Основні поняття статики. Сила та система сил

Статика вивчає умови рівноваги матеріальних тіл та способи перетворення систем сил. Її базовою моделлю є абсолютно тверде тіло — ідеалізоване тіло, відстані між будь-якими двома точками якого під час механічної взаємодії вважають незмінними.

Сила та система сил

Сила — векторна величина, що характеризує механічну дію одного тіла на інше. Силу задають модулем, напрямом і точкою прикладання; її позначають, наприклад, $\vec F$.

Система сил — сукупність сил, що одночасно діють на тіло. Дві системи називають еквівалентними, якщо вони чинять на тверде тіло однакову механічну дію.

Рівнодійна — одна сила, еквівалентна даній системі сил, якщо таку заміну можна виконати. Зрівноважена система сил еквівалентна нульовій системі та не порушує рівновагу тіла.

Як задають силу

Сила є вектором. Для її однозначного опису в задачі потрібно знати модуль $F$, напрям і точку прикладання. Пряма, уздовж якої напрямлений вектор сили, називається лінією дії сили.

Одиницею сили в SI є ньютон (Н). Один ньютон — сила, яка надає тілу масою 1 кг прискорення 1 м/с².

Класифікація систем сил

Системи сил розрізняють за взаємним розташуванням ліній дії. Сили можуть бути колінеарними, збіжними, паралельними або утворювати довільну систему. Якщо всі лінії дії лежать в одній площині, система є плоскою; інакше — просторовою.

Еквівалентність і рівнодійна

У статиці часто замінюють одну систему сил іншою, простішою, але еквівалентною. Якщо систему можна замінити однією силою, ця сила є її рівнодійною. Важливо не плутати рівнодійну з простою сумою модулів: сили додаються як вектори, а положення їхніх ліній дії також впливає на механічний ефект.

Рівновага

Тверде тіло перебуває в рівновазі відносно вибраної інерціальної системи відліку, якщо під дією заданої системи сил його стан спокою не змінюється. Систему сил, за якої виконується ця умова, називають зрівноваженою. Конкретні рівняння рівноваги для плоских і просторових систем будуть розглянуті в наступних темах.

Приклад

Нехай до кільця прикладено дві сили по 100 Н уздовж однієї прямої у протилежних напрямах. Їх векторна сума дорівнює нулю, тому така система є зрівноваженою. Якщо ж одна із сил дорівнює 120 Н, рівнодійна колінеарної системи матиме модуль 20 Н і буде напрямлена в бік більшої сили.

Що потрібно запам’ятати

• сила має модуль, напрям і точку прикладання;
• система сил — це сукупність сил, що діють на тіло;
• еквівалентні системи мають однакову механічну дію;
• рівнодійна замінює систему однією силою лише тоді, коли така заміна можлива;
• для розв’язування задач важливо враховувати не лише модулі сил, а й їх напрям та лінії дії.