Что такое сила, сложение сил, равнодействующая. Сложение сил

При одновременном действии на одно тело нескольких сил тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые бы возникли под действием каждой силы в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке, складываются по правилу сложения векторов.

Векторная сумма всех сил, одновременно действующих на тело, называется равнодействующей силой .

Прямая, проходящая через вектор силы, называется линией действия силы. Если силы приложены к разным точкам тела и действуют не параллельно друг другу, то равнодействующая приложена к точке пересечения линий действия сил. Если силы действуют параллельно друг другу, то точки приложения результирующей силы нет, а линия ее действия определяется формулой: (см. рисунок).

Момент силы. Условие равновесия рычага

Основным признаком взаимодействия тел в динамике является возникновение ускорений. Однако часто бывает нужно знать, при каких условиях тело, на которое действует несколько различных сил, находится в состоянии равновесия.

Существует два вида механического движения – поступательное движение и вращение .

Если траектории движения всех точек тела одинаковы, то движение поступательное . Если траектории всех точек тела – дуги концентрических окружностей (окружностей с одним центром – точкой вращения), то движение вращательное.

Равновесие невращающихся тел : невращающееся тело находится в равновесии, если геометрическая сумма сил, приложенных к телу, равна нулю.

Равновесие тела, имеющего неподвижную ось вращения

Если линия действия силы, приложенной к телу, проходит через ось вращения тела, то эта сила уравновешивается силой упругости со стороны оси вращения.

Если линия действия силы не пересекает ось вращения, то эта сила не может быть уравновешена силой упругости со стороны оси вращения, и тело поворачивается вокруг оси.

Вращение тела вокруг оси под действием одной силы может быть остановлено действием второй силы. Опыт показывает, что если две силы по отдельности вызывают вращение тела в противоположных направлениях, то при их одновременном действии тело находится в равновесии, если выполняется условие:

, где d 1 иd 2 – кратчайшие расстояния от линий действия силF 1 иF 2. Расстояниеdназываетсяплечом силы , а произведение модуля силы на плечо –моментом силы :

.

Если моментам сил, вызывающим вращение тела вокруг оси по часовой стрелке, приписать положительный знак, а моментам сил, вызывающим вращение против часовой стрелки, – отрицательный знак, то условие равновесия тела, имеющего ось вращения, можно сформулировать в виде правила моментов: тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

За единицу вращающего момента в СИ принимается момент силы в 1 Н, линия действия которой находится на расстоянии 1 м от оси вращения. Эту единицу называют ньютон-метром .

Общее условие равновесия тела :тело находится в равновесии, если равны нулю геометрическая сумма всех приложенных к нему сил и алгебраическая сумма моментов этих сил относительно оси вращения .

При выполнении этого условия тело необязательно находится в покое. Оно может двигаться равномерно и прямолинейно или вращаться.

Действия тел друг на друга описывают с помощью сил. Силы, характеризующие взаимодействия, приводящие к изменению или скорости тела, или его формы и размеров. Кроме того, результат действия одного тела на другое зависит также от направления этого действия.

В системе СИ сила измеряется в ньютонах (1 Н).

1 H - это сила, которая телу массой 1 кг дает ускорение 1 м/с2.

Каждая сила характеризуется числовым значением (модулем), направлением и точкой приложения.

При чертежи силы, как и другие векторные величины, обозначают стрелками. Начало стрелки совпадает с точкой приложения силы, направление стрелки указывает направление силы, а длина стрелки пропорциональна модулю силы.
Сложение сил. Равнодействующая

На тело очень редко действует только одна сила, чаще всего - две или три. Если на тело действует несколько сил, то результат их действия будет таким, каким был бы при условии действия на него силы, которую называют равнодействующей.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Что является мерой взаимодействия тел?

2. Приведите примеры действия сил в механике.

3. От чего зависит действие силы на тело?

4. Как вычислить равнодействующую нескольких сил?

Закрепление изученного материала

1. Тренируемся решать задачи

1. На тело действуют две силы во взаимно перпендикулярных направлениях. Чему равна модуль равнодействующей силы, если модули сил равны 5 и 12 Н?
2. Модуль равнодействующей сил, действующих во взаимно перпендикулярных направлениях, равен 50 Н. Модуль одной из сил равен 25 Н. Чему равна модуль второй силы?

3. Вычислите модуль равнодействующей двух сил, образующих между собой угол 60 °, если каждая сила равна 600 Н.

2. Контрольные вопросы

1. Как характеризуется каждая сила?

2. Что необходимо знать, чтобы вычислить силу?

3. Как вычислить равнодействующую более двух сил?

4. Может равнодействующая двух сил 4 H и 5 Н, действующие на тело вдоль одной прямой, равна 2 Н? С Н? 8 Н? 10 Н?

Что мы узнали на уроке

Действие тел или частиц друг на друга называют взаимодействием.

Сила - это векторная величина, являющаяся мерой воздействия на тело других тел, в результате которой тело получает ускорение или изменяет форму и размеры.

1 H - это сила, которая телу массой 1 кг дает ускорение 1м/с2.

Равнодействующая сила - это сила, действие которой заменяет действие нескольких сил, одновременно действующих на тело.

Статика изучает условия равновесия материальной точки и абсолютного твердого тела.

Абсолютно твердое тело - тело, размеры и форму которого можно считать неизменными.

Под условиями равновесия понимают условия, при которых тело при наличии внешнего воздействия может находиться в покое относительно инерциальной системы отсчета; двигаться поступательно, равномерно и прямолинейно; равномерно вращаться относительно оси, проходящей через центр масс.

Сила. Сложение сил

Основные физические величины, используемые в статике, - сила и момент силы. Сила как величина векторная характеризуется модулем, направлением в пространстве и точкой приложения.

Результат действия силы на материальную точку зависит только от ее модуля и направления. Твердое же тело имеет определенные размеры. Поэтому одинаковые по модулю и направлению силы вызывают различные движения твердого тела в зависимости от точки приложения.

Точку приложения силы можно переносить только вдоль прямой, вдоль которой эта сила действует. Об этом необходимо всегда помнить при осуществлении различных операций над силами.

Сила \(~\vec R\), которая производит на тело такое же действие, как и несколько одновременно действующих на него сил, называется равнодействующей . Она равна геометрической сумме этих сил\[~\vec R = \sum^n_{i=1} \vec F_i\].

Сложить силы - это значит найти их равнодействующую.

Если к телу приложено две силы в одной точке, то равнодействующую находят по правилу параллелограмма (рис. 1). Модуль равнодействующей двух сил можно определить по теореме косинусов

\(~R = \sqrt{F^2_1 + F^2_2 + 2F_1F_2 \cos \alpha}\)

или при α = 90°- по теореме Пифагора.

Если непараллельные силы приложены в разных точках тела, то для нахождения их равнодействующей эти силы \(~\vec F_1\) и \(~\vec F_2\) переносят в точку О пересечения прямых, вдоль которых они действуют (рис. 2), а затем производят их векторное сложение по правилу параллелограмма. Точкой приложения равнодействующей силы может быть любая точка прямой, вдоль которой она действует.

Сложение сил производят, используя правило сложения векторов. Или так называемое правило параллелограмма. Так как сила изображается в виде вектора, то есть это отрезок, длинна которого показывает числовое значение силы, а направление указывает направление действия силы. То складывают силы, то есть вектора, с помощью геометрического суммирования векторов.

С другой стороны сложение сил это нахождение равнодействующей нескольких сил. То есть когда на тело действует несколько разных сил. Разных как по величине, так и по направлению. Необходимо найти результирующую силу, которая буде действовать на тело в целом. В этом случае можно силы складывать попарно использую правило параллелограмма. Сначала складываем две силы. К их равнодействующей прибавляем еще одну. И так до тех пор, пока не сложатся все силы.

Рисунок 1 - Правило параллелограмма.

Правило параллелограмма можно описать так. Для двух сил выходящих из одной точки, и имеющих между собой угол отличный от нуля или 180 градусов. Можно построить параллелограмм. Путем переноса начала одного вектора в конец другого. Диагональ этого параллелограмма и будет равнодействующей этих сил.

Но также можно использовать и правило многоугольника сил. В этом случае выбирается начальная точка. Из этой точки выходит первый вектор силы действующей на тело, далее к его концу добавляется следующий вектор, методом параллельного переноса. И так далее до тех пор, пока не будет получен многоугольник сил. В конце концов, равнодействующей всех сил в такой системе будет вектор, проведенный из начальной точки в конец последнего вектора.

Рисунок 2 - Многоугольник сил.

В случае если тело движется под действием нескольких сил приложенных к разным точкам тела. Можно считать, что оно движется под действием равнодействующей силы приложенной к центру масс данного тела.

Наряду со сложением сил, для упрощения расчетов движения, применяется и метод разложения сил. Как видно из названия, суть метода заключается в том, что одну силу, действующую на тело, раскладывают на составляющие силы. В этом случае составляющие силы оказывают на тело такое же воздействие, как и изначальная сила.

Разложение сил также производится по правилу параллелограмма. Они должны выходить из одной точки. Из той же точки, из которой выходит разлагаемая сила. Как правило, разлагаемую силу представляют в виде проекций на перпендикулярные оси. К примеру, как сила тяжести и сила трения, действующие на брусок, лежащий на наклонной плоскости.

Рисунок 3 - Брусок на наклонной плоскости.