Чтобы изменить положение тела или скорость его перемещения, к телу необходимо приложить силу. В механике силой называют меру действия одного тела на другое. Сила обычно характеризуется величиной, направлением и точкой приложения.
Величина силы измеряется динамометром и выражается чаще всего в килограммах.
При подъеме груза величина силы зависит от расстояния до точки опоры. Чтобы определить действие силы на тело, надо знать точку ее приложения к этому телу. Точка приложения силы имеет большое значение в технике.
Графический способ изображения сил. Силу можно изобразить графически в виде линии со стрелкой в произвольно выбранном масштабе. Стрелка указывает направление силы. Начало линии называют точкой приложения силы. Прямую, на которой лежит отрезок, изображающий силу, называют линией действия силы.
Правило сложения и разложения сил. Силы, совместное действие которых может быть заменено равнодействующей, оказывающей на тело такое же действие, что и заданная система сил, называютсоставляющими. Сложить силы — это значит найти равнодействующую.
Равнодействующая двух или нескольких сил, направленных по одной прямой, равна по в е-личине их алгебраической сумме.
Равнодействующая двух сил, имеющих общую точку приложения и действующих под углом друг к другу, равна по величине и направлению диагонали параллелограмма построенного на этих силах на сторонах.
Такую равнодействующую называют геометрической (или векторной) суммой составляющих сил. С изменением угла между силами величина равнодействующей также изменяется.
Действие, обратное сложению сил, называют разложением силы на составляющие. Чтобы разложить силу на две составляющие, необходимо знать их линии действия, которые пересекаются в какой-нибудь точке, или величину и направление одной из составляющих сил.
Центр тяжести. При небольших размерах тела действующие на его частицы силы тяжести могут быть приняты за параллельные. Момент силыВ этом случае центр параллельных сил называют центром тяжести. Следовательно, центр тяжести есть центр всех параллельных сил, действующих на отдельные частицы тела.
Центр тяжести занимает определенное положение в теле, как бы тело ни было повернуто относительно направления силы тяжести. Равнодействующая всех сил тяжести, действующая на отдельные частицы тела, приложенная в центре тяжести, представляет собой вес тела.
Каждое тело имеет свой центр тяжести. Например, центр тяжести однородного стержня находится на его середине; центр тяжести круга совпадает с его центром; центр тяжести площади треугольника лежит в точке пересечения его медиан, а центр тяжести шара — в его геометрическом центре.
Устойчивость равновесия. Положение тела считается устойчивым,если тело возвращается в прежнее положение после того, как оно было выведено из него какой-либо силой. Шар, подвешенный в одной точке, расположенной на одной вертикали с центром тяжести, находится в устойчивом положении или в положении устойчивого равновесия.
Положение называют неустойчивым, если тело, выведенное из положения равновесия, не может быть возвращено своим весом в начальное положение. Если точка опоры совпадает с центром тяжести, то тело остается в покое в любом положении (например, шар, лежащий на горизонтальной плоскости). Это положение называют безразличным, или положением безразличного равновесия.
Момент силы. Момент силы характеризует вращательное движение.
Если на брус, опирающийся на неподвижную опору в точке С, положить груз Q, отстоящий от точки С на расстояние ВС, то брус начнет перемещаться против часовой стрелки вокруг точки С.
Моменты сил, вращающих тело против часовой стрелки, условно считают отрицательными, а моменты сил, вращающих тело по часовой стрелке, — положительными. Чтобы сохранить равновесие системы, необходимо к концу бруса, например в точке А, приложить силу Р, направленную в сторону, противоположную направлению силы тяжести Q. Чем больше расстояние от точки приложения А до точки опоры С, тем меньшей должна быть величина силы Р для сохранения равновесия. Расстояния АС и ВС называют плечами. Обозначим плечо АС буквой в. Произведение силы Р на плечо в называют моментом этой силы относительно точки опоры. Для равновесия бруса необходимо, чтобы алгебраическая сумма моментов всех действующих сил относительно точки опоры равнялась нулю. Обозначим плечо ВС буквой а, тогда Qa—Рв = 0.
Условия равновесия сил находят широкое применение при расчете новых машин.
В технической системе за единицу измерения момента силы применяют момент силы в 1 кгс, имеющий плечо в 1 м.
Центробежная и центростремительная силы. При вращении шарика, привязанного к нити, одновременно возникают центробежная и центростремительная силы; при прекращении вращения они исчезают. Сила, удерживающая шарик на окружности, направлена вдоль нити к центру вращения и называется центростремительной. Силу, приложенную к нити, как противодействующую центростремительной, называют центробежной. Центробежная и центростремительная силы обычно равны между собой, но противоположно направлены.
В технике большую роль играет центробежная сила. Если центр тяжести вращающихся деталей (подшипников и валиков) смещен относительно оси, то величина центробежной силы может превышать в десятки и сотни раз вес самого тела. В результате этого подшипники и шейки у валиков износятся, что приведет к поломке оборудования.
Центробежная сила может быть полезна для машин, например, центрифуга предназначена для разделения сыпучих тел при обогащении руд. При вращении центрифуги частицы с наибольшим удельным весом располагаются на периферии,- а частицы с меньшим удельным весом — ближе к оси вращения. В центробежном насосе движение жидкости и необходимый напор создаются за счет центробежной силы, получающейся при вращении лопастного колеса в корпусе насоса.