4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki

Witam i dzisiaj pokażę Ci, że w zadaniach ze statyki spotkasz jeden z CZTERECH UKŁADÓW SIŁ i mając tę wiedzę łatwiej Ci będzie zrobić każde zadanie. Nie jest sztuką się nauczyć, ale sztuką jest znać

PODSTAWY

i jak się je zrozumie to naprawdę niewiele więcej potrzeba, aby tę wiedzę posiąść i umieć zastosować w praktyce.

I tak powstała ściąga, na której zbierzemy całą wiedzę ze statyki.
sciaga1 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
Tak naprawdę tyle potrzeba żeby temat zrozumieć i zrobić każde zadanie.
Po lewej widzisz I i III zasadę dynamiki Newtona i one są ciągle używane w zadaniach.
sciaga2 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
Pośrodku mamy tabele z układami sił i każde zadanie ze statyki to jest kilka lub więcej sił ułożonych w mniej lub bardziej skomplikowany sposób. Dobrym przykładem jest belka już uwolniona od więzów – widać reakcje podpór i parę sił zewnętrznych.
statyka5 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
W tabeli z różnymi rodzajami układów sił widać 4 różne kombinacje – w zadaniach spotkasz:
– układy sił na płaszczyźnie
– lub układy sił w przestrzeni.

Poza tym siły mogą:
– zbiegać się w jednym punkcie (układ zbieżny)
– oraz w innym przypadku siły NIE BĘDĄ się zbiegać w jednym punkcie (układ rozbieżny albo dowolny).
sciaga3 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
Jeszcze niżej na ściądze mamy 3 różne rodzaje podpór , które można spotkać w zadaniach :
podpora przegubowa stała – jest to zwyczajny przegub mocowany do podłoża lub innej stałej powierzchni,
podpora przegubowa przesuwna – jest to taki sam przegub jak poprzednio, ale dla odmiany może on się przesuwać po powierzchni oznaczonej dwiema krótkimi równoległymi kreskami,
utwierdzenie albo wmurowanie – to należy rozumieć dosłownie czyli sztywne mocowanie (na przykład belki) do stałej powierzchni.
sciaga4 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
Jak wiadomo i jak widać na powyższym obrazku zasadniczą sprawą jest różna liczba reakcji przy każdym z 3 przypadków.
Żeby się nam wszystko rozjaśniło, to weźmy pierwsze z brzegu zadanie z układów płaskich. Na tym prostym przykładzie pokażemy, jak łatwo jest poruszać się po temacie
statyka1 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
Powyżej widzisz płaski układ sił i jak uwolnimy od więzów pudło, które leży na równi
statyka2 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
to widać że siły zbiegają się praktycznie w jednym punkcie i dlatego zgodnie ze ściągą
sciaga5 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
możemy napisać 2 równania równowagi. Te 2 równania będą zgodne z I zasadą dynamiki, ponieważ siły działające na pudło się równoważą i w związku z tym pudło pozostaje w spoczynku.
Autor podał współczynnik tarcia między pudłem a równią,

Współczynnik tarcia – podstawy

a więc zgodnie ze ściągą
sciaga6 1024x768 - 4 układy sił i dwie zasady dynamiki Newtona czyli ściąga ze statyki
jeżeli pomiędzy ciałami występuje nacisk i pudło chce zjechać z równi, to wystąpi również siła tarcia, która robi wszystko żeby pudło nie zjechało z równi.
Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona o której również wspomniano na ściądze takie samo tarcie i taki sam nacisk również działają na równię pochyłą, ale będą zwrócone w przeciwne strony.
Na tym prostym przykładzie widać jak prosta jest statyka i nie potrzeba przeczytać wszystkich książek, żeby to ogarnąć.

Współczynnik tarcia – podstawy

Cześć wam i dzisiaj przypomnimy sobie o zjawisku tarcia a bardziej szczegółowo dotkniemy podstaw czyli współczynnika tarcia. Na przykładowe zadanie z tarcia możecie zerknąć tutaj:

Tarcie statyczne – zadanie 1

Po pierwsze wszyscy wiemy, że

współczynnik tarcia miedzy dwoma ciałami

pomnożony przez

nacisk miedzy nimi

daje

siłę tarcia.

Poniżej mamy szkic pudła o masie m uwolnionego od więzów leżącego na powierzchni, gdzie współczynnik tarcia między nimi wynosi μ.

tarcie5 - Współczynnik tarcia - podstawy

Wiadomo że aby ciało można było ruszyć, to siła F musi być większa od tarcia:

F > T = N * μ

To jest bardzo proste, ale przypomnijmy, że współczynnik tarcia zależy od materiału trących się ciał. Oto kilka przykładów współczynnika tarcia spoczynkowego (albo statycznego):
– drewno po drewnie – 0,4…0,7
– żeliwo po żeliwie – 0,16…0,22
– stal po stali – 0,15…0,17
– drewno po metalu – 0,6
– żeliwo po brązie – 0,18
– stal po lodzie – 0,02…0,03
Powyżej wymienione wartości będą się różnić w zależności od stanu powierzchni – to oczywiste że jeżeli ocierające się powierzchnie będą gładsze, to współczynnik tarcia będzie mniejszy.
I tu widzimy sposób na zmniejszenie tarcia czyli zwiększenie gładkości powierzchni poprzez na przykład polerowanie.
To na dzisiaj tyle czyli krótko i na temat.

Równia pochyła i tarcie – zadanie 47

Witam wszystkich i dzisiaj zrobimy zadanie z tarciem i równią pochyłą.
tarcie1 - Równia pochyła i tarcie - zadanie 47
Na równi pochyłej leży klocek o masie 2*m a za nim opierają się o niego dwa klocki (o masie m) leżące jeden na drugim i jest dany współczynnik tarcia między klockami oraz równią . Ten co wymyślił zadanie, zadaje pytanie:

JAKI MOŻE BYĆ MAKSYMALNY KĄT α, ŻEBY TO WSZYSTKO POZOSTAŁO NIERUCHOME

Łatwo sobie wyobrazić, że jeżeli kąt równi będzie za duży, to wszystko zjedzie na dół.
To co widzimy na obrazku, to jest

UKŁAD ZŁOŻONY

czyli w tym przypadku:

-duży klocek

-i dwa małe klocki.

Wobec tego przechodzimy do

KROKU PIERWSZEGO

Rozkładamy układ złożony na

UKŁADY PROSTE:

duży klocek
mały klocek
– drugi mały klocek

Rysujemy duży klocek i uwalniany od więzów
tarcie2 - Równia pochyła i tarcie - zadanie 47
czyli rysujemy siły pochodzące od:
– ciężaru
– nacisków dwóch mniejszych klocków które go naciskają
– nacisku i tarcia od równi na której klocek stoi.

Łatwo zauważyć że jest to układ sił płaski zbieżny, a więc można napisać 2 równania równowagi:

– suma rzutów sił na oś x
– suma rzutów sił na oś y

https://blog-student.com/statyka-sciaga-podstawy/
Klocek i cała równia lecą pod kątem i dlatego obrócimy układ współrzędnych o kąt α:
I teraz równania równowagi:
ΣPix = m*N1 – N2 – N3 – 2*m*g*sinα = 0 [1]
ΣPiy = N1 – 2*m*g*cosα = 0 [2]

Duży klocek został uwolniony od więzów i równania napisane, to teraz analogicznie działamy z małym górnym klockiem:
tarcie3 - Równia pochyła i tarcie - zadanie 47
Tutaj podobnie obrócimy układ współrzędnych i napiszemy równania równowagi statycznej:
ΣPix = m*N4 + N2 – m*g*sinα = 0 [3]
ΣPiy = N4 – m*g*cosα = 0 [4]

Analogicznie rozwiążemy temat małego dolnego klocka:

tarcie4 - Równia pochyła i tarcie - zadanie 47
ΣPix = m*N5 – m*N4 + N3 – m*g*sinα = 0 [5]
ΣPiy = N5 – N4 – m*g*cosα = 0 [6]

W DRUGIM KROKU

obliczymy szukany kąt α równi z powyższych sześciu równań statycznych.

Dodajemy stronami równania [4] i [6] :
N4 – m*g*cosα + N5 – N4 – m*g*cosα= 0
(- m)*g*cosα + N5 – m*g*cosα= 0
Nacisk pomiędzy dolnym małym klockiem a równią:
N5 = 2*m*g*cosα

Z równania [4] obliczymy nacisk między dwoma małymi klockami:
N4 = m*g*cosα

Z równania [2] wynika nacisk równi na duży klocek:
N1 = 2*m*g*cosα

Z równania [5] :
μ*2*m*g*cosα – μ*m*g*cosα + N3 – m*g*sinα = 0
μ*m*g*cosα + N3 – m*g*sinα= 0
Nacisk między dużym a małym dolnym klockiem:
N3 = m*g*sinα – μ*m*g*cosα

Z równania [1] :
μ*N1 – N2 – N3 – 2*m*g*sinα = 0
μ*2*m*g*cosα – (m*g*sinα – μ*m*g*cosα ) – 2*m*g*sinα = N2
μ*2*m*g*cosα – m*g*sinα + μ*m*g*cosα – 2*m*g*sinα = N2
Nacisk między dużym a małym górnym klockiem:
N2 = μ*3*m*g*cosα – 3*m*g*sinα

Wszystko co udało się obliczyć wstawiamy do równania [3]:
μ*m*g*cosα + μ*3*m*g*cosα – 3*m*g*sinα – m*g*sinα = 0
μ*4*m*g*cosα – 4*m*g*sinα = 0
μ*4*m*g*cosα = 4*m*g*sinα
μ*cosα = sinα
Dzielimy obie strony równania przez cosα:
tgα = μ
Wobec tego szukany kąt, żeby te wszystkie klocki nie zjechały na dół wynosi:
α = arctg μ

Prawda że łatwe?

Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31

Jakiś czas temu było zadanie ze statyki z układów płaskich a teraz zrobimy prosty układ przestrzenny.

Jest taka sobie klapa o masie m w kształcie trójkąta równoramiennego ułożyskowana na jednym z boków.
statyka22 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Żeby się ta klapa trzymała w pozycji poziomej, to do jednego z wierzchołków przymocowano cięgno. Drugi koniec cięgna zamocowano do pionowej ściany na wysokości h równej długości boku trójkąta. Autor zadaje pytanie:

OBLICZ REAKCJE WIĘZÓW

Jasna sprawa że chodzi o:
– reakcje w łożyskach
– i siłę w cięgnie.

Po pierwsze – uwalniamy od więzów

czyli zastępujemy siłami łożyska i pręt, bo to łączy klapę ze światem zewnętrznym.
statyka23 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
W lewym łożysku będziemy mieć 3 reakcje ( 2 poprzeczne i jedna wzdłużna) ponieważ jest to łożysko poprzeczno-wzdłużne. W prawym łożysku będą 2 prostopadłe reakcje w poprzek osi obrotu klapy, ponieważ jest to łożysko poprzeczne. Szósta reakcja jest siłą wzdłuż cięgna. Ciężar klapy przykładamy w środku ciężkości trójkąta czyli w 1/3 wysokości od podstawy.

Po drugie

Tutaj można napisać 6 równań ( trzy sumy rzutów sił na osie i trzy sumy momentów wokół osi) ponieważ jest to układ sił:
– przestrzenny
– rozbieżny – bo siły nie zbiegają się w jednym punkcie

Przy okazji warto określić położenie siły S a dokładnie kąt zawarty między siłą S a bokiem trójkąta.
Wiemy że zarówno podstawa jak i wysokość trójkąta mają długość h. Jak podzielimy trójkąt na pół to będziemy mieć 2 jednakowe trójkąty prostokątne

 

statyka24 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Długości przyprostokątnych widzimy na rysunku powyżej a przeciwprostokątną obliczymy z twierdzenia Pitagorasa:
h² + (h/2)² = AC²
AC = √[h² + (h/2)² ] = √ [h² + h² /4 ] = √ [1,25*h² ]  = 1,12 * h

To już zrobione, to teraz trzeba obliczyć kąt między cięgnem-siłą S a obliczoną przeciwprostokątną AC.
statyka25 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Jak widać na powyższym rysunku, jest to kąt między przeciwprostokątną klapy a jedną z przyprostokątnych kolejnego trójkąta prostokątnego ale tym razem takiego który jest umieszczony w pionie. Widać również, że mamy długości 2 boków, czyli możemy użyć trygonometrii. Jeżeli w trójkącie prostokątnym mamy kąt i 2 przyprostokątne, to z daleka widać, że to będzie tangens:
tgα = h : (1,12*h) = 0,893
czyli szukany kąt wynosi
α = arctg0,893 = 42°

Kolejna pomocnicza czynność to obliczenie kąta wierzchołkowego klapy w punkcie mocowania cięgna. Tutaj warto wrócić do połowy trójkąta równoramiennego-klapy czyli trójkąta prostokątnego ADC.

statyka26 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31
Na rysunku powyżej oznaczono połowę kąta wierzchołkowego klapy jako β/2. Znamy wszystkie długości boków w trójkącie prostokątnym i jeżeli wiemy że do obliczenia kąta musimy użyć trygonometrii, to możemy użyć dowolnej funkcji. Dla uproszczenia obliczeń użyjemy funkcji tangens:
tgβ/2 = 0,5*h / h = 0,5
β/2 = arctg0,5 = 26,5°
a więc szukany kąt wierzchołkowy trójkąta w punkcie mocowania cięgna wyniesie:
β = 53°
To jak już mamy wszystkie kąty i wzajemne położenie sił działających na klapę, to warto rozłożyć siłę w cięgnie S na dwie składowe, ponieważ nie jest ona równoległa do żadnej osi. Wiadomo tyle, że tworzy ona kąt a z bokiem AC trójkąta, wobec tego rozkładamy ją  na 2 składowe:
– pionową S*sinα
– równoległą do boku trójkąta S*cos α

statyka27 - Statyka – układ przestrzenny – zadanie 31

Po trzecie – to teraz piszemy równania równowagi statycznej dla tego układu

i dobrze będzie zacząć od sumy momentów:
∑Mix = m*g*h/3 – S*sinα*h=0 [1]
Wiadomo, że siła daje moment względem osi jeżeli:
NIE PRZECINA osi
– lub NIE JEST RÓWNOLEGŁA do osi
Wobec tego moment względem osi x (osi obrotu klapy) dają ciężar m*g i siła w cięgnie S.
Wiadomo również, że:
MOMENT = SIŁA * RAMIĘ
oraz wiadomo również, że siła i ramię muszą być do siebie PROSTOPADŁE.
W nawiązaniu do powyższego równania momentów:
– ciężar m*g działa na ramieniu 1/3 wysokości trójkąta h (bo tutaj jest jego środek ciężkości)
– składowa S*sinα działa na ramieniu h
I tutaj należy podkreślić, że składowa S*cosα nie daje momentu, ponieważ PRZECINA oś x. Jak już to wszystko wiadomo, to lecimy z pozostałymi osiami:
∑Miy = m*g*h/2 – S*sinα*h/2 – RBz*h = 0 [2]
Tutaj należy podkreślić że siły RAz i RAx nie dają momentów, bo przecinają oś y, a siły RAy i RBy też NIE dają momentów, ponieważ są do osi y RÓWNOLEGŁE.
No i została oś z:
∑Miz = RBy * h = 0 [3]
Sumy momentów są zrobione to teraz sumy rzutów sił:
∑Pix = RAx + S*cosα*sin β/2 = 0 [4]
∑Piy = RAy + RBy – S*cosα*cosβ/2 = 0 [5]
∑Piz = RAz + RBz – m*g + S*sinα = 0 [6]

I oto mamy wszystkie równania statyczne dla tego układu. Z powyższych 6 równań można wszystkie reakcje obliczyć. Z równania [1] obliczymy siłę w cięgnie:
m*g*h/3 = S*sinα*h
m*g = S*sinα*3
S = m*g : (3*sinα) = m*g : (3*sin42° ) = 0,5*m*g

Z równania [2] obliczymy reakcję RBz:
m*g*h/2 – S*sinα*h/2 = RBz*h
RBz = m*g/2 – S*sinα/2 = 0,5*m*g – 0,5*m*g*sin21° = 0,32*m*g
Z równania [3] wynika:
RBy = 0

Z równania [4] obliczymy reakcję RAx:
RAx = (-S)*cosα*sinβ/2 = (-m*g / (3*sin α) )*cosα*sinβ/2 =
= (-0,17)*m*g*ctgα*sinβ = (-0,17)*m*g*ctg42°*sin53° =
= (-0,15)*m*g

Z równania [5] obliczymy RAy:
RAy = (-RBy) + S*cosα*cosβ/2 = 0,17*m*g*ctgα*cosβ  =
= 0,17*m*g*ctg42°*cos53°  = 0,11*m*g

Z równania [6]obliczymy reakcję RAz:
RAz = (-RBz) + m*g – S*sinα = (-m)*g/2 + S*sinα/2 + m*g – S*sinα =
= S*(sinα /2-sinα) + 0,5*m*g =
= m*g / (3*sinα)*(sinα/2-sinα) + 0,5*m*g =
= 0,33*m*g * sin21° / sin42° + 0,17*m*g = 0,35*m*g

Prawda że łatwe?

Kratownica płaska – metoda równoważenia węzłów – zadanie 22

O statyce już było i to nie raz ale teraz zadanie z kratownicy płaskiej i metoda równoważenia węzłów. I na początek warto powiedzieć, co to jest kratownica:

Mówiąc prosto bierzemy kilka lub kilkanaście lub jeszcze więcej prętów i łączymy je przegubowo w taki sposób, że tworzą one sztywny element i przykładem pierwszym z brzegu niech będzie trójkąt stworzony z 3 prętów połączony przegubowo w 3 punktach.

statyka13 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Te punkty połączenia dalej będziemy nazywać WĘZŁAMI. Jasna sprawa że większość kratownic to układy prętowe znacznie bardziej skomplikowane niż taki sobie zwykły trójkąt. I teraz może takie proste zadanie:

statyka14 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Tak jak widać na rysunku powyżej mamy kratownicę zamocowaną w dwóch podporach (jednej stałej i drugiej przesuwnej) oraz obciążoną dwiema pionowymi siłami F. Autor zadania zadaje proste pytanie:

OBLICZ SIŁY W PRĘTACH

Zrobimy to w kilku prostych krokach metodą RÓWNOWAŻENIA WĘZŁÓW.

 

Po pierwsze

 

Uwalniamy CAŁĄ kratownicę od więzów, czyli zastępujemy siłami to, co ją łączy ze światem zewnętrznym. W tym przypadku kratownica jest mocowana do podłoża dwiema podporami:

– podpora przegubowa stała – zamiast niej rysujemy 2 prostopadłe do siebie reakcje

– podpora przegubowa przesuwna – zastępujemy ją siłą prostopadłą do 2 równoległych kresek

statyka15 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Po drugie

 

Piszemy równania równowagi statycznej i teraz spójrzmy jakie widzimy siły:

RA, RBx, RBy oraz 2 siły F i co najważniejsze te siły nie zbiegają się w jednym punkcie, czyli mamy układ PŁASKI ROZBIEŻNY – a więc piszemy 3 równania równowagi (2 sumy rzutów sił i sumę momentów).

Mechanika – statyka – zaczynamy od podstaw

Sumę momentów warto obliczyć względem punktu, przez który przechodzi NAJWIĘCEJ niewiadomych – w tym przypadku będzie to punkt B – RBx oraz RBy

MiB = F * L + F * 2 * L + RA * 3 * L = 0

ponieważ w ten sposób od razu obliczymy reakcję w drugiej podporze:

F * 3 * L + RA * 3 * L = 0

F + RA = 0

która wynosi:

RA = (-F)

Następnie piszemy sumy rzutów sił na osie , z których obliczymy reakcje w podporze B:

Pix = RBx = 0

Piy = (-RA) – F – F – RBy = 0

RBy = (-(-F)) – F – F = (-F)

 

Po trzecie

 

Jak już są obliczone reakcje zewnętrzne działające na kratownicę jako całość, to rozkładamy układ ZŁOŻONY – całą kratownicę na układy PROSTE – poszczególne węzły. W tym celu warto oznaczyć każdy z węzłów literą, a każdy z prętów cyfrą. 

statyka16 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

UWALNIAMY OD WIĘZÓW każdy węzeł czyli ZASTĘPUJEMY siłami pręty, które do niego dochodzą. Na wstępie możemy zacząć od

węzła A

 ponieważ dochodzą do niego DWA pręty, czyli w równaniach równowagi będą DWIE niewiadome siły.

statyka17 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Jak mamy taki węzeł A uwolniony od więzów, to widać, że wszystkie siły zbiegają się w jednym punkcie, czyli mamy układ PŁASKI ZBIEŻNY – wobec tego piszemy DWA równania równowagi – sumy rzutów sił na osie. I teraz równania równowagi:

Piy = S2 * cos45o – RA = 0

Z pierwszego równania obliczamy siłę w pierwszym pręcie:

S2 * cos45º = RA

S2 = RA : cos45º = (-F) : cos45º = (-1,4*F)

Pix = S1 + S2 * sin45º = 0

S1 = (-S2) * sin45º = (-(-1,4*F)) * sin45º = F

I teraz przechodzimy do

węzła C

 ponieważ mając siłę w drugim pręcie będziemy mieć 2 niewiadome.

statyka18 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Czyli od teraz do samego końca wszystko będzie przebiegać podobnie:

Pix = S3 – S2 * sin45º = 0

S3 = S2 * sin45º = (-1,4*F) * sin45º = (-F)

Piy = (-S4) – S2 * cos45º = 0

S4 = (-S2) * cos45º = (-(-1,4*F)) * cos45º = F

Analogicznie postępujemy dla pozostałych węzłów:

 

Węzeł D:

statyka19 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Piy = S4 – F + S6 * cos45º = 0

(-S4) + F = S6 * cos45º

(-F) + F = S6 * cos45º==> S6 = 0

Pix = S5 – S1 + S6 * sin45º = 0

S5 – F + 0 * sin45º = 0

S5 = F

 

Węzeł E:

statyka20 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Pix = S7 * sin45º – S5 =0

S7 * sin45º = S5

S7 = S5 : sin45º = F : sin45º = 1,4*F

Piy = S7 * cos45º + S8 = 0

S8 = (-S7) * cos45º = (-1,4*F) * cos45º = (-F)

 

Węzeł B:

statyka21 - Kratownica płaska - metoda równoważenia węzłów - zadanie 22

Ostatni węzeł i tu wystarczy suma rzutów sił na oś x, bo pozostała do obliczenia jeszcze jedna siła w pręcie:

Pix = RBx – S9 – S7 * sin45º = 0

0 – S9 – 1,4 * F * sin45º = 0

S9 = (-1,4) * F * sin45º = (-F)

I w taki prosty sposób obliczyliśmy siły we wszystkich prętach metodą równoważenia węzłów.