какие виды равновесия существуют
Равновесие тел. Виды равновесия тел
Виды равновесия тел
Это происходит, если при небольшом смещении тела в любом направлении от первоначального положения равнодействующая сил, действующих на тело, становится отличной от нуля и направлена к положению равновесия. Например, шарик, лежащий на дне сферического углубления (рис.1 а).
В данном случае при небольшом смещении тела из положения равновесия равнодействующая приложенных к нему сил отлична от нуля и направлена от положения равновесия. Примером может служить шарик, находящийся в верхней точке выпуклой сферической поверхности (ри.1 б).
В этом случае при небольших смещениях тела из первоначального положения равнодействующая приложенных к телу сил остается равной нулю. Например, шарик, лежащий на плоской поверхности (рис.1,в).
Рис.1. Различные типы равновесия тела на опоре: а) устойчивое равновесие; б) неустойчивое равновесие; в) безразличное равновесие.
Статическое и динамическое равновесие тел
Если в результате действия сил тело не получает ускорения, оно может находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно прямолинейно. Поэтому можно говорить о статическом и динамическом равновесии.
Динамическое равновесие — это такое равновесие, когда по действием сил тело не изменяет своего движения.
В состоянии статического равновесия находится подвешенный на тросах фонарь, любое строительное сооружение. В качестве примера динамического равновесия можно рассматривать колесо, которое катится по плоской поверхности при отсутствии сил трения.
Физика. 10 класс
Конспект урока
Урок 14. Статика. Равновесие абсолютно твёрдых тел
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1.Условия равновесия тела
Статика – раздел механики, в котором изучается равновесие абсолютно твердых тел, называется статикой
Абсолютно твердое тело – модельное понятие классической механики, обозначающее совокупность точек, расстояния между текущими положениями которых не изменяются.
Центр тяжести – центром тяжести тела называют точку, через которую при любом положении тела в пространстве проходит равнодействующая сил тяжести, действующих на все частицы тела.
Неустойчивое равновесие — это равновесие, при котором тело, выведенное из положения равновесия и предоставленное самому себе, будет еще больше отклоняться от положения равновесия.
Безразличное равновесие системы — равновесие, при котором после устранения причин, вызвавших малые отклонения, система остается в покое в этом отклоненном состоянии
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017.– С. 165 – 169.
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Равновесие – это состояние покоя, т.е. если тело покоится относительно инерциальной системы отсчета, то говорят, что оно находится в равновесии. Вопросы равновесия интересуют строителей, альпинистов, артистов цирка и многих-многих других людей. Любому человеку приходилось сталкиваться с проблемой сохранения равновесия. Почему одни тела, выведенные из состояния равновесия, падают, а другие – нет? Выясним, при каком условии тело будет находиться в состоянии равновесия.
Раздел механики, в котором изучается равновесие абсолютно твердых тел, называется статикой. Статика является частным случаем динамики. В статике твердое тело рассматривается как абсолютно твердое, т.е. недеформируемое тело. Это означает, что деформация так мала, что её можно не учитывать.
Центр тяжести существует у любого тела. Эта точка может находиться и вне тела. Как же подвесить или подпереть тело, чтобы оно находилось в равновесии.
Подобную задачу в свое время решил Архимед. Им же были введены понятие плеча силы и момента силы.
Плечо силы — это длина перпендикуляра, опущенного от оси вращения на линию действия силы.
Момент силы — это физическая величина, равная произведению модуля силы на ее плечо.
После своих исследований Архимед сформулировал условие равновесия рычага и вывел формулу:
Это правило является следствием 2-го закона Ньютона.
Первое условие равновесия
Для равновесия тела необходимо, чтобы сумма всех сил, приложенных к телу была равна нулю.
формула должна быть в векторном виде и стоять знак суммы
Второе условие равновесия
При равновесии твердого тела сумма моментов вcех внешних сил, действующих на него относительно любой оси, равна нулю.
Не менее важен случай, когда тело имеет площадь опоры. Тело, имеющее площадь опоры, находится в равновесии, когда вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, не выходит за пределы площади опоры этого тела. Известно, что в городе Пизе в Италии существует наклонная башня. Несмотря на то, что башня наклонена, она не опрокидывается, хотя ее часто называют падающей. Очевидно, что при том наклоне, которого башня достигла к настоящему времени, вертикаль, проведенная из центра тяжести башни, все еще проходит внутри ее площади опоры.
В практике большую роль играет не только выполнение условия равновесия тел, но и качественная характеристика равновесия, называемая устойчивостью.
Различают 3 вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное.
Если при отклонении тела от положения равновесия, возникают силы или моменты сил, стремящиеся вернуть тело в положение равновесия, то такое равновесие называется устойчивым.
Неустойчивое равновесие — это противоположный случай. При отклонении тела от положения равновесия, возникают силы или моменты сил, которые стремятся увеличить это отклонение.
Наконец, если при малом отклонении от положения равновесия тело все равно остается в равновесии, то такое равновесие называется безразличным.
Чаще всего необходимо, чтобы равновесие было устойчивым. Когда равновесие нарушается, то сооружение становится опасным, если его размеры велики.
Примеры и разбор решения заданий
1. Чему равен момент силы тяжести груза массой 40 кг, подвешенного на кронштейне АВС, относительно оси, проходящей через точку В, если АВ=0,5 м и угол α=45 0
Момент силы – это величина равная произведению модуля силы на её плечо.
Сначала найдём плечо силы, для этого нам надо опустить перпендикуляр из точки опоры на линию действия силы. Плечо силы тяжести равно расстоянию АС. Так как угол равен 45°, то мы видим, что АС=АВ
Модуль силы тяжести находим по формуле:
После подстановки числовых значений величин мы получим:
F=40×9,8 =400 Н, М= 400 ×0,5=200 Н м.
2. Приложив вертикальную силу F, груз массой М — 100 кг удерживают на месте с помощью рычага (см. рис.). Рычаг состоит из шарнира без трения и однородного массивного стержня длиной L=8 м. Расстояние от оси шарнира до точки подвеса груза равно b=2 м. Чему равен модуль силы F, если масса рычага равна 40 кг.
По условию задачи рычаг находится в равновесии. Напишем второе условие равновесия для рычага:
.
После подстановки числовых значений величин получим
Равновесие тел
Урок 35. Физика 10 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Равновесие тел»
Все вы отлично знаете значение слова «равновесия». Например, в равновесии могут находиться весы, равновесие может держать едущий велосипедист или бегущий человек.
В физике под равновесием понимается состояние покоя. Например, дом и большинство его частей покоятся относительно Земли, несмотря на то, что этот дом находится под воздействием различных сил. Любое реальное тело деформируется под воздействием тех или иных сил. Если эти силы вызывают значительные деформации, такие, как растяжение пружины или изгиб металлической линейки, ни в коем случае нельзя считать, что эти тела находятся в равновесии. Если тело двигается и при этом существенно деформируется, то, по мере его движения, меняется его форма и, некоторые силы начинают действовать на данное тело по-разному. Кроме того, с изменением формы постоянно меняется модуль и направление внутренних сил. Вы можете себе представить, насколько сложно описать такое движение математически.
Однако, во многих случаях на практике эти деформации незначительны. В таких случаях мы можем говорить о равновесии абсолютно твердых тел, тем самым пренебрегая их деформацией.
Скажем, бревенчатый дом, находясь на Земле, разумеется, находится в состоянии равновесия.
Каждое бревно, балка или кусок шифера не двигаются относительно Земли. Хотя, если присмотреться, то можно обнаружить, что некоторые бревна деформировались под действием веса других бревен. Мы можем увидеть какие-то незначительные изменения формы бревен или досок. Но, как правило, этими изменениями можно пренебречь. Поэтому, дом можно считать абсолютно твердым телом, находящимся в равновесии.
Возьмем некое произвольное тело и выберем несколько произвольных элементов этого тела. На каждый элемент тела может действовать несколько внешних и несколько внутренних сил.
В данном примере мы будем рассматривать равнодействующие внешних сил и равнодействующие внутренних сил. Черными стрелочками обозначены равнодействующие некоторых сил, которые действуют извне на различные элементы тела. Оранжевыми стрелочками обозначены воздействия элементов тела друг на друга посредством внутренних сил. Но, как вы знаете, всякое действие имеет противодействие. Противодействие каждого элемента обозначено зелеными стрелочками. Так вот, если тело находится в состоянии покоя, то ускорение каждого элемента должно быть равно нулю. Следовательно, равнодействующая сила, действующая на каждый из элементов, равна нулю.
Таким образом, можно утверждать, что если равнодействующая сила внутренних и внешних сил, действующих на каждый элемент тела, равна нулю, то тело находится в равновесии.
Рассмотрим несколько простых примеров. На каждую точку припаркованной машины действует сила тяжести. Эту силу тяжести уравновешивает реакция опоры в тех точках, которые взаимодействуют с опорой. В точках, которые не соприкасаются с опорой, силу тяжести уравновешивает сила упругости, препятствующая деформации.
В действительности мы знаем, что если машину как следует нагрузить, то она немного просядет, но этой деформацией можно пренебречь, поскольку изменение формы машины весьма незначительно.
Также можно привести в пример лодку, находящуюся на воде. При мертвом штиле и выключенном моторе лодка будет находиться в равновесии. На каждую её точку будет действовать сила тяжести и сила Архимеда. Сумма этих сил будет равна нулю.
Раздел механики, изучающий равновесие и условия равновесия абсолютно твердых тел, называется статикой. В этом разделе мы будем считать все тела абсолютно твердыми и рассматривать случаи, когда эти тела находятся в состоянии покоя.
Необходимо отметить, что существует три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое и безразличное.
Если при отклонении тела от положения равновесия, возникают силы или моменты сил, стремящиеся вернуть тело в положение равновесия, то такое равновесие называется устойчивым.
Неустойчивое равновесие — это противоположный случай. При отклонении тела от положения равновесия, возникают силы или моменты сил, которые стремятся увеличить это отклонение.
Наконец, если при малом отклонении от положения равновесия тело все равно остается в равновесии, то такое равновесие называется безразличным.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Виды равновесия
Для того чтобы судить о поведении тела в реальных условиях, мало знать, что оно находится в равновесии. Надо еще оценить это равновесие. Различают устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие.
Равновесие тела называют устойчивым, если при отклонении от него возникают силы, возвращающие тело в положение равновесия (рис. 1, а, положение 2). В устойчивом равновесии центр тяжести тела занимает наинизшее из всех близких положений. Положение устойчивого равновесия связано с минимумом потенциальной энергии по отношению ко всем близким соседним положениям тела.
Равновесие тела называют неустойчивым, если при самом незначительном отклонении от него равнодействующая действующих на тело сил вызывает дальнейшее отклонение тела от положения равновесия (рис. 1, а, положение 1). В положении неустойчивого равновесия высота центра тяжести максимальна и потенциальная энергия максимальна по отношению к другим близким положениям тела.
Равновесие, при котором смещение тела в любом направлении не вызывает изменения действующих на него сил и равновесие тела сохраняется, называют безразличным (рис. 1, а, положение 3).
Безразличное равновесие связано с неизменной потенциальной энергией всех близких состояний, и высота центра тяжести одинакова во всех достаточно близких положениях.
Тело, имеющее ось вращения (например, однородная линейка, которая может вращаться вокруг оси, проходящей через точку О, изображенная на рисунке 1, б), находится в равновесии, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела, проходит через ось вращения. Причем если центр тяжести С выше оси вращения (рис. 1, б; 1), то при любом отклонении от положения равновесия потенциальная энергия уменьшается и момент силы тяжести относительно оси О отклоняет тело дальше от положения равновесия. Это неустойчивое положение равновесия. Если центр тяжести находится ниже оси вращения (рис. 1, б; 2), то равновесие устойчивое. Если центр тяжести и ось вращения совпадают (рис. 1, б; 3), то положение равновесия безразличное.
Тело, имеющее площадь опоры, находится в равновесии, если вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести тела не выходит за пределы площади опоры этого тела, т.е. за пределы контура образованного точками соприкосновения тела с опорой Равновесие в этом случае зависит не только от расстояния между центром тяжести и опорой (т.е. от его потенциальной энергии в гравитационном поле Земли), но и от расположения и размеров площади опоры этого тела.
На рисунке 1, в изображено тело, имеющее форму цилиндра. Если его наклонить на малый угол, то оно возвратится в исходное положение 1 или 2 Если же его отклонить на угол β (положение 3), то тело опрокинется. При заданной массе и площади опоры устойчивость тела тем выше, чем ниже расположен его центр тяжести, т.е. чем меньше угол между прямой, соединяющей центр тяжести тела и крайнюю точку соприкосновения площади опоры с горизонтальной плоскостью.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 85-87.
Равновесие тел
Тело находится в состоянии равновесия, если оно покоится относительно некоторой инерциальной системы отсчета. Изучение условий равновесия тел имеет большое прикладное значение при создании зданий, сооружений, машин и механизмов.
Условия равновесия тел
Первое условие равновесия формулируется, из второго закона Ньютона: тело может находиться в состоянии покоя в некоторой инерциальной системе отсчета только, если равнодействующая всех сил, приложенных к этому телу (материальной точке) равна нулю. И так, первое условие равновесия записывается так:
Для нахождения тела в состоянии равновесия, необходимо равенство нулю равнодействующей, приложенных к телу сил.
Для формулировки второго условия равновесия используем такую физическую величину, как момент силы ($\overline
Тело, которое имеет возможность вращаться вокруг неподвижной оси, находится в состоянии равновесия, если сумма моментов всех действующих на него сил относительно любой оси вращения равна нулю:
Виды равновесия тел
Равновесие можно разделить на: устойчивое, неустойчивое и безразличное.
Равновесие тела называют устойчивым, если при небольших смещениях, действующие на него силы, стремятся вернуть его снова в положение равновесия.
Положение равновесия называют неустойчивым, если при малых смещениях силы, оказывающие воздействие на тело уводят его из положения равновесия еще больше.
Если при небольших смещениях из положения равновесия силы, действующие на тело и их моменты, уравновешиваются, как и прежде, то такое равновесие называют безразличным.
1) Допустим, что тело может вращаться около закрепленной оси. Тело находится в положении равновесия, если ось проходит через центр масс тела (безразличное равновесие). Если центр тяжести тела находится ниже оси вращения, то положение равновесия тела будет устойчивым. Пусть ось вращения расположена ниже центра масс тела, то равновесие будет неустойчивым.
2) В том случае, если тело имеет точку опоры (например, шарик, лежащий на опоре), то тело находится в состоянии устойчивого равновесия, когда равнодействующая всех сил, приложенных к телу, направлена в сторону положения равновесия. Если равнодействующая равна нулю, то положение равновесия безразличное. Положение тела будет не устойчивым равновесием, если равнодействующая сил, приложенных к телу, направлена от положения равновесия.
3) Пусть тело имеет площадь опоры. Тогда его равновесие будет устойчивым, если вертикаль, проводимая через центр масс этого тела, пересечет площадь опоры.
Примеры задач с решением
\[AC=R\varphi =BC\ \left(1.1\right).\]
Запишем это условие математически. Проведем вертикаль через точку B. Должно выполняться условие:
Задание. На какой максимальный угол можно отклонить верхний цилиндр в первом примере?
Решение. Определим причины ограничивающие угол отклонения. Прежде всего, при больших углах отклонения вертикаль, проводимая через центр тяжести верхнего цилиндра, может пройти правее точки опоры C. Условие (1.4):