Tài liệu Bài giảng cơ học ứng dụng (trần hưng trà, dương đình hảo)

PHẦN 1: CƠ HỌC VẬT RẮN TUYỆT ĐỐI A. TĨNH HỌC  Tĩnh học là một phần nội dung của cơ học vật rắn tuyệt đối khảo sát sự cân bằng của vật thể dưới tác dụng của lực.  Hai vấn đề cơ bản hay còn gọi là hai bài toán cơ bản trong phần này là: Khảo sát tác dụng của hệ lực lên vật rắn và điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác dụng của lực và những ứng dụng để giải quyết các bài toán kỹ thuật.  Phương pháp nghiên cứu trong phần tĩnh học là phương pháp tiên đề kết hợp phương pháp mô hình.  Các kết quả nghiên cứu trong tĩnh học sẽ được áp dụng để giải thích các hiện tượng thực tế, đồng cũng là cơ sở để học các môn sức bền vật liệu, cơ học kết cấu và một số môn học cơ sở và chuyên môn khác. 1 Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC 2 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Chất điểm, hệ chất điểm, vật rắn tuyệt đối, vật rắn cân bằng hệ quy chiếu và hệ đơn vị a. Chất điểm: Là điểm vật chất vô cùng bé sao cho sự sai khác về chuyển động của các phần tử thuộc chất điểm là vô cùng nhỏ, có thể bỏ qua. b. Hệ chất điểm: Là hệ thống nhiều chất điểm, có sự ràng buộc (liên kết) lẫn nhau sao cho chuyển động của mỗi chất điểm không thể không ảnh hưởng đến các chất điểm khác. c. Vật rắn tuyệt đối: Là vật thể có hình dạng bất biến nghĩa là khoảng cách hai phần tử bất kỳ trên nó luôn luôn không đổi. Vật rắn biến dạng Vật rắn tuyệt đối Hình 1.1: Minh họa sự biến dạng của vật khi chịu tác dụng của lực d. Vật rắn cân bằng: Là vật rắn đang ở trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng và đều so với hệ quy chiếu. e. Hệ quy chiếu: Là một vật rắn được chọn làm chuẩn để quan sát, đánh giá vị trí của vật khảo sát. Trong cơ học ta thường gặp hai khái niệm về hệ quy chiếu là hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu phi quán tính. Hệ quy chiếu trong đó các định luật của Newton được nghiệm đúng được gọi là hệ quy chiếu quán tính, trong trường hợp ngược lại được gọi là hệ quy chiếu phi quán tính. Với sai số cho phép trong kỹ thuật thường coi hệ quy chiếu gắn với trái đất là hệ quy chiếu quán tính. Hệ quy chiếu chuyển động thẳng và đều trong hệ quy chiếu quán tính cũng được coi là hệ quy chiếu quán tính. f. Hệ đơn vị: Trong cơ học, chúng ta sử dụng 4 đại lượng cơ bản đó là: chiều dài, khối lượng, lực và thời gian. Những đại lượng này liên hệ với nhau bởi định luật 2 Newton. Có hai hệ đơn vị mà hiện nay người ta hay dùng đó là hệ SI và hệ US. Hệ đơn vị SI: Là hệ thống đơn vị đo lường quốc tế viết tắt của International System of Units. Đây là hệ đơn vị được sử dụng phổ biến nhất. Hệ đơn vị US: Là hệ thống đơn vị Anh Mỹ (United States) thường được sử dụng cho những nước nói tiếng Anh. Nó còn ký hiệu là FPS, viết tắt của foot-pound-second. Các bảng 1.1 và 1.2 và 1.3 là các bảng ký hiệu đơn vị của 4 đại lượng cơ bản trong hai hệ thống đơn vị SI và US. Bảng 1.1a: Bảng ký hiệu đơn vị các đại lượng cơ bản Đại lượng cơ bản Chiều dài Khối lượng Lực Thời gian Hệ đơn vị SI Đơn vị Ký hiệu Mét m Kilogram kg Newton N Giây s 3 Hệ đơn vị US Đơn vị Ký hiệu Foot ft Slug slug Pound lb Second sec Bảng 1.1b: Một số tiền tố Tên gọi Tera Giga Mega Kilo Hecto Deka Deci Centi Milli Micro Nano Pico Femto Atto Ký hiệu T G M k h da d c m µ n p f a Quy đổi 1012 109 106 103 102 101 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 Bảng 1.2: Một số đơn vị được sử dụng trong cơ học Đại lượng Chiều dài Khối lượng Lực Thời gian Góc Vận tốc Gia tốc Vận tốc góc Gia tốc góc Diện tích Mô men lực Mô men quán tính tiết diện Mô men quán tính khối Động lượng Xung lượng Mô men động lượng Công, Năng lượng Công suất Áp suất, Ứng suất Tầng số Thể tích Khối lượng riêng Đơn vị cơ bản Mét Kilogram Newton Giây Radian Mét/giây Mét/giây2 Radian/giây Radian/giây2 Mét2 Newton.mét Mét4 Kilogram.mét2 Kilogram.mét/giây Newton.giây Kilogram.mét/giây2 Jun Wat Pascal Hertz Mét3 Kilogram.mét3 4 Ký hiệu SI m kg N (kg.m/s2 ) s rad m/s m/s2 rad/s rad/s2 m2 N.m m4 kg.m2 kg.m/s N.s kg.m/s2 J (= N.m) W (= J/s) Pa (= N/m2) Hz (= s-1) m3 kg/m3 Bảng 1.3: Bảng chuyển đổi giữa hai hệ đơn vị SI và US Đại lượng Đơn vị hệ US Đơn vị hệ SI Chiều dài 1 foot 1 inch 1 mile 1 ft 1 in 1 mi mét centimét kilomét 0.305 m 2.540 cm 1.609 km Khối lượng 1 oz mass 1 pound mass 1 slug 1 ton 1 ozm 1 lbm 1 slug 2000 lbm gram kilogram kilogram kilogram 28.35 g 40.454 kg 14.590 kg 907.20 kg Lực tác dụng 1 pound force 1 kip 1 lb 1 kip Newton kilo Newton 4.448 N 4.448 kN Vận tốc (Tốc độ) 1 foot/second 1 knot 1 mile/hour 1 mile/hour 1 ft/sec 1 mi/hr 1 mi/hr 1 mi/hr mét/giây mét/giây mét/giây kilomet/giây 0.305 m/s 0.514 m/s 0.447 m/s 1.609 km/h Năng lượng 1 foot.pound 1 ft.lb Jun 1.356 J Công suất 1 foot.pound/second 1 horsepower 1 ft.lb/sec 550 ft.lb/sec Wat Wat 1.356 W 745.7 W Gia tốc 1 foot/second2 1 inch/second2 1 ft/sec2 1 in/sec2 mét/giây2 mét/giây2 0.305 m/s2 0.025 m/s2 1.1.2 Lực, hệ lực, hệ lực cân bằng a. Lực: Là thước đo tác dụng tương hỗ về cơ học giữa các vật thể mà kết quả của nó là làm thay đổi hình dáng và kích thước (biến dạng) hoặc trạng thái chuyển động của các vật thể. Hay nói một cách vắn tắt: Lực là nguyên nhân gây ra sự biến đổi chuyển động và biến dạng của các vật thể. Lực có các đặc trưng sau: Hướng Độ lớn Phương Hình 1.2: Cách biểu diễn lực  Điểm đặt: Là điểm mà vật nhận được sự tác dụng tương hỗ từ vật khác. Hình 1.3: Cách biểu diễn điểm đặt lực  Phương, chiều: Biểu thị phương hướng chuyển động hay khuynh hướng chuyển động của vật thể khi bị lực tác dụng.  Độ lớn: Là thước đo sự tác dụng mạnh yếu của lực và được biểu thị là bội số của lực lấy làm đơn vị.   Do đó có thể dùng véctơ để biểu diễn các đặc trưng của lực, ví dụ như: F , P,... hay F, P. Điểm đặt của véctơ là điểm đặt của lực, phương chiều của véctơ biểu diễn phương chiều của lực, độ dài của véctơ biểu diễn cường độ của lực. Giá của véctơ được gọi là đường tác dụng của lực. b. Hệ lực: Hệ thống nhiều lực cùng tác dụng lên một vật thể (chất điểm, vật rắn, hệ vật rắn). Ký hiệu:     (F1, F2, F3,..., Fn) (1.1) 5 d. Hệ lực cân bằng: Là hệ lực khi tác dụng lên một vật rắn cân bằng mà không làm mất trạng thái cân bằng của nó. Ký hiệu:     (F1, F2 , F3,..., Fn )  0 F2 F1 B e. Hệ lực tương đương: Hai hệ lực được coi là tương đương với nhau khi thay thế hệ lực này bằng hệ lực khác thì kết quả tác dụng lên vật thể không thay đổi. Ký hiệu:         (F1, F2, F3,..., Fn )  (P1, P2, P3,..., Pn ) D A (1.2) C Fn F3 Hình 1.4: Hệ lực tác dụng lên vật rắn (1.3) f. Hợp lực của hệ lực: Là lực duy nhất tương đương với hệ lực đã cho. Ký hiệu:      (F1, F2, F3,..., Fn )  R (1.4) 1.2 MÔ MEN CỦA LỰC Mô men của một lực được quy ước là đại lượng véctơ, đặc trưng cho tác dụng cơ học làm vật thể quay hoặc bị biến dạng quanh một điểm hay một trục nào đó. Hình 1.5: Minh họa mô men 1.2.1 Mô men của lực đối với một điểm a. Định nghĩa:   Mô men của lực F (đặt tại A) đối với một điểm (O) là một véctơ, ký hiệu mO (F) (hoặc M O), có các đặc trưng sau đây:  Phương: Vuông góc với mặt phẳng chứa lực F và điểm O.  Chiều: Nếu nhìn từ điểm ngọn của véctơ thấy lực có xu hướng làm vật quay ngược chiều kim đồng   hồ (hay nhìn thấy véc tơ r  OA quay một góc nhỏ nhất theo chiều ngược kim đồng hồ tới trùng với phương và chiều của véctơ biểu diễn lực).  Giá trị: Bằng tích độ lớn của lực nhân với khoảng cách từ lực tới điểm O.   (1.5) m O ( F )  d .F  Đơn vị: N.m, kN.m, lb.ft… Từ định nghĩa có thể biểu diễn mô men của lực đối với điểm O:     mO ( F )  r  F Hình 1.6: Cách biểu diễn mô men (1.6)      Trong hệ tọa độ Descartes Oxyz có các véc tơ đơn vị i , j , k và hình chiếu của F là (Fx, Fy, Fz ), của r là (x, y, z) ta có thể biểu diễn:    i j k   (1.7) mO ( F )  x y z Fx Fy Fz 6 Hay:      mO ( F )  ( yFz  zFy )i  ( zFx  xFz ) j  ( xFy  yFx )k (1.8) Hình chiếu véctơ mô men trên các trục tọa độ khi đó có thể xác định:    m O ( F )   ( y F z  zF y )  x    m O ( F )   ( zF x  x F z )  y    m O ( F )   ( xFy  yFx )  z (1.9) Hình 1.7: Mô men đối với 3 trục tọa độ b. Các tính chất của mô men:  Mô men của một lực với một điểm nằm trên đường tác dụng của nó thì bằng 0. Từ biểu thức véc tơ xác định mô men:     mO ( F )  r  F (1.10)   Nếu điểm O nằm trên đường tác dụng của lực có nghĩa là r và F song song với nhau nên tích của nó bằng không.  Mô men của hai lực trực đối nhau thì triệt tiêu.   Giả sử hai lực F   F 1 (trực đối nhau), thì:     mO ( F )  r  F           mO ( F 1 )  r  F 1  r  (  F )  r  F  m O ( F ) (1.11) Điều cần chứng minh đã được làm rõ.  Hợp mô men của nhiều lực đối với cùng một điểm được thực hiện bằng phương pháp cộng véctơ. c. Mô men của các lực đối với một điểm cùng nằm trong mặt phẳng: Khi các lực nằm trong cùng mặt phẳng với điểm O thì véctơ mô men của các lực đối với điểm O sẽ song song với nhau và nằm trên cùng một trục, khi đó ta sẽ dùng khái niệm mô men là một lượng đại số để đơn giản trong tính toán và được định nghĩa như sau: y F x mO(F) = d.F Mô men của lực F đối với điểm cố định A không nằm trên đường tác dụng của nó là đại lượng đại số có giá trị bằng tích số giữa giá trị của lực F và khoảng cách từ đường tác dụng của lực đến điểm A. mO ( F )  d .F A d (1.12) Hình 1.8: Mô men của lực đối với một điểm nằm trên cùng mặt phẳng 7 Mô men có giá trị dương khi nó có tác dụng làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ, trong trường hợp ngược lại nó có giá trị âm. Nó cũng thỏa mãn các tính chất: 1. Mô men của một lực với một điểm nằm trên đường tác dụng của nó thì bằng 0. 2. Mô men của hai lực trực đối nhau thì triệt tiêu. 3. Muốn hợp các mô men cùng nằm trên mặt phẳng ta dùng phép cộng đại số. 1.2.2 Mô men của lực đối với một trục a. Định nghĩa:  Mômen của lực F đối với trục  ký hiệu là m ( F ) là đại lượng đại số có giá trị bằng mômen của lực F’ đối với điểm O, với F’là hình chiếu của lực F lên mặt phẳng  vuông góc trục . O là giao điểm giữa trục  và mặt phẳng .   m ( F )  mO ( F ') (1.13) Hình 1.9: Mô men của lực đối với một trục Mô men của lực đối với một trục có giá trị dương khi làm cho vật có xu hướng quay ngược chiều kim đồng hồ nếu nhìn đầu mút của trục và ngược lại có giá trị âm. Hợp mô men của các lực đối với cùng một trục có thể thực hiện bởi phương pháp cộng đại số. b. Tính chất: Mô men của lực đối với trục bằng không khi lực song song hoặc cắt trục.   m ( F )  0  mO ( F ')  F ' .d  0  (1.14)  Ở đây, F’ là hình chiếu của F lên mặt phẳng vuông góc với trục  . Do đó khi F //  thì F’ = 0. Còn khi F cắt  thì d = 0.  Do vậy, trong cả hai trường hợp thì m ( F ) đều bằng 0.  Ta thấy, trong cả hai trường hợp này đường tác dụng của lực F và  là đồng phẳng. Do đó khi xét hệ lực đồng phẳng và trục cũng nằm trong mặt phẳng ấy thì mô men của hệ lực với đối với trục cũng triệt tiêu. 1.2.3 Quan hệ giữa mô men của lực đối với một điểm cố định với mô men của lực đối với trục đi qua điểm cố định đó Quan hệ giữa mô men của một lực đối với một điểm và mô men     của nó đối với trục đi qua điểm đang xét được mô tả qua định lý sau. F r  F1  Định lý: Mô men của lực F đối với trục  bằng hình chiếu lên trục   của mô men lực F đối với điểm bất kỳ nào đó trên trục  .    m ( F )   mO ( F )  /  (1.15)  F2   r F   r  F2 O  r Hình 1.10: Minh họa định lý 8  F1  Chứng minh:    Ta phân tích: F  F 1  F 2 .        Ta có: mO ( F )  r  F  r  ( F1  F2 ) .       Hay: mO ( F )  r  F1  r  F2 (*)       Chiếu (*) lên trục ta được:  mO ( F )  /    r  F1  /    r  F2  /        Rõ ràng:  r  F2  /   0 và  r  F1  /   r  F1 .          Như vậy: m ( F )  r  F1   mO ( F )  /    1.2.4 Quan hệ giữa mô men của lực đối với một điểm cố định với mô men của lực đối với 3 trục vuông góc đi qua điểm cố định đó Vận dụng định lý trên ta có mối quan hệ:     m O ( F )   ( y F z  zF y )  m x ( F )  x     m O ( F )   ( zF x  x F z )  m y ( F )  y     m O ( F )   ( xF y  yF x )  m z ( F )  z (1.16) Ví dụ 1.1 Hãy xác định tổng mô men tác dụng lên điểm P bởi lực W1 và đối trọng W2 ở hình 1.11. Giải:  Phân tích các lực tác dụng lên hệ như hình vẽ.    Hai lực gây mô men tại điểm P đó là: W 1 và W 2 .  Lấy mô men tại P ta được:  MP = D1W1 – D2W2 Ví dụ 1.2 Hãy xác định độ lớn mô men của các lực tác dụng lên điểm O trong các trường hợp ở hình 1.12. Giải:  Hình 1.12a : M O  100(2)  200 N.m  Hình 1.12b : M O  50(0.75)  37.5 N.m  Hình 1.12c : M O  40(4  2 cos 300 )  229 lb.ft  Hình 1.12d : M O  60(1sin 450 )  42.4 lb.ft  Hình 1.12e : M O  7(4  1)  21.0 kN.m 9 Hình 1.11: Minh họa ví dụ 1.1 Hình 1.12: Minh họa ví dụ 1.2 Ví dụ 1.3 Một lực F = 400 N tác dụng vào một mã gia cường với một góc hợp với phương thẳng đứng 1 góc  = 300 như hình vẽ. Hãy xác định mô men của lực F gây ra tại điểm O. Giải:  Phân tích lực F thành 2 thành phần Fx và Fy: Fx  400sin 300 N Fy  400 cos300 N  Chọn chiều dương của mô men ngược chiều kim đồng hồ và lấy mô men của hai lực Fx và Fy quanh điểm O ta được:   M O  M O ( Fx )  M O ( Fy )  400 sin 30 0 (0.2)  400 cos300 (0.4)  -98.6 N.m Hình 1.13: Minh họa ví dụ 1.3 Ví dụ 1.4: Hãy xác định mô men của lực F = 600 N gây ra tại điểm O (hình 1.14) bằng 5 cách khác nhau. Giải:  Sử dụng công thức M = F.d trong đó: d  4 cos 400  2 sin 400  4.35 m   F  600 N Lúc này ta có: M O  F .d  600(4.35)  2610 N.m 10  Phân tích lực F làm 2 thành phần là Fx và Fy trong đó: 0  Fx  600 cos 40  460 N  0  Fy  600 sin 40  386 N Lúc này ta có: M O  4.Fx  2.Fy  4(460)  2(386)  2610 N.m  Trượt lực F dọc theo đường tác dụng của nó về điểm B, sau đó phân tích lực F làm 2 thành phần Fx và Fy, trong đó thành phần Fy không gây ra mô men tại O (vì Fy qua O). Do đó mô men tại O sẽ là: M O  Fx .d1 Trong đó: d1  4  2. tan 40 0  5.68 m Lúc này ta có: M O  Fx .d1  460(5.68)  2610 N.m  Tương tự ta cũng trượt lực F dọc theo đường tác dụng của nó về điểm C, sau đó phân tích lực F làm 2 thành phần Fx và Fy, trong đó thành phần Fx không gây ra mô men tại O (vì Fx qua O). Do đó mô men tại O sẽ là: M O  Fy .d 2 Trong đó: d 2  2  4.cotg400  6.77 m Lúc này ta có: M O  Fy .d 2  3.86(6.77)  2610 N.m  Sử dụng biểu thức véc tơ mô men:   M O  rOA  F . Hình 1.14: Minh họa ví dụ 1.4      rOA  2.i  4. j  0.k   2.i  4. j  Trong đó:         F  (600cos 400.i  600sin 400. j  0.k )  (460.i  386. j )     i j k   Lúc này ta có: MO   2 4 0  460 386 0         4(0)  0( 386).i  0(460)  2(0). j  2( 386)  4(460).k   2610.k N.m   Dấu “-“ chứng tỏ MO có chiều ngược với trục z và có trị số là: M O  2610 N.m . Ví dụ 1.5 Xác định tổng mô men của 4 lực tác dụng lên điểm O như hình 1.15. Giải: Giả sử chiều dương của mô men ngược chiều kim đồng hồ. Ta có: M O   F .d  50(2)  60(0)  20(3sin 300 )  40(4  3cos 300 )  334 N.m Vậy: Tổng mô men của 4 lực tác dụng lên điểm O là M O  334 N.m . Dấu “-“ chứng tỏ nó quay cùng chiều kim đồng hồ. 11 Hình 1.15: Minh họa ví dụ 1.5 1.3 NGẪU LỰC 1.3.1 Khái niệm về ngẫu lực Ngẫu lực là cặp lực song song trái chiều và có cùng cường độ. Trong hệ lực không gian ngẫu lực được quy ước như một đại lượng véctơ và có các đặc trưng như sau:  Phương: Vuông góc với mặt phẳng chứa các lực.  Chiều: Đứng từ đầu ngọn thấy ngẫu làm vật quay ngược chiều kim đồng hồ.  Cường độ: M = d.F (d: khoảng cách giữa hai đường tác dụng của hai lực ngẫu, F: giá trị của lực).  Đơn vị: N.m, kN.m, lb.ft, kip.ft. Hình 1.16: Minh họa ngẫu lực 1.3.2 Các tính chất của ngẫu lực a. Tính chất 1: Mô men đối với điểm bất kỳ nào đó của cặp ngẫu lực luôn luôn không đổi và bằng véctơ mô men của ngẫu lực. b. Tính chất 2: Véctơ mô men của ngẫu lực bằng véctơ mô men của lực thành phần thứ nhất đối với điểm bất kỳ nào đó trên đường tác dụng của lực thành phần thứ hai. Chứng minh:   Giả sử ta có cặp ngẫu ( F ,  F ) có đường tác dụng đi qua A và B, ta hãy tính mô men của cặp lực ngẫu với điểm O.     mO ( F )  rA  F        mO (  F )  rA  (  F )  ( rA  r )  (  F )          mO ( F )  mO (  F )  ( rA  r )  (  F )  rA  F       r  F  M  mB ( F ) Hình 1.17: Minh họa tính chất 1,2 của ngẫu lực c. Tính chất 3: Hai ngẫu lực có véctơ mô men bằng nhau thì tương đương với nhau. Hình 1.18: Minh họa tính chất 3 của ngẫu lực Sự chuẩn xác của nhận xét trên được minh chứng bởi hai tính chất sau:  Hai ngẫu lực cùng nằm trong một mặt phẳng, có cùng chiều, và cùng giá trị thì tương đương nhau.  Tác dụng của ngẫu lực không thay đổi khi ta dời ngẫu lực trong mặt phẳng hay đến mặt phẳng song song với chính nó. Từ đây ta có thể suy ra:  Ngẫu lực là véctơ tự do.  Tác dụng của ngẫu sẽ không thay đổi nếu ta thực hiện các phép biến đổi mà không làm thay đổi phương chiều và cường độ của véctơ mô men. 12 d. Tính chất 4: Hợp hai ngẫu lực được một ngẫu lực có véctơ mô men bằng tổng các véctơ mô men của hai ngẫu lực đã cho. Ví dụ 1.6 Khối trụ chịu tác dụng của một ngẫu lực gồm hai lực song song ngược chiều và có độ lớn 100 N (hình 1.20). Để thay thế ngẫu lực này người ta tác dụng vào khối trụ hai lực P và –P, mỗi lực có độ lớn 400 N. Hãy xác định góc  trong trường hợp này. Hình 1.19: Minh họa tính chất 4 của ngẫu lực Giải:  Ngẫu lực do hai lực ban đầu sinh ra có độ lớn là: M 1  100(100)  10000 N  10 kN  Ngẫu lực sinh ra do hai lực P và –P có độ lớn là: M 2  400(40 cos  )  16 cos  kN  Theo yêu cầu của đề bài ta có: M1  M 2  10  16 cos     51.30 Ví dụ 1.7 Hãy xác định tổng ngẫu lực của 3 cặp ngẫu lực tác dụng vào tấm phẳng như hình 1.21. Giải:  Trên hình vẽ chúng ta thấy khoảng cách các cặp ngẫu lực lần lượt là d1, d2, d3. Chọn chiều dương ngược chiều kim đồng hồ, chúng ta có: M R Hình 1.20: Minh họa ví dụ 1.6   M   F1d1  F2 d 2  F3d 3  -200(4)  450(3) - 300(5)  -950 lb.ft Như vậy, tổng ngẫu lực tác dụng lên tấm phẳng có độ lớn là M R  950 lb.ft . Dấu trừ chứng tỏ nó quay cùng chiều kim đồng hồ. 1.4 HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC Toàn bộ lý thuyết của phần tĩnh học được xây dựng trên 6 tiên đề dưới đây: 1.4.1 Tiên đề 1 (Hệ hai lực cân bằng) Điều kiện cần và đủ để hai lực cân bằng là chúng có cùng đường tác dụng, hướng ngược chiều nhau, có cùng cường độ và cùng điểm đặt.   (1.15) F1   F2 Hình 1.21: Minh họa ví dụ 1.7 1.4.2 Tiên đề 2 (Thêm bớt lực) Tác dụng của một lực sẽ không thay đổi khi ta thêm vào Hình 1.22: Hình minh họa tiên đề 1 hay bớt đi hai lực cân bằng. Có thể mở rộng cho hệ lực: Tác dụng của hệ lực sẽ không thay đổi khi thêm hay bớt một hệ lực cân bằng.  Hệ quả 1: Khi ta trượt lực trên đường tác dụng của nó thì tác dụng của lực lên vật thể không thay đổi. 13  Có thể chứng minh bằng cách; giả sử có lực F đạt A, trên   đường tác dụng của nó tại B thêm hai lực trực đối là ( F ', F '')    với điều kiện ( F '   F ''  F ) , theo tiên đề 2 ta có:     F  F '( F ', F '') Hình 1.23: Cách chứng minh hệ quả 1   Theo tiên đề 1, hai lực ( F , F '') là các lực cùng phương ngược chiều và cùng giá trị nên cân bằng và  theo tiên đề hai ta có thể bớt khỏ hệ lực, như vậy hệ lực sẽ tương đương với F ' đặt B hay nói cách khác đi  có thể trượt F trên đường tác dụng của nó từ A đến B mà không làm thay đổi sự tác dụng của nó lên vật   rắn. Quá trình được minh họa như sau:         F  ( F ', F ''), F '  ( F '', F ), F '  F '     (1.16)  Hệ quả 2: Khi hệ lực cân bằng thì một lực bất kỳ của hệ lực ấy sẽ là lực trực đối với hợp lực của các lực còn lại.      Có thể chứng minh hệ quả này như sau: giả sử có hệ lực (F1, F2, F3,..., Fn ) nếu gọi R ' là hợp lực của các       lực (F2, F3,..., Fn )  R' , thì lực đã cho sẽ tương đương với hệ ( F1 , R ') và tất nhiên vẫn là hệt lực cân bằng và     điều tất nhiên là F1  R' có nghĩa là ( F1 , R ') trực đối với nhau, hệ quả được chứng minh. 1.4.3 Tiên đề 3 (Hình bình hành lực) Hai lực tác dụng lên một vật rắn tại cùng một điểm sẽ tương đương với một lực đặt tại điểm chung đó và có giá trị phương và chiều được biểu diễn bằng véctơ tổng hai véctơ biểu diễn hai lực thành phần.    (1.17) R  F1  F2 Từ tiên đề 3 cho phép chúng ta tìm hợp lực của hệ gồm nhiều lực có cùng điểm đặt, hoặc phân tích một lực đã cho thành hai hay ba thành phần đã biết phương. Hình 1.24: Cách hợp lực của hai lực z F3’= F3 F’4= F4 F3 F2 F’2=F2 R Fz y F Fy F1 F4 Fy x Fx y Fx R  F1  F2  F3  F4 x Hình 1.25: Hợp lực nhiều lực và phép phân tích lực 1.4.4 Tiên đề 4 (Tác dụng và phản tác dụng) Lực tác dụng tương hỗ giữa hai vật thể bao giờ cũng có cùng đường tác dụng, cùng độ lớn và ngược chiều nhau.   F A  F B (1.18) Lưu ý: Lực tác dụng và phản tác dụng không phải là hai lực cân bằng nhau vì chúng được đặt lên hai vật khác nhau. 14 FA FB Hình 1.26: Tác dụng và lực phản tác dụng Hình 1.27: Minh họa hai lực tác dụng và phản tác dụng 1.4.5 Tiên đề 5 (Hóa rắn) Vật biến dạng ở trạng thái cân bằng khi hoá rắn nó vẫn cân bằng. Hóa rắn Hình 1.28: Hóa rắn kết cấu Tiên đề này cho phép chúng ta phần nào đó đơn giản hoá trong khi giải các bài toán của vật biến dạng. Tuy nhiên khi áp dụng tiên đề này cần chú ý: Các điều kiện cân bằng của vật rắn tuyệt đối chỉ là điều kiện cần khi xét cân bằng của vật biến dạng. 1.4.6 Tiên đề 6 (Giải phóng liên kết) Vật rắn chịu liên kết cân bằng có thể xem là vật tự do cân bằng khi thay thế các liên kết bằng các lực liên kết, khi đó các lực tác dụng và các lực liên kết tác dụng lên vật rắn sẽ là hệ lực cân bằng. Giải phóng liên kết Hình 1.29: Giải phóng liên kết hệ vật rắn Ví dụ 1.8 Một cái móc đinh vít chịu tác dụng của 2 lực F1 và F2 như hình 1.30a. Hãy xác định độ lớn và hướng của hợp lực tác dụng lên đinh vít. Giải:  Áp dụng tiên đề hình bình hành lực ta xác định được hợp lực FR. Cách xác định được thể hiện trên hình 1.30b.  Xác định FR bằng cách sử dụng định lý Cosin trong tam giác, được thể hiện trên hình 1.30c. FR  F12  F22  2 F1 F2 cos1150  F12  F22  2 F1 F2 cos 650 (a) 15 Hình 1.30: Minh họa ví dụ 1.8 FR  1002  1502  2(100)(150) cos 650 Ta có:  10000  22500  30000(0.4226)  212.6 N  213 N  Áp dụng định lý Sin để xác định góc . Ta có: 150 212.6 150   sin   (sin1150 )    39.80 0 sin  sin115 212.6  Như vậy hợp lực FR hợp với phương ngang một góc:     150  39.80  150  54.80 Ví dụ 1.9 Hãy xác định độ lớn của lực F và hợp lực FR trên hình 1.31a, nếu biết phương của hợp lực FR trùng với trục y. Hình 1.31: Minh họa ví dụ 1.9 Giải:  Dựa vào tiên đề 3 ta xác định được hợp lực như hình 1.31b.  Áp dụng định lý Sin trong tam giác như hình 1.31c ta có: F 200   F  245 lb sin 600 sin 450 FR 200   FR  273 lb 0 sin 75 sin 450 16 Ví dụ 1.10 Hãy xác định góc  hợp bởi thanh A và tấm tôn như hình 1.32a để cho hợp lực FR của hai lực FA và FB có phương nằm ngang và chiều hướng sang phải? Giải:  Áp dụng tiên đề hình bình hành lực để xác định hợp lực FR như hình 1.32b.  Sử dụng định lý Sin trong tam giác ta có: sin(900   ) sin 500   sin(900   )  0.5745 6 8    54.930  Theo hình 1.32c ta có:   1800   900  54.930   500  94.930 a)  Áp dụng định lý Cosin ta tìm được hợp lực FR: FR  82  62  2(8) cos 94.930  10.4 kN 8 kN 8 kN  400 500 900   500 FR 6 kN  500 900   FR 6 kN c) b) Hình 1.32: Minh họa ví dụ 1.10 Ví dụ 1.11 Hợp lực FR của hai lực hoạt động tác dụng lên khúc gỗ có phương dọc theo trục x và có độ lớn là 10 kN. Hãy xác định góc  của dây cáp mắc vào B để cho FB đạt giá trị nhỏ nhất. Độ lớn của lực ở mỗi dây cáp trong trường hợp này? Giải:  Dựa vào tiên đề hình bình hành lực để xác định lực FB. Dựa vào hình 1.33b, để FB đạt giá trị nhỏ nhất thì FB phải có phương vuông góc với FA. a)  Theo hình 1.33b ta có: 0 FA FB  10sin 30  5.00 kN 0 FA  10 cos 30  8.66 kN FA  Góc  được xác định như sau: 0 0 30 0   90  30  60 . 10 kN  30  0 10 kN FB b) c) Hình 1.33: Minh họa ví dụ 1.11 17 FB 0 1.5 LIÊN KẾT VÀ PHẢN LỰC LIÊN KẾT 1.5.1 Vật rắn tự do và vật rắn liên kết a. Vật rắn tự do: Là vật thể có thể di chuyển trong không gian theo thời gian mà không chịu bất kỳ một ràng buộc hay cản trở nào. b. Vật rắn không tự do (hay còn gọi vật rắn chịu liên kết): Là vật rắn mà chuyển động của nó theo hướng nào đó bị ngăn trở bởi một vật khác. Vật cản trở chuyển động đó gọi là vật gây liên kết. c. Liên kết: Những điều kiện cản trở di chuyển của vật khảo sát được gọi là những liên kết đặt lên vật ấy. 1.5.2. Lực liên kết, lực hoạt động và phản lực liên kết. a. Lực liên kết: Những lực đặc trưng cho tác dụng tương hỗ giữa các vật có liên kết với nhau qua chỗ tiếp xúc hình học. b. Lực hoạt động: Những lực tác dụng lên vật khảo sát có thể gây ra chuyển động nếu không có liên kết. c. Phản lực liên kết:  Phản lực liên kết: Là lực tác dụng của vật liên kết lên vật rắn khảo sát  Áp lực: Lực liên kết do vật khảo sát tác dụng lên vật gây liên kết. 1.6 CÁC DẠNG LIÊN KẾT THƯỜNG GẶP VÀ PHẢN LỰC LIÊN KẾT CỦA NÓ 1.6.1 Liên kết tựa Mặt tiếp xúc nhẵn phản lực liên kết có phương trùng với pháp tuyến chung của mặt tiếp xúc. Khi hai bề mặt nhám (có ma sát), phản lực liên kết có hai thành phần:  Pháp tuyến  Tiếp tuyến (ma sát) 1.6.2 Liên kết dây mềm Hình 1.34: Liên kết tựa  Khi dây không có trọng lượng (trọng lượng nhỏ), sức căng theo trục của dây.  Khi dây có trọng lượng sức căng theo phương tiếp tuyến của dây. 1.6.3 Liên kết con lăn trên mặt phẳng nhẵn Phản lực liên kết có phương vuông góc với mặt phẳng tựa. Hình 1.35: Liên kết dây mềm Hình 1.36: Liên kết con lăn 1.6.4 Liên kết khớp trụ trượt (bản lề trụ) và máng trượt nhẵn Phản lực có phương pháp tuyến với phương dịch chuyển Hình 1.37: Liên kết bản lề trụ và máng trượt 18 1.6.5 Liên kết ngàm Ngoài các phản lực theo phương x, y, z còn có mô men phản lực M. Hình 1.38: Liên kết ngàm 1.6.6 Liên kết gối tựa (gối cố định) Nếu chốt không ma sát có phản lực chưa thể xác định phương nên thường được phân tích thành hai thành phần. Nếu vật bị chốt cứng vào gối phản lực còn có mô men phản lực. Hình 1.39: Liên kết gối tựa 1.6.7 Một số liên kết khác Dạng liên kết Phản lực liên kết 1. Liên kết tựa trên mặt phẳng nhẵn Phản lực liên kết có phương vuông góc với mặt tựa tiếp xúc 2. Liên kết tựa trên mặt phẳng gồ ghề Ngoài phản lực pháp tuyến còn có phản lực ma sát. 3. Con lăn chuyển động trên đường ray Ngoài phản lực pháp tuyến còn có phản lực theo phương ngang để cho con lăn không trượt khỏi rãnh. 19