Главная > KУPC ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ. ТОМ ПЕРВЫЙ. ЧАСТЬ ВТОРАЯ (Т. ЛЕВИ-ЧИВИТА И У. АМАЛЬДИ)
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
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

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

5. Уравнения равновесия. Оставим теперь общие рассуждения и займемся сначала односвязными системами. Конфигурация равновесия, принимаемал каждой тапой стержневой системой под действием данной системы сил и представляющая собой ломаную линию, называется веревочным многоугольником (вследствие интересной интерпретации, которую мы укажем далее).

Для изучения веревочных многоугольников, возможных для данной стержневой системы, мы можем ограничиться на основании теоремы, доказанной в предыдущем пункте, рассмотрением сил, действующих исключительно на узлы.

Обозначив через P1,P2,,Pn узлы системы (у которой, в силу предположения о простой связности, узел P1 отличен от Pn ), мы будем обозначать соответственно через F1,F2,,Fn приложенные к ним внешние силы. Что же касается (неизвестных) усилий, то совершенно бесполезно, гак мы сейчас увидим, сохранять двойное обозначение Ψ и Φ сил, относящихся к узлам и к стержням, применявшееся в предыдущих пунктах.

Действительно, если мы рассмотрим любой стержень PiPi+1 и условимся обозначать через Φi+1,i и Φi,i+1 усилия, которые он испытывает соответственно в концах Pi и Pi+1, то, рассматривая чисто узловую систему сил (п. 3 ), будем иметь
Φi,i+1=Φi+1,i.

С другой стороны, на основании приндипа равенства действия и противодействия, узел Pi вследствие соединения со стержнем PiPi+1 испытывает действие силы, прямо противоположной Φi+1,i, которая поэтому, на основании равенства (4), тождественна с Φi,i+1.

Прежде чем идти далее, остановимся еще на обозначениях, введенных нами для усилий. Во всяком символе Φi,i+1 или Φi+1,i оба индекса обозначают стержень, к которому отнесено усилие, идет ли речь об усилиях, испытываемых им самим, или о силах, с которыми он действует на узлы. Ести стержень рассматривается как воспринимающий усклие, то второй индекс, согласно принятому выше соглапению, абозначает тот конец стержня, к которому приложено усилие; если же, наоборот, мы будем рассматривать узел, например Pi, с которым соединены стержни Pi1Pi и PiPi+1, то силами, действующими на Pi, соответственно будүт Φi,i1 и Φi,i+1, так что узел, к которому приложена сила, определяется первъи индексом.

Важно еще заметить, что если усилие Φi,i+1 (или Φi+1,i ) является растягивающим, то порядок i,i+1 (или соответственно i+1,i ) инденсов находится в согласии со стороной PiPi+1 (или Pi+1Pi ), в которую действует усилие (на конец ли Pi+1 стержня PiPi+1 или на узел Pi ).
Наконец полезно заметить, что в дальнейших статических исследованиях, для того чтобы привести вспомогательные величины к наименьшему числу, можно ограничиться, на основании равенства (4), введением лишь усилий типа Φi,i+1, так как другие усилия, в которых имеется обращение (инверсия) индексов, им равны и прямо противоположны.
Выразим теперь условия равновесия, которые, как мы видели в предыдущем пункте, будут исключительно типа \»б“ из п. 2. Так как на каждый промежуточный узел действуют три склы, а именно: сила Fi (фиг. 47) и силы:
Φi,i1=Φi1,i п Φi,i+1,

представляющи собой реакции стержней Pi1Pi и PiPi+1, то мы будем иметь.
FiΦi1,i+Φi,i+1=0(i=2,3,,n1).

Наоборот, в каждом из концевых узлов P1 и P2 прямо приложенная сила должна быть уравновешена одной реакцией, и мы должны иметь
F1+Φ12=0,FnΦn1,n=0.

Уравнения (5) и (6) в своей совокупности, как обеспечивающие равновесие отдельных твердых частей системы, и дают необходимые и достаточные условия для равновесия (односвязной) стержневой системы.

Уравнения (5) называются жеопределенными уравнениями (или условиями) равновесия, а уравнения (6), относящиеся к крайним узлам, — уравнениями (или условиями) на концах.

Если мы обратим внимание на то, что усилия Φ имеют линиями действия стороны веревочного многоугольника, то увидим, что для равновесия имеют значение соотношения между внешними силами, геометрическая конфигурация и величина усилий.

В большей части практических случаев усилия представляют собой неизвестные силы, которые требуется определить, предполагая, что веревочный многоугольник задан, или же неизвестна конфигурация равновесия, и нам нужно определить ее по данным задачи, исключая или, по крайней мере, принимая за вспомогательные непзвестные величины усплий.
6. Для того чтобы равновесие стержневой системы было возможно и в этом случае, как и во всяком другом, должны удовлетворяться основные уравнения, т. е. система приложенных векторов, представляющих собой внешние силы Fi, должна быть эквивалентна нулю. Отсюда можно заранее заключить, что это последнее условие должно неявно содержаться в векторных уравнениях (5) и (6); это легко проверить и на самих этих уравнениях.

В самом деле, так как силы, входящие в уравнения (5) и (6), приложены x одной u той же точке и потому результирующий момент их относительно общей точки приложения равен нулю, то каждое из этих уравнений можно истольовать не только как соотношение эквиполлентности, но и как соотношение эквивалентности между системами приложенных векторов (гл. I, I. 38). То же свойство будет выражать и уравнение, которое получится, если почленно сложить уравнения (5) п (6); вынолняя сложение и принимая во внимание равенства (4), получим уравнение
F1+F2++Fn=0,

которое выражает, что система приложенных векторов Fi эквивалентна нулю.

Эта эквивалентность является, таким образом, следствием векторных уравнений (5) и (6); однако, поскольку эти уравнения не только необходимы, но также и достаточны для равновесия стержневой системы, они в общем случае неявно содержат дальнейшие условия.

Эти условия выражаются теоремой, которую мы докажем в следующем пункте и которая дает для условий равновесия односвязной стержневой системы механически выразительную и удобную для некоторых приложений форму,

7. Для того чтобы односвязная стержневая система, находящаяся под действием данной системь внешних сил, была в равновесии, необходимо и достаточно, чтобъ система внешних сил бъла эквивалентна нулю ч чтобы, кроме того, результирующий момент, относительно каждого отдельно взятого узла, внешних сил, приложенных к предыдущим (или последующим) узлам, был равен нулю.

Чтобы доказать, что высказанные условия необходимы для равновесия, припомним прежде всего, что при равновесии [т. е. когда выполняются уравнения (5) и (6)] система внешних сил Fi векторно эквивалентна нулю. Кроме того, если сложим почленно первое из уравнений (6) п перєые i1 из уравнений (5), рассматривая их как соотношения эквивалентности между системами приложенных векторов, то получим, принимая во внимание равенства (4), соотношение
F1+F2++Fi+Φi,i+1=0,

которое выражает, что система внешних сил F1,F2,,Fi векторно эквивалентна единственному усилио — Φi,i+1=Φi+1,i, имеющему линией действия отрезок PiP˙i+1, и поэтому результирующий момент этой системы относительно каждого из узлов Pi, Pi+1 равен нулю.

Наоборот, если предположим условия теоремы выполненными, то прежде всего будем иметь соотношение эквивалентности
F1+F2++Fn=0;

кроме того, так как результирующий момент системы внещних сил F1,F2,,Fi( при i=1,2,,n1) относительно узла Pi равен нулю, то эта система экзивалентна (гл. I, II. 39) одному вектору, приложенному в Pi, который мы можем обозначить через Φi+1,i=Φi,i+1, так что будуг справедливы уравнения (7) при i=1,2,,n1, причем все они будут представлять собой соотношения эквивалентности. Вычитал цочленно из равенства (8) равенство (7) при i=n1, а из каждого из равенств (7) равенство с индексом нешосредственно низшим, мы последовательно получим равенства:
FnΦn1,n=0,FiΦi1,i+Φi,i+1=0(i=1,2,,n1),

которые, будучи присоединены к последнему из равенств (7), т. е. к равенству
F1+Φ12=0,

будут иметь в точности вид уравнений равновесия (неопределенных и на пределах) стержневой системы (п. 5). Докажем теперь, что равновесие существует при условии, что приложенные векторы Φi,i+1, которые мы формально определили посредством уравнений (7), имеют характер усилий, т. е. каждый из них имеет линией действия прямую PiPi+1.
Для этой цели рассмотрим соэтношения эквивалентности
FiΦi1,i+Φi,i+1=0

или, в другом виде,
Fi+Φi,i+1=Φi1,i,

и вспомним, что два приложенных вектора Fi и Φi,i+1 имеют оба началом точку Pi (первый по определению, второй по предположению), так что по отношению к этому узлу их результирующий момент равен нулю. Поэтому бтдет равен нулю также и момент относительно Pi вектора Φi1,i, эквивалентного им, а так как этот вектор, по определению, приложен в Pi1, то он имеет линией действия прямую Pi1Pi.
8. Силовой многоугольник, или многоугольник Вариньона. Условие (пеобходимое для равновесия односвязной стержневой системы P1P2Pn ), заключающееся в том, что результирующая внешних сил Fi должна быть равна нулю, геометрически выражается тем, что векторный многојгольник, построенный для сил F1, F2,,Fn, должен быть замкнтым. Другими словами, если, задав точкт Q1, определить n1 точек Q2,Q3,,Qn последовательно равенствами
Q2Q1=F1,Q3Q2=F2,,QnQn1=Fn1,

или, в другом виде,
Q12=F1,Q23=F2,,Qn1Qn=Fn1,

то будем иметь
Q1Qn=Fn,

или, что одно и то же,
QnQ1=Fn.

Многоугольник (замкнутыӥ) Q1Q2Qn, который таким образом надо присоединить к веревочному многоугольнику P1P2Pn, называется силовым многоугольником или многоугольником Вариньона. Он обладает одним характеэным свойством, которое мы здесь установим и которое позволит свести к простым геометрическим построениям решение задач о равновесии односвязных стержневых систем.
9. B силовом многоугольнике Q1Q2Qn (фпг. 48), присоединенном n веревочному многоугольнику P1P2Pn, сторонъ u диагонали Q2Q1,Q3Q1,,QnQ1, направленные в сторону Q1,
будут соответственно әквиполлентны усилиям Φ1,2,Φ2,3,, Φn1,n. эквиполлентен вектору — F1 и что вследствие первого из равенств (6) этот вектор эквиполлентен Φ12. i=2, т. е. равенство
F2Φ1,2+Φ3,3=0.

Принимая во внимание только что полученный результат и можно написать предыдущее равенство в виде
или
откуда заключаем, что вектор Q3Q1 эквиполлентен вектору Φ2,3.
Таким образом будем продолжать до тех пор, пока не дойдем до вектора QnQ1, который, будучи эквиполлентен силе Fn, будет также эквиполлентен, вследствие второго из равенств (6), усилию Φn1,n.
n1,n Наоборот, если для какого-нибудь многоугольника P1P2Pn можно построить такой замкнутый многоугольник Q1Q2Qn, что сторонь и диагонали Q2Q1,Q3Q1,,QnQ1, сходящиеся в Q1, будут соответственно параллельны прямым P1P2,P2P3,, Pn1Pn, то многоугольник P1P2Pn будет представлять собой веревочный многоугольник, для поторого Q1Q2Qn является силовым многоугольником.

Действительно, если представим себе, что на стержневую систему P1P2Pn в узлах P1,P2,,Pn действуют силы, эквинолΦ3,3,,Φn1,n соответственно приниматея векторы Q2Q1, Q3Q1,,QnQ1, то, на основании сделанных допущений о двух
многоугольниках, будут непосредственно выполняться условия (5) и (6), необходимые и достаточные для равновесия стержневой системы.
10. Доказанное таким образом характеристическое свойство силового многоугольника позволяет, как мы об этом уже говорили, решать посредством геометрических построений задачи, относящиеся к равновесию односвязных стержневых систем.

Для того чтобы дать типичный пример приложения этого метода, рассмотрим стержневую систему P1P2Pn, прикрепленную на конце P1 к неподвижному парниру и имеющую свободными другой конец и промежуточные узлы (за исключением лишь связей, происходящих от соединения их со стержнями). Представим себе, что к n1 узлам P2,P3,,Pn приложены заданные силы F2, F3,,Fn, и определим веревочный многоугольник (или конфигурацию равновесия системы) и реакцию в неподвижном конце P1.

Прежде всего силовой многоугольник можно построить непосредственно, откладывая один за другим, начиная от произвольной точки Q2, приложенные векторы Q2Q3,Q3Q4,,QnQ1, соответственно эквиполлентные векторам F2,F3,,Fn; после этого замыкающий вектор Q12 представит по величине, даправлению и стороне реакцию F1 в неподвижной точке.

Что же касается веревочного многоугольника, то вспомним, что его стороны должны быть параллельны соответственно отрезкам Q2Q1,Q3Q1,,QnQ1. Поэтому, начиная с закрепленной точки P1, мы должны направить первый стержень P1P2 параллельно Q1Q2 в ту или другую из двух возможных сторон; эта неопределенность в выборе стороны будет сохраняться до тех пор, пока мы не будем знать заранее, должно ли быть усилие Φ1,2 растягивающим или сжимающим. Определив P2, мы получим положение точки P3, направив стержень P2P3 параллельно Q3Q1 (в ту или другую сторону в согласии с только что сказанным о характере усилия Φ1,2 ); так нужно поступать до тех пор, пока, направив стержень Pn1Pn параллельно QnQ1 (в ту же самую сторону или в противоположную), мы не получим положение равновесия свободного конца Pn.
11. Параллельныв силы. Менее просто, чем в предыдущем случае, выполняөтся геометрическоз построение веревочного многоугольника, когда стержневая система прикреплена (посредством шарниров) к неподвижным точкам на обоих концах P1,Pn п задаются силы, приложенные в n2 промежуточных узлах. Здесь мы ограничимся рассмотрением этой задачи в том случае, когда n2 силы F2,F3,,Fn1 параллельны и направлены в одну и ту же сторону (фиг. 49); заметим, что это частное предположение заслуживает рассмотрения потому, что оно осуществляется в случае,
когда внешние силы, действующне на систему, представляют собой силы тяжести.

Прежде всего легко убедиться, что, независимо от того, закреплены концы или нет, в том случае, когда в системе сил, приложенных х узлам и способных поддерживать равновесие, сили, прямо приложенные к промежуточным узлам, параллельны (и направлены в какую угодно сторону), силовой многоугольник будет плоским.
В самом деле, в этом случае стороны Q2Q3,Q3Q4,, Qn1Qn силового многоугольника будут лежать на одной прямой, так что, каково бы ни было положение оставшейся вершины Q1, приложенные векторы Q2Q1,Q3Q1,,QnQ1, представляющие собой усилия, бұдут компланарны, а поэтому такими же будут и стороны P1P2,P2P3,,Pn1Pn веревочного многоугольника, поскольку они должны быть параллельны усилиям.
12. Предноложим тешерь опят, что оба конца P1,Pn стержневой системы закреплены, и, рассматривая n2 параллельные силы как веса, обозначим величины их через p2,p3,,pn1.

Для того чтобы определить скловой многоугольник, будем идти аналитическим путем. Возьмем в вертикальной плоскости, прохоцящей через точки P1 и Pn, в которой должен лежать веревочный многоугольник (см. предыдущий пунгт), дегартову систему осей Oxy с осью y, направленной вверх, и обозначим через x1,y1 и xn,yn координаты точек P1,Pn, а через l1,l2,,ln1 — длины стержней P1P2,P2P3,,Pn1,Pn.

За главные неизвестные задачи примем углы α1,α2,,αn1, которые эти стержни (каждый из них направлен в сторону обхода веревочного многоугольника от P1 к Pn ) образуют с направлением оси x; заметим при этом, что для определения их мы должны воспользоваться уравнениями равновесия (5) и (6). Обратим внимание только на неопределенные уравнения
FiΦi1,i+Φi,i+1=0(i=2,3,,n1),

так как уравнения (6) служат лишь для определения двух последних неизвестных (сил F1 и Fr, приложенных к закрепленным узлам P1 и Pn ) и не влияют на форму многоугольника.

Далее, уравнения (5) (представляющие собой n2 векторных уравнений в плоскости) нереходят в 2(n2) скалярных уравнений между горизонтальными и вертикальными проекциями. Так как горизонтальные проекции си. Φi равны нулю, то, проектируя уравнения (5) на ось x, мы увндим, что усилия Φ1,2,Φ2,3,, Φn1,n все имеют одинаковые горизонтальные проекции.

Здесь мы можем ограничиться рассмотрением случая, когда эти проекции, общую величину котсрых мы обозначим через φ, отличны от нуля. Действительно, если какое-нибудь из усилий обращается в нуль, то можно представить себе, что связность в соответствующем узле устранена без нарушения равновесия, и тогда задача оказывается сведенной к двум различным задачам, относящимся к многоугольникам с меньшим числом стержней. Исключив этот случай, никакое усилие уже нельзя считать равным нулю; и тогда предположение φ=0 будет означать, что усилия, а вместе с ними и стороны веревочного многоугольника, все будут вертикальными. Если мы оставим в стороне не представляющий интереса случай, когда P1 и Pn находятся на одной п той же вертикали, то упомянутая только что возможность исключается, поэтому следует считать, что φeq0.

Теперь, принимая φ за вспомогательную неизвестную, мы в состоянии выразить через φ и через гивные неизвестные α1,α2,,αn1 вертикальные составляющие усилий. Достаточно заметить, что если они имеют линиями действия P1P2,P2P3,,Pn1Pn, то отношения (конечные в силу предподожения, что φeq0 ) между величинами вертикальных и горизонтальных составляющих выражаютея (каково бы ни было направление отдельных усилий) тангенсами углов наклона α1;α2,,αn1, так что величины вертикальных составляющих соответственно будут иметь значения
φtgα1,φtgα2,,φtgαn1.

Проектируя векторные уравнения (5) на ось y (вертикальную и направленную вверх), мы получим уравнения
pi+φtgαi1=φtgαi(i=2,3,,n1),

к которым необходимо присоединить уравнения, связывающие xn, yn с x1,y1,l и α. Эти два уравнения можно получить, спроектировав веревочный многоугольник P1P2Pn1Pn на две оси координат и выразив, что эти проекции являются не чем иным, как xnx1,yny1.
Таким образом, мы получим
xn=x1+i=1n1licosαi,yn=y1+i=1n1lisinαi.

Уравнения (10), (11) в совокупности составляют n уравнений между таким же числом неизвестных α1,α2,,αn1, 甲. Для решения их удобно положить
tgα1=Ψφ,

что, конечно, возможно, так как, на основании сделанного выше замечания, φ можно предполагать не равным нулю. Суммируя уравнения (10) от i=2 до любого i и согращая в полученном уравнении члены φtgα2,φtgα3,,φtgαi1, общие обеим частям уравнения, будем иметь
tgα1=ψ+j=2ipjφ(i=2,,n1).

Уравнения ( 10) вместе с равенством tgα1=ψ/φ выражают тангенс любого угла αi через ψ и. Если определим из этих уравнений обычным способом cosα и sinα и внесем их значения в уравнения (11), то получим два уравнения между φ п , пригодных для определения этих велнин. Слегует, однако, предупредить, что действительное определение φ и в общем случае будет очень сложным: для n=3 положение точки P2 определяется непосредственно, если будут заданы длины P1P2,P3P2; но уже при довольно высокую степень.

1
Оглавление
email@scask.ru