} d \psi, \bar{y} d \psi-\bar{x} d \omega, \ldots$ мы найдем, что $d p=0, d p^{\prime}=0, \ldots$ Отсюда можно тотчас же сделать вывод, что в результате әтих подстановок члены $\widetilde{P} d \bar{p}, \bar{P}^{\prime} d \bar{p}^{\prime}, \ldots$, общего уравнения, связанные с внутренними силами, истезнут. Но мы получим $d p=0$ и в том случае, если положим $a=0, b=0, c=0$, т. е. если центр силы $P$ будет лежать в начале координат; в этом случае действие данной силы тоже уничтожается. где положено и тогда для всякой системы, способной свободно вращаться в любом направлении вокруг начала координат, мы получим следующие три уравнения: которые соответствуют уравнению пункта 5, отнесенному к трем осям координат. В самом деле, если выразить координаты центров сил $a, b, c, a^{\prime}, \ldots$ через углы $\alpha, \beta, \gamma, \alpha^{\prime}, \ldots$, образуемые направлениями этих сил с тремя осями координат, и последовательно положить, как в п. 7 предыдуцего отдела, и аналогично для других подобных величин,-то мы получим А так как $P \cos \alpha, P \cos \gamma$ представляют собою значения силы $P$, измеренные по направлениям трех осей $x, y, z$, можно тотчас же увидеть, что $x P \cos \beta$ $-y P \cos \alpha \ldots$. является моментом по отношению к оси $z$, причем член $y P \cos \alpha$ имеет отрицательный знак, так как сила $P \cos \alpha$ стремится вращать систему по направлению, противоположному силе $P \cos \beta$. Точно так же $z P \cos \alpha-x P \cos \gamma$… является моментом относительно оси $y$ и $y P \cos \gamma-z P \cos \beta \ldots$ моментом относительно оси $x$. Подобные же значения имеют и остальные аналогичные выражения. ‘Тким образом приведенные три уравнения $L=0, M=0, N=0$ выражают, что сумма этих моментов относительно каждой из трех осей равна нулю. Мы видим также, что коэффициенты $L, M, N$ мгновенных вращений $d \psi, d \omega, d \varphi$ представляют собою не что иное, как суммы моментов относительно осей мгновенных вращений $d \psi, d \omega, d \varphi$ (п. 7). Проведем прямую линию через данную точку, служащую началом координат $x, y, z$, и через другую точку системы, а через эту линию и какую-либо третью точку системы – плоскость; отнесем к этой линии и этой плоскости все прочие точки системы с помощью новых прямоугольных координат $x^{\prime}, y^{\prime}, z^{\prime}$, имеющих то же начало, что и первые кооринаты $x, y, z$. Совершенно ясно, что эти новые координаты зависят только от взаимного расположения точек системы и, следовательно, остаются неизменными, когда система меняет свое положение в пространстве, и что в этом случае изменяются только первые координаты. Известная теория цреобразования координат дает прежде всего нижеследующие соотношения между тремя первыми и тремя последними координатами: Девять коэффициентов $\alpha, \beta, \gamma, \alpha^{\prime}, \ldots$ зависят только от взаимного расположения осей обеих систем координат и должны быть таковы, чтобы координаты $x, y, z$ относились к тем же самым точкам, к которым относятся и координаты $x^{\prime}, y^{\prime}, z^{\prime}$, и, следовательно, чтобы выражения были тождественны; отсюда получается шесть условных уравнений Таким образом из числа 9 величин $\alpha, \beta, \gamma, \alpha^{\prime}, \ldots$ три величины остаются неопределенными. В том случае, когда оси $x^{\prime}, y^{\prime}, z^{\prime}$ совпадают с осями $x, y, z$, мы имеем Если приведенные выше формулы продифференцировать и затем произвести соответствующие подстановки, можно получить результат некоторого бесконечно малого перемещения системы в пространстве вокруг заданной точки. Продифференцировав выражения $x, y, z$ на основе допущения, что $x^{\prime}, y^{\prime}, z^{\prime}$ – величины постоянные, и подставив после дифференцирования вместо этих величин $x, y, z$, мы получим Но приведенные выше шесть условных уравне ний, после дифференцирования и после подстановки найденных только что значений $\alpha=1, \beta=0, \gamma=0, \ldots$, дадут откуда Если эти значения подставить в выражения для $d x, d y, d z$, мы получим следующие выражения: которые совпадают с выражениями, приведенными в пункте 8 , если положить $d \alpha^{\prime}=d \varphi, d \gamma=d \omega, d \beta^{\prime \prime}=d \psi$. Итак, приведенные формулы для изменений $x, y, z$ обладают всей той общностью, какая требуется по условиям задачи, и три уравнения $L=0, M=0$, $N=0$, получающиеся в результате исчезновения в общей формуле равновесия членов, относящихся к $d \psi$, $d \omega, d \varphi$, являются, таким образом, единственно необходимыми для удержания системы в равновесии около заданной точки, если отвлечься от всего того, что связано с взаимным расположением точек. Следовательно, если это взаимное расположение точек остается неизменным, то равновесие системы зависит только от приведенных выше трех уравнений. Даламбер в своих «Исследованиях о предварении равноденствий» («Recherches sur la précession des équinoxеs») первый открыл законы равновесия нескольких сил, приложенных к неизменяемой системе точек. Он прищел к ним очень сложным путем, пользуясь сложением и разложением сил. Позднее эти законы были доказаны другими авторами более простыми путями, однако наши формулы обладают тем преимуществом, что они нецосредственно приводят к этим законам.
|
1 |
Оглавление
|