Понятие связи и ее реакции

Все тела можно разделить на две группы свободные и несвободные.

Тело называют свободным, если оно может получать перемещение в любом направлении (свободно падающий камень).

Тело называют несвободным, если оно не может получать перемещения хотя бы в одном направлении (шарик на нити не может удалиться от точки подвеса).

Физические тела, ограничивающие свободу других тел, называют механическими связями, или просто связями.

Сила, с которой связь действует на рассматриваемый объект, называется реакцией связи, или реактивной силой.

В подавляющем большинстве тела являются несвободными. Это значит, что связей имеется бесчисленное множество. Однако их можно объединить в группы (типы) по различным признакам.

1. Гладкая поверхность. Связь ограничивает перемещение тела лишь в одном направлении. Ее реакция совпадает с нормалью к поверхности связи в точке касания (см. ). Если в точке касания к связи нельзя провести нормаль (край стены, острие), то реакцию направляют по нормали к поверхности касающегося тела (см. ).

2. Негладкая (шероховатая) поверхность. В этом случае кроме нормальной реакции имеется также составляющая в касательной плоскости (силы трения).

3. Гибкая связь (трос, канат, ремень, цепь, нить). Такая связь считается невесомой, нерастяжимой, гибкой. Ее реакция всегда направлена вдоль связи.

4. Невесомый стержень. Такой стержень является промежуточным звеном между телом и опорой. Он соединен с ними посредством шарниров без трения, и его реакция всегда направлена вдоль прямой, соединяющей шарниры (см. и ).

5. Шарнирные опоры. Различают три случая таких опор.

	Тело соединено цилиндрическим шарниром с неподвижной опорой (шарнирно-неподвижная опора). Соединение позволяет телу поворачиваться вокруг оси шарнира. Реакция в шарнире перпендикулярна к его оси и при решении задач раскладывается обычно на две перпендикулярные составляющие.
	Тело соединено цилиндрическим шарниром с опорой, которая может перемещаться по другой опорной поверхности (шарнирно-подвижная опора). Если эта поверхность – гладкая, то реакция направлена по нормали к опорной поверхности.

Тело соединено сферическим шарниром с неподвижной опорой. Соединение позволяет телу поворачиваться вокруг центра шарнира. Реакция в шарнире может иметь любое направление и при решении задач обычно раскладывается на три перпендикулярные составляющие.

а)

б)

Жесткая заделка. Если тело со связью соединено жестко (не допускаются никакие перемещения), то такое соединение называют жесткой заделкой, или защемлением (конец балки в кирпичной или бетонной кладке, конец столба в земле). Реакция

такой связи состоит из силы и пары. Силу раскладывают на две перпендикулярные составляющие, а пару сил прикладывают к защемленному концу, направляя ее по ходу или против хода стрелки часов (для плоской системы сил). Или на три перпендикулярные составляющие и на три пары сил вокруг трех перпендикулярных осей (для пространственной системы сил).

	Скользящая заделка. Связь ограничивает линейное перемещение тела в одном направлении и не позволяет телу поворачиваться вокруг опоры. Ее реакция раскладывается на силу , которая направлена по нормали к заделке и на пару сил приложенных к телу с моментом .
	Двойная скользящая заделка. Связь препятствует повороту тела. Ее реакция представляет собой пару сил приложенных к телу с моментом . Следует помнить, что рассмотренные выше связи во многом идеализированы (гладкая поверхность, невесомые стержни, шарниры без трения и прочее).

Кроме того, в инженерных или даже в учебных задачах по теоретической механике часто не оговариваются типы связей, действующие на тело. В этих условиях необходимо самому проанализировать свойства связей и отнести их к тому или иному типу.

Правильно определить типы связей и показать направление их реакций – третье необходимое условие умения решать задачи статики.

УПРОЩЕНИЕ СИСТЕМЫ СИЛ (ПЕРВАЯ ЗАДАЧА СТАТИКИ)

Упрощением (по иному – сложением) называют замену одной системы сил другой, более простой, но оказывающей на одно и то же тело одинаковое действие (такие системы сил называются эквивалентными).

Наиболее часто системы сил упрощают двумя способами: первый основан на аксиоме о сложении сил с помощью параллелограмма, – применяется для сходящихся сил; второй основан на теореме о параллельном переносе силы (Лемма Пуансо), – применяется для произвольной плоской и пространственной систем сил.