Понятие о силе. Классификация сил.

Состояние равновесия или движения материального тела зависит от характера его взаимодействия с другими телами. Величина, являющаяся количественной мерой механического взаимодействия материальных тел, называется силой.

Сила есть величина векторная, и ее действие на тело определяется тремя параметрами: численной величиной (модулем силы), направлением и точкой приложения.

Силы бывают внешними и внутренними. Внешние силы, являются результатом действия на рассматриваемое тело других тел, при этом механику не интересует физическая природа сил, она изучает лишь количественную сторону их связи с механическим движением.

Внешние силы делятся на активные (или заданные) и пассивные (или реактивные). Активные силы не зависят друг от друга, они определяются назначением сооружения и им же воспринимаются. К ним относятся, например, собственный вес сооружения, давление ветра, вес снега, лежащего на крыше, силы инерции и т.д. Пассивными силами являются реакции связи, эти силы не независимы, а являются функцией активных сил и устройства связей (опор).

Всякая сила, поскольку источником ее является материя, есть сила объемная. Объемные силы, в зависимости от особенностей передачи силового воздействия на тело, условно заменяют эквивалентными им распределенными и сосредоточенными силами.

Силы могут быть распределены по площади (давление снега, воды, газа и т.д.), в этом случае они называются поверхностными, и по длине (собственный вес балки какого-либо перекрытия).

Сосредоточенная сила предполагает передачу нагрузки на элемент конструкции через площадку, размеры которой очень малы по сравнению с размерами всего элемента (например, давление колес железнодорожного состава на рельсы). При расчетах, благодаря малости площадки, передающей давление, обычно считают сосредоточенную силу приложенной в точке. Такое приближенное представление вводится лишь для упрощения расчетов, а неточность, вызываемая этим, настолько мала, что ею обычно на практике пренебрегают.

Сосредоточенные нагрузки измеряются в единицах силы (ньютонах, килограммах, тоннах); распределенные по площади нагрузки выражаются в единицах силы, отнесенных к единице площади (Н/м2; кг/см2 и т.п.); распределенные по длине элементы - в единицах силы, отнесенных к единице длины (Н/м; т/м и т.д.). Кроме того, силы разделяются на постоянные и временные.

К первым относятся такие нагрузки, величина которых не меняется или изменяется весьма незначительно за все время существования конструкции (например, нагрузка на фундамент от собственного веса здания и находящегося в нем оборудования).

Переменные нагрузки действуют на конструкцию в течение некоторого промежутка времени, причем у них может изменяться интенсивность и направление, или то и другое вместе (давление ветра, давление снега, давление поезда, идущего по мосту, и т.п.).

По характеру действия нагрузки можно разделить на статическиеидинамические. При передаче статических нагрузок на конструкцию все ее части находятся в равновесии, ускорения отсутствуют или настолько малы, что ими можно пренебречь.

К числу динамических нагрузок относятся внезапно приложенные (давление колес локомотива, входящего на мост), ударные (забивка свай) и повторно-переменные (циклическое давление газов на поршневую систему в цилиндре двигателя внутреннего сгорания).

Силы графически изображаются отрезками прямых линий (векторами), определяющими их величину, положение и направление.

За единицу силы в графической статике принимается отрезок прямой АВ в линейной масштабе, соответствующем ее модулю, а направление обозначается стрелкой. Начало отрезка называется точкой приложения силы (точка А) (рис.1).

Прямая, проведенная через точки А и В, называется линией действия силы . Поскольку к телу может быть приложена не одна, а несколько сил, то их совокупность называется системой сил. Две системы сил, оказывающие одинаковое действие на тело, называются эквивалентными. Если под действием системы сил тело находится в равновесии, то данная система является взаимно уравновешенной, или статически эквивалентной нулю.

Сила, заменяющая действие заданной системы сил, называется равнодействующей, а приложенные силы по отношению к их равнодействующей называются составляющими.

В случае, когда к системе сил, действующих на тело, приложена сила, равная и противоположно направленная равнодействующей, тело будет находиться в равновесии, а данная сила называться уравновешивающей.

Силу в пространстве вполне определяют величины ее проекций на три координатные оси и величины моментов относительно тех же осей.