Силы или нагрузки, действующие на сооружения и их элементы, называют внешними. Они представляют собой силы или пары сил (моменты), которые могут рассматриваться как сосредоточенные и распределенные силы.

Все реальные силы распределенные. Контакт двух упругих тел всегда осуществляется по некоторой площадке. Однако по принципу Сен-Венана действия большинства сил может быть заменено сосредоточенной нагрузкой, если площадка достаточно малая по сравнению с размерами тела.

Распределенные нагрузки можно подразделить на:

Распределенные по длине или погонные нагрузки (вес балок, канатов)

Поверхностные (давление ветра, воды)

Объемные (сила тяжести тела, силы инерции).

Все нагрузки могут быть:

Статическими, т.е. не меняющиеся во времени или меняющиеся столь медленно, что ускорением можно пренебречь

Динамическими, т.к. изменяющиеся во времени с большой скоростью (ударные). Под действием этих нагрузок возникают колебания сооружений.

Динамические нагрузки в свою очередь подразделяются на периодические и случайные нагрузки. К случайным нагрузкам относятся нагрузки, действующие на детали автомобилей, тракторов, станков, а также нагрузки, действующие на сооружения (дома, мачты, краны и т. п.) от давления ветра, снега и т. п.

Более глубокое изучение таких нагрузок возможно лишь с помощью методов статистики и теории вероятности, которые применяются при изучении случайных велечин.

В машиностроении расчетные нагрузки определяются в зависимости от конкретных условий работы машины: по номинальным значениям мощности, угловой скорости отдельных ее деталей, силы тяжести, сил инерции и т. п. Например, при расчете деталей трехтонного автомобиля учитывают номинальный полезный груз, равный 3 тонны. Возможность же перегрузки автомобиля учитывают тем, что размеры сечения деталей назначают с некоторым запасом прочности.

Под действием внешних сил в деформируемых телах возникают внутренние силы. Такие силы являются непрерывно распределенными и в общем случае различны в разных точках тела.

Связь между внешними и внутренними нагрузками определяется уравнениями равновесия.

Это делается с помощью метода сечения.

Метод сечений

Для того чтобы определить внутренние силовые факторы необходимо:

1. В интересующей нас точке рассечь тело некоторой плоскостью. Как правило, плоскость перпендикулярна оси стержня.

Рис. 1.11. Рассматриваемое твердое тело в исходном состоянии

2. Приложим в сечении силы внутреннего взаимодействия.

Рис 1.12. Действие сил внутреннего взаимодействия

суммарной силой R

суммарным моментом М.

Рис 1.13. Рассматриваемая часть конструкции с равнодействующими внутренних сил

Вектор результирующего момента перпендикулярен плоскости действия и его направление определяется правилом буравчика с правой резьбой (рис.1.14).

Рис 1.14 К определению величины и направления действия момента

4. Спроектируем суммарные вектора и на оси Оxyz

Рис. 1.15 Проекции суммарной силы

При проектировании суммарной силы получим:

Продольная сила, направленная вдоль оси стержня

Поперечные силы, действующие в плоскости поперечного сечения.

Аналогичным образом при проектировании суммарного момента получим:

Крутящий момент в плоскости, перпендикулярной оси симметрии

изгибающие моменты в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Рис. 1.16 Проектирование суммарного момента

В трехмерном случае для определения шести неизвестных внутренних силовых факторов необходимо использовать шесть уравнений статического равновесия

В частном случае в поперечном сечении стержня могут возникать:

Только продольная сила. Этот случай нагружения называется растяжением (если сила направлена от сечения) или сжатием (если продольная сила направлена к сечению).

Только поперечная сила или. Это случай сдвига.

Только крутящий момент. Это случай кручения.

Только изгибающий момент или. Это случай изгиба.

Несколько усилий, например изгибающий и крутящий моменты. Это случай сложных деформаций или сложного сопротивления.

Если число неизвестных усилий равно числу уравнений равновесия, задача называется статически определимой. Если же число неизвестных усилий больше числа уравнений равновесия - статически неопределимой.

Для статически неопределимых задач кроме уравнений равновесия необходимо использовать еще дополнительные уравнения при рассмотрении деформации системы.

Напряжения. При одной и той же продольной силе прочность конструкции определяется площадью поперечного сечения.

Потому для оценки прочности вводится напряжение

Выделим вокруг некоторой точки бесконечно малую площадку.

Рис. 1.17 Проектирование полного напряжения

Вектор полного или истинного напряжения в данной точке. Упрощенно можно сказать, что напряжением называется внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади в данной точке данного сечения

Удобнее работать с двумя проекциями полного напряжения:

Составляющую, нормальную к плоскости сечения. Эта составляющая обозначается и называется нормальным напряжением (см. рис. 1.17)

Составляющая, лежащая в плоскости сечения. Эта составляющая обозначается и называется касательным напряжениями. Касательное напряжение в зависимости от действующих сил может любое направление в плоскости сечения. Для удобства представляют в виде двух составляющих по направлению координатных осей (рис.1.18)

Рис. 1.18 Напряжения в данной точке в общем трехмерном случае

Здесь первый нижний индекс у касательных напряжение указывает, какой оси параллельна нормаль к площадке действия данного напряжения, а второй индекс - какой оси параллельно само напряжение.

Наряду с графическим представлением напряжений в точке деформируемого тела часто используется и векторная форма их представления.

Оценка прочностных свойств материала производится или по наибольшему нормальному напряжению, или по наибольшему касательному напряжению (расчет на сдвиг), тогда условие прочности записывается в виде

где и - допускаемые значения нормального и касательного напряжений, зависящие от материала и условий работы рассчитываемого элемента конструкции. Величины и выбираются с таким расчетом, чтобы была обеспечена нормальная эксплуатация конструкции.

Перемещение. Любая точка упругого деформированного тела после напряжения получает некоторое перемещение.

Рис. 1.19 Перемещение точки в общем случае нагружения

Для практического использования удобнее представить перемещение в виде трех проекций на декартовые оси координат

Деформации. Сама величина перемещения не позволяет оценить степень удаленности данного уровня нагружения от предельного состояния. Степень деформирования данной точки конструкции можно оценить с помощью относительной линейной деформации

Или деформация. Используя закон Гука, можно записать

Если нормальным напряжениям соответствует линейная деформация, то касательным напряжениям соответствует угловая сдвиговая деформация

Рис 1.20 Деформация малого элемента при сдвиге

По аналогии с (1.4) можно использовать векторное представление деформаций

На земной поверхности постоянно действуют силы, которые разрушают скалы, размывают берега, переносят массы раздробленных и растворенных минеральных веществ, осаждают и накапливают слои осадков. Подобные процессы, господствующие на поверхности Земли , называются внешними или экзогенными . С давних пор от них отделяют глубинные, внутренние , или эндогенные , силы, источники которых находятся в недрах планеты. Извне воздействуют на Землю силы притяжения Луны и Солнца . Сила притяжения других небесных тел очень мала, и ею можно пренебречь. Однако некоторые ученые считают, что в геологической истории Земли за десятки миллионов лет гравитационные воздействия из космоса могут значительно возрастать. В результате их происходят, например, морские приливы. Некоторые ученые к экзогенным силам относят и земное притяжение, из-за которого происходят оползни и обвалы, стекают воды, перемещаются ледники и т. д.

Экзогенные силы разрушают и химически преобразуют горные породы , переносят рыхлые и растворимые продукты разрушения водой, ветром и ледниками. Одновременно идет отложение, накопление (аккумуляция) продуктов разрушения на суше или на дне водоемов в виде осадков (в дальнейшем они преобразуются в осадочные горные породы). Внешние силы участвуют, в сочетании с внутренними, в формировании рельефа Земли , в образовании осадочных пород и многих типов месторождений полезных ископаемых (например, руд алюминия - бокситов, никеля и др.).

Обычно считается, что от соотношения движений земной коры и денудации зависит направление развития рельефа : при преобладании разрушения и денудации над тектоническими процессами происходит общее нивелирование и понижение рельефа . Горы постепенно превращаются в пенеплены - слабо всхолмленные, местами почти ровные, предельные равнины. Под влиянием новейших тектонических движений пенеплены поднимаются, образуя высокие плоские хребты (например в Саянах, в Тянь-Шане), или опускаются, покрываясь толщей коры выветривания.

Земная поверхность, согласно подобным представлениям, выглядит как арена борьбы внутренних и внешних сил планеты. Первые вызывают движения в земной коре, вторые - разрушают поверхность гор и перераспределяют продукты разрушения. Выходит, будто внутренние силы планеты созидательные, «главные», без которых замерла бы жизнь Земли , сгладился бы рельеф и повсюду расстилалась гладь Мирового океана . Так ли это?

Прежде чем ответить на этот вопрос, познакомимся с внутренними (эндогенными) силами. У них главный источник энергии - внутренняя теплота в недрах Земли . К внутренним силам относятся: распад радиоактивных веществ, различные химические реакции и превращения вещества в недрах, внезапные разрядки возникающих в толще планеты напряжений. Эндогенные силы вызывают движения магмы, вулканическую деятельность, метаморфизм горных пород , землетрясения , медленные поднятия и опускания земной коры, ее горизонтальные перемещения, разрывы в толще горных пород , образование месторождений полезных ископаемых и т. д.

Они ярко проявляются в магматизме - сложных процессах возникновения и движения магмы (расплавленной огненно-жидкой массы) в верхние горизонты коры и к поверхности Земли . Она имеет преимущественно силикатный состав и образуется в земной коре или (редко) в верхней мантии. Главные типы магм: основная (базальтовая) и кислая (гранитная). Извергаясь на поверхность Земли , магма образует вулканы .

Это эффузивный магматизм.

Магма не всегда изливается, а часто внедряется в толщу горных пород и там медленно остывает. Так образуются интрузии . Слагающие их магматические породы называют интрузивными. Формируясь в условиях медленного охлаждения магмы под большим давлением, интрузивные породы приобретают правильную равномерно-зернистую структуру. В процессе денудации массивы интрузивных пород могут оказаться на земной поверхности. Например, очень много гранитных массивов в Забайкалье, есть они на Урале, в Украине, в Средней Азии.

Из магматических внедрений наиболее известны лакколиты - грибообразные или подобные караваям интрузии, приподнявшие осадочные слои. Лакколиты залегают неглубоко, и приподнятые слои иногда образуют огромные купола - диаметром от сотен метров до 5-6 км и более. Широко известны лакколиты района Минеральных Вод на Северном Кавказе, поднимающиеся среди ровного плато: горы Железная, Бештау, Машук и др.; Аюдаг - в Крыму.

Дайки - результат внедрения магмы по трещинам в земную кору. Нередко породы, слагающие их, бывают более твердыми, чем окружающие; поэтому при выветривании дайки остаются в виде стены. Толщина их может достигать десятков и даже сотен метров. Трещинные интрузии небольшой мощности и неправильной формы называют магматическими жилами . Иногда в узле пересечения трещин залегают штоки , подобные столбам. Крупные массивы глубинных горных пород , главным образом гранитоидов, удлиненно-овальной формы, залегающих на значительной глубине, называются батолитами. Они достигают 2000 км в длину и 100 км и более в ширину. С гранитными батолитами связаны месторождения олова, вольфрама, золота и многих других металлов.

Медленные поднятия и опускания обширных участков земной коры сопровождают всю историю Земли , они происходят, конечно, и в наши дни. Направление этих колебательных, или эпейрогенических, движений (эпейрогенез) с течением времени изменяется: поднимающиеся участки начинают погружаться, и наоборот. Скорость таких движений настолько мала, что за короткий отрезок времени их заметить трудно. Скорости выражаются долями миллиметров в год, а предельные - сантиметрами в год. Классический пример опусканий - территория Голландии. Значительная ее часть находится ниже уровня моря и от вторжения моря защищена дамбами. Они надстраиваются по мере опускания суши. Скорость опускания здесь - 0,5-0,7 см/год. А поднимается земная кора, например, в Швеции и Финляндии, где по берегам Ботнического залива многие порты оказались удаленными от моря на значительное расстояние.

Внутренние силы работают в недрах планеты и совершенно скрыты от наших глаз. Эпейрогенические колебательные движения столь неторопливы, что заметить их также нельзя. Конечно, некоторые проявления внутренней жизни Земли видны на поверхности (вулканы) или ощущаются людьми (землетрясения). А вот интрузии, дайки, жилы - результаты вековых движений поверхности, разрывы земной коры и многое другое - разве все это может наблюдать краевед? Да, может. Особенно в горной местности, на обнажениях, где хорошо видны, вскрыты эрозией слои горных пород, жилы, штоки, дайки и т. п. В разных районах нашей страны имеются обнажения горных пород, в которых выходят на поверхность отложения самых разных геологических эпох: от древнейших пород (они обнажаются в пределах Балтийского щита, Восточной Сибири, Украинского кристаллического массива) до современных, созданных в результате деятельности человека.

В конце прошлого века было открыто явление радиоактивности. Энергия распада ядер очень велика, радиоактивных минералов в недрах много. Ученые стали подсчитывать мощности внешних и внутренних источников энергии Земли . Выяснилось, что среди них абсолютно преобладает лучистая энергия Солнца . Перехватываемая Землей лучистая энергия Солнца в тысячи раз превышает все внутренние источники, вместе взятые. Выходит, внешние силы должны играть главную роль в жизни нашей планеты. По мнению советского ученого-естествоиспытателя В. И. Вернадского, в глубинах планеты ниже земной коры геологическая активность быстро затухает. Действительно, почти все эпицентры землетрясений и вулканические очаги приурочены к земной коре и отчасти к подстилающему ее слою астеносферы (области относительно низкой вязкости подкорового вещества, которое частично находится в пластичном состоянии). Но ведь, как известно, земная кора - это область былых биосфер. Почти все слагающие ее породы некогда побывали на земной поверхности, подверглись «обработке» внешними силами и накопили в той или иной форме солнечную энергию. А затем, опускаясь на многие километры в недра Земли , под огромным давлением вышележащих пород они отдают накопленную энергию. Теперь она становится как бы внутренней тепловой (геотермальной) энергией Земли, вызывая множество геологических процессов как в глубинах (например, магматизм), так и на поверхности (вулканизм и др.).

Строение вулкана: 1 - кальдера; 2 - сомма; 3 - конус, 4 - кратер; 5 - жерло. 6 - лавовый поток; 7 - лавовый очаг.



Залегание магматических пород: Б - батолит; Л - лакколит; Ш - шток; Ж - жила; П - покров.



Типы вулканов: 1 - площадной; 2 - трещинный; 3 - гавайский; 4 - стромболианский; 5 - везувианский; 6 - плинианский.

Силой называется мера механического взаимодействия материальных тел.

Сила F - векторная величина и ее действие на тело определяется:

• модулем или числовым значением силы (F);
• направлением силы (ортом e );
• точкой приложения силы (точка A).

Прямая AB, по которой направлена сила, называется линией действия силы.

Сила может быть задана:

• геометрическим способом , то есть как вектор с известным модулем F и известным направлением, определяемым ортом e ;
• аналитическим способом , то есть ее проекциями F x , F y , F z на оси выбранной системы координат Oxyz .

Точка A приложения силы должна быть задана ее координатами x, y, z.

Проекции силы связаны с ее модулем и направляющими косинусами (косинусы углов , , , которые образует сила с координатными осями Ox, Oy, Oz) следующими соотношениями:

F=(F x 2 +F y 2 +F x 2) ; e x =cos =F x /F; e y =cos =F y /F; e z =cos =F z /F;

Силу F , действующую на абсолютно твердое тело, можно считать приложенной к любой точке на линии действия силы (такой вектор называют скользящим ). Если сила действует на твердое деформируемое тело, то ее точку приложения переносить нельзя, так как при таком переносе изменяются внутренние усилия в теле (такой вектор называют приложенным ).

Единицей измерения силы в системе единиц СИ является ньютон (Н) ; применяется и более крупная единица 1кН=1000Н.

Материальные тела могут действовать друг на друга путем непосредственного соприкосновения или на расстоянии. В зависимости от этого силы можно разделить на две категории:

• поверхностные силы, приложенные к поверхности тела (например, силы давления на тело со стороны окружающей среды);
• объемные (массовые) силы, приложенные к данной части объема тела (например, силы тяготения).

Поверхностные и объемные силы называют распределенными силами. В ряде случаев силы можно рассматривать распределенными по некоторой кривой (например, силы веса тонкого стержня). Распределенные силы характеризуются их интенсивностью (плотностью) , то есть суммарной величиной силы, приходящейся на единицу длины, площади или объема. Интенсивность может быть постоянной (равномерно распределенные силы) или переменной величиной.

Если можно пренебречь малыми размерами области действия распределенных сил, то рассматривают сосредоточенную силу, приложенную к телу в одной точке (условное понятие, так как практически приложить силу к одной точке тела нельзя).

Силы, приложенные к рассматриваемому телу, можно разделить на внешние и внутренние . Внешними называются силы, которые действуют на это тело со стороны других тел, а внутренними - силы, с которыми части данного тела взаимодействуют друг с другом.

Если перемещение данного тела в пространстве ограничивается другими телами, то его называют несвободным . Тела, ограничивающие движение данного тела, называют связями .

Аксиома связей: связи можно мысленно отбросить и считать тело свободным, если действие связей на тело заменить соответствующими силами, которые называют реакциями связей .

Реакции связей по своей природе отличаются от всех других приложенных к телу сил, не являющихся реакциями, которые принято называть активными силами. Это отличие состоит в том, что реакция связи полностью не определяется самой связью. Ее величина, а иногда и направление, зависят от активных сил, действующих на данное тело, которые обычно заранее известны и не зависят от других приложенных к телу сил. Кроме того, активные силы, действуя на покоящееся тело, могут сообщать ему то или иное движение; реакции же связей этим свойством не обладают, вследствие чего их также называют пассивными силами.

4. Метод Сечений. Внутренние силовые факторы.
Для определения и последующего вычисления дополнительных сил в любом сечении бруса применим метод сечений. Суть метода сечений заключается в том, что брус мысленно рассекают поперек на две части и рассматривают равновесие любой из них, находящейся под действием всех внешних и внутренних сил, приложенных к этой части. Будучи внутренними силами для целого тела, они играют роль внешних для выделенной части.

Пусть тело находится в равновесии под действием сил: (рисунок 5.1, а). Рассечем его плоскостью S и отбросим правую часть (рисунок 5.1, б). Закон распределения внутренних сил по сечению, в общем случае, неизвестен. Для его отыскания в каждой конкретной ситуации необходимо знать, как деформируется под воздействием внешних сил рассматриваемое тело.

Таким образом, метод сечений дает возможность определить только сумму внутренних сил. На основании гипотезы о сплошном строении материала можно считать, что внутренние силы во всех точках конкретного сечения представляют собой распределенную нагрузку.

Приведем систему внутренних сил в центре тяжести к главному вектору и главному моменту (рисунок 5.1, в). Спроектировав и на оси координат, получим общую картину напряженно-деформированного состояния рассматриваемого сечения бруса (рисунок 5.1, г).

5. Осевое растяжение – сжатие

Под растяжением (сжатием) понимают такой вид нагружения, при котором в поперечных сечениях стержня возникают только продольные силы , а прочие силовые факторы равны нулю.

Продольная сила – внутреннее усилие, равное сумме проекций всех внешних сил, взятых с одной стороны от сечения , на ось стержня. Примем следующее правило знаков для продольной силы : растягивающая продольная сила положительна, сжимающая – отрицательна

Деформация, прочность и жесткость. Сопротивление материалов представляет собой часть механики, в которой рассматриваются вопросы расчета элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость.

Сопротивление материалов опирается на знания теоретической механики. Но если объектом теоретической механики является абсолютно твердое тело, то в сопротивлении материалов рассматриваются деформируемые твердые тела.

На практике реальные части машин и сооружений подвергаются воздействию разного рода сил. Под действием этих сил происходит деформация тел, т.е. изменение взаимного расположения частиц материала. Если силы достаточно велики, возможно разрушение тела.

Способность тела воспринимать нагрузки без разрушения и больших деформаций называют соответственно прочностью и жесткостью.

Некоторые состояния равновесия тел и конструкций оказываются неустойчивыми, т.е. такими, при которых незначительные механические воздействия, как правило, случайного характера, могут привести к существенным отклонениям от этих состояний. Если же отклонения также невелики, то такие состояния равновесия называют устойчивыми.

Внешние силы. К внешним силам, действующим на конструкцию, относятся активные силы (нагрузки) и реакции внешних связей. Различают несколько видов нагрузок.

Сосредоточенная сила, приложенная в точке. Ее вводят вместо реальных сил, действующих на небольшой участок поверхности элемента конструкции, размерами которого можно пренебречь.

Распределенные силы. Например, силы давления жидкости на дно сосуда относятся к распределенным по поверхности нагрузкам и измеряются в единицах а силы веса - к нагрузке, распределенной по объему и измеряемой в . В ряде случаев вводят нагрузку, распределенную по линии, интенсивность которой измеряется в

Одним из вариантов нагрузок является сосредоточенный момент (пара сил).

Внутренние силы в стержне. Наиболее распространенным элементом конструкций является стержень, поэтому в сопротивлении материалов ему уделяют главное внимание.

Продольная ось и поперечное сечение - основные геометрические элементы стержня. Принимается, что поперечные сечения стержня

перпендикулярны продольной оси, а продольная ось проходит через центры тяжести поперечных сечений.

Внутренними силами стержня называют силы взаимодействия между его отдельными частями, возникающие под действием внешних сил (предполагается, что в отсутствие внешних сил внутренние силы равны нулю).

Рассмотрим стержень, находящийся в равновесии под действием некоторой системы внешних сил (рис. 1, а). Мысленно проведем произвольное поперечное сечение, которое делит стержень на две части Л и П. На правую часть П стержня со стороны левой части Л действует система распределенных по поверхности поперечного сечения сил - внутренних сил по отношению к стержню в целом. Эту систему сил можно привести к главному вектору и главному моменту М, взяв центр тяжести сечения - точку О - в качестве центра приведения.

Внутренние силовые факторы. Выберем систему координат, расположив оси х, у в поперечном сечении, а ось перпендикулярно ему, и разложим и М на составляющие по этим осям: (рис. 1, б).

Эти шесть величин называются внутренними силовыми факторами стержня (или внутренними усилиями) в рассматриваемом сечении. Каждое из этих усилий имеет свое название, соответствующее его направлению или определенному виду деформации стержня, который вызывается этим усилием. Силы называются поперечными (перерезывающими) силами, а -нормальной (продольной) силой. Моменты называются изгибающими моментами, а крутящим моментом.

Системой материальных точек (или тел) называется любая, выделенная нами их совокупность. Каждое тело системы может взаимодействовать как с телами, принадлежащими этой системе, так и с телами, не входящими в нее. Силы, действующие между телами системы, называются внутренними силами. Силы, действующие на тела системы со стороны тел, не входящих в данную систему, называются внешними силами. Система называется замкнутой (или изолированной ), если она включает в себя все взаимодействующие тела. Таким образом, в замкнутой системе действуют только внутренние силы.

Строго говоря, замкнутых систем в природе не существует. Однако практически всегда можно так сформулировать задачу, чтобы внешними силами можно было пренебречь (из-за их малости или скомпенсированное™, т.е. взаимоуничтожения) по сравнению с внутренними. Выбор воображаемой поверхности, ограничивающей систему, является прерогативой (свободной волей) субъекта, т.е. должен осуществляться исследователем на основе анализа внутренних и внешних сил. Одна и та же система тел может считаться замкнутой или открытой в различных условиях, зависящих от постановки задачи и от заданной точности ее решения.

В замкнутой системе тел все явления описываются с помощью простых и общих законов, поэтому, если допускают условия задачи, то следует пренебречь малым действием внешних сил и рассматривать систему как замкнутую. Это и есть то, что часто называют физической моделью объективной реальности.

Частным случаем идеальной механической системы является абсолютно твердое тело, которое не может ни деформироваться, ни изменяться в объеме, ни тем более разрушаться (очевидно, что таких тел в природе нет): расстояние между отдельными материальными точками, образующими такую систему, остаются постоянными при всех видах взаимодействия.

Теперь введем очень важное в механике понятие центра масс (центра инерции) системы материальных точек. Возьмем систему, состоящую из N материальных точек. Центром масс механической системы называется точка С, радиус-вектор положения которой в произвольно выбранной системе отсчета задан соотношением:

где /и, - масса материальной точки; /; - радиус-вектор, проведенный из начала координат системы отсчета в точку, где находится т,.

Если поместить начало координат в точку С, то Rc = 0 и тогда

что приводит к другому определению центра масс: центр масс механической системы - это такая точка, для которой сумма произведений масс всех материальных точек, образующих механическую систему, на их радиус-векторы, проведенные из этой точки, как начала коор

динат, равны нулю. На рисунке 1.

Рис. 1.11.

1 это проиллюстрировано на примере системы, состоящей из двух тел (например двухатомной молекулы).

Радиус-вектор Rc этой системы МТ в декартовой системе координат имеет координаты Х с, Y c , Z c (общий трехмерный случай). При этом положение центра масс может быть определено следующими уравнениями :

где М - суммарная масса механической системы МТ,

До сих пор мы оперировали совокупностью N дискретных материальных точек. А как быть с определением центра масс протяженного тела, масса которого распределена в пространстве непрерывно? Естественно перейти в этом случае от суммирования в (1.68)-(1.70) к интегрированию. При этом в векторной форме мы получим

Для имеющих плоскость симметрии (как в примере) тел центр масс располагается в этой плоскости. Если тело обладает осью симметрии (ось х в нашем примере), то центр масс непременно должен лежать на этой оси, если тело обладает центром симметрии (например, как в случае однородного шара), то этот центр должен совпадать с положением центра масс.

Для того чтобы определить, как движется центр масс системы, запишем выражения (1.70) в виде

=MZ C и продифференцируем их дважды по времени (все мас-

сы полагаем постоянными)

Сопоставив полученные равенства с выражениями (1.51), получаем

или (в векторной форме)

Эти уравнения, называемые дифференциальными уравнениями движения центра масс, совпадают по структуре с дифференциальными уравнениями движения материальной точки. Это позволяет сформулировать теорему о движении центра масс: центр масс механической системы движется как материальная точка, масса которой равна массе всей системы и к которой приложены все внешние силы, действующие на систему.

Если на систему не действуют внешние силы т.е. действие внешних сил скомпенсировано), то

т.е. скорость движения центра масс замкнутой системы всегда остается постоянной (сохраняется). Внутренние силы на движение центра масс системы никакого воздействия не оказывают. Если, в частности, в данной инерциальной системе координат центр масс замкнутой системы в один из моментов времени покоится, то это значит, что он будет находиться в покое всегда.

Многие задачи механики решаются наиболее просто в системе координат, связанной с центром масс.

• При выбранной в примере системе координат Zc = 0 (плоский одномерный случай).