II. 1. Момент силы относительно точки
Рассмотрим подъем груза с помощью рычага АВ (рис.I.16). Из повседневного опыта известно, что одна и та же сила будет более эффективна (в состоянии поднять больший груз), если она будет приложена под прямым углом к рычагу.
Рис.I.16Для характеристики силового воздействия, приводящего к вращению тела, Архимедом был введен новый элемент – произведение силы на ее расстояние до точки опоры, названный впоследствии моментом силы.
Рассмотрим момент силы
, приложенной к твердому телу в точке А, относительно закрепленной
точки O тела, вокруг которой тело может вращаться (рис. I.17). Точка O называется центром момента, а кратчайшее расстояние h от центра момента до линии действия силы – плечом силы. Вращение телазависит в конечном итоге от величины Fh и ориентации
Рис.I.17треугольника OАF , и поэтому момент силы удобнее рассматривать как вектор.
Пусть - радиус-вектор точки А приложения силы
к телу
(рис. I.17). Тогда момент силы относительно центра O, который принято обозначать символом
0(
), можно записать как векторное произведение вектора
на силу
:
0(
) = [
´
]. В самом деле, модуль векторного произведения |
0(
)| = r Fsina = Fh, где a - угол между векторами
и
. Вектор
0 (
) направлен перпендикулярно плоскости, проходящей через векторы
и
в ту сторону, откуда кратчайший поворот от вектора
к вектору
представляется происходящим против хода часовой стрелки. В правой системе координат, которой будем пользоваться в курсе, направление момента вращения против часовой стрелки принимается за положительное. Размерность момента – Ньютон × метр (Н×м). Ясно, что момент силы, не равной нулю, может обратиться в нуль только в случае равенства нулю плеча силы, т.е. тогда, когда центр момента лежит на линии действия силы.
Если и
две силы, приложенные в точке А , а
- их равнодействующая и
А – радиус-вектор точки А по отношению к точке O, то момент силы
относительно O равен
0 (
) = [
А ´
] = [
А ´ (
+
)] = [
А ´
]+[
А´
] .
Полученная формула справедлива для любой системы сил, имеющей равнодействующую, и составляет так называемую теорему Вариньона (1654-1722г.г.)*: момент равнодействующей системы сил относительно любой точки равен сумме моментов всех сил системы относительно той же точки.