null
Transcription
null
Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Föreläsningar i Mekanik (FMEA30) Del1: Statik och partikeldynamik Läsvecka 1 Föreläsning 1: Inledning. Kraftsystem, kraft (2/1-2/4) Vad är kraft och vad är moment? Som vi känner dessa begrepp sedan tidigare så kan en kraft sätta ett föremål i rörelse eller hindra ett föremål från att röra sig. När vi tänker på begreppet kraft så förställer vi oss det som en pil som pekar i den riktning som kraften verkar och vars längd representerar kraftens storlek. I Figur 1.1 (a) nedan är en kabel (lina) fastsatt i ett vinkeljärn som i sin tur är fastskruvat i en balk. Kabeln är sträckt med förspänningskraften P (N) . Detta representerar vi med en ”kraft-pil” P som är riktad längs kabeln, enligt (b), och har beloppet (’längden’) P= P (1.1) R O A P (c) Figur 1.1 Begreppet kraft. Om vi i första hand betraktar vinkeljärnet så kan vi säga att kraften från kabeln är en på vinkeljärnet anbringad kraft (applied force). Vinkeljärnet hålls på plats av krafter i skruvarna som vi kallar reaktionskrafter (reactive forces). Dessa krafter uppstår som en reaktion på den anbringade kraften. För att vinkeljärnet ska sitta kvar så krävs att rektionskrafterna ”balanserar” den anbringade kraften. Vi uttrycker detta matematiskt med formeln F + R =⇔ 0 R= −F 1 (1.2) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 d v s summan av den anbringade kraften och reaktionskraften är lika med noll. Såväl den anbringade kraften från kabeln som reaktionskraften från skruvarna uppfattar vi som yttre krafter på vinkeljärnet. Nå, vad är nu ett moment? Ja, om vi tittar på Figur 1.2 a) så får man en känsla av att vinkeljärnet, utsatt för de yttre krafterna P och R , kommer att vilja rotera vinkeljärnet ”medurs” (clockwise). För att förhindra detta krävs att ett moment M verkar på vinkeljärnet enligt Figur 1.2 b) nedan. Momentet vrider ”moturs” (counterclockwise) och kommer att balansera den vridning som krafterna vill åstadkomma. vridningsriktning R R A O M O A P P a) b) Figur 1.2 Begreppet moment. Krafter uppträder även inuti vinkeljärnet, så kallade inre krafter (internal forces). Dessa inre krafter (spänningar) motsvaras av deformationer hos vinkeljärnet vilka är fördelade över vinkeljärnets volym. Om de inre krafterna i vinkeljärnet blir alltför stora kan materialet i vinkeljärnet gå sönder. Det är således av intresse att kunna beräkna, förutom reaktionskrafterna, även de inre krafterna. Punkten A kallas kraftens F angreppspunkt (point of application). Vad händer om man byter angreppspunkt, kommer då kraftens verkan att ändras? R R B M1 O AC M2 A O AA P a) P b) Figur 1.3 Kraftens angreppspunkt. Om kraftens angriper i punkten B i stället för i A så ändrar detta naturlivis inte ekvationen (1.1) medan däremot momentet M måste öka för att kunna hålla emot krafternas vridande verkan, M 1 > M . På vilket sätt momentet ökat kommer vi att återkomma till. Om kraftens angreppspunkt flyttas till C som är en punkt på den linje genom A som är parallell med så kommer krafternas vridande verkan inte att ändras och momentet M behöver då inte ändras, M 2 = M . En kraft bestäms således av sin angreppspunkt A och en kraftvektor P . Bägge behövs för att kraften skall vara definierad. Den linje som går genom kraftens angreppspunkt och är parallell med kraften kallas kraftens verkningslinje (line of action). Vi kan således flytta kraften längs verkningslinjen och låta den angripa i en annan 2 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 punkt på verkningslinjen utan att kraftens verkan ändras. Detta gäller dock endast under förutsättningen att kroppen ifråga kan betraktas som stel (rigid) d v s om kroppens form inte kan ändras. I vårt exempel ovan med vinkeljärnet är detta villkor approximativt uppfyllt om vinkeljärnet är tillverkat i stål. Om vinkeljärnet tillverkats i gummi kan dock antagandet om stelhet ifrågasättas. För den stela kroppen i figuren nedan är det tillåtet att flytta kraften P från punkten B till punkten A längs sin verkningslinje. Att flytta kraften till punkten D är dock inte utan vidare tillåtet. D × P Figur 1.4 Kraftens verkningslinje. Antag nu att vinkeljärnet påverkas av två anbringade krafter F1 och F2 båda angripande i punkten A enligt Figur 1.5. Krafterna F1 och F2 sägs då vara samverkande (concurrent) i punkten A. Samverkande krafter kan ersättas med sin resultant R = F1 + F2 (1.3) angripande i punkten A. F2 ⇔ A A R F1 Figur 1.5 Samverkande krafters resultant. Hur kan man göra med punktkrafter som inte är samverkande, d v s som inte angriper i samma punkt? Låt F1 angripa i punkten A och låt F2 angripa i punkten i punkten B enligt Figur 1.6. Om vi antar att krafternas verkningslinjer ligger i samma plan och inte är parallella så kan man göra som i Figur 1.6. Förutsättningarna innebär att verkningslinjerna har en skärningspunkt C. Flytta nu krafterna längs sina respektive verkningslinjer så att de angriper i C. Krafterna är nu samverkande och vi kan bilda deras resultant enligt Figur 1.5. Resultantens kraftvektor ges av (1.3) och dess angrepps punkt av C. 3 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 F2 F2 B C C R A F1 F1 Figur 1.6 Ej samverkande krafters resultant. Om F2 = − F1 så följer att R = F1 + F2 = F1 − F1 = 0 . d v s krafterna motverkar, ”tar ut” varandra. Se Figur 1.7! F2 = − F1 F2 = − F1 C A A F1 F1 Figur 1.7 Motverkande krafters resultant. Hur gör man nu om krafterna är parallella? Antag att vi har krafterna F1 och F2 angripande i punkterna A och B, respektive. Antag att krafterna är parallella. Se Figur 1.8 nedan. Tillfoga krafterna F och −F med angreppspunkterna A och B, respektive och med en gemensam verkningslinje som går genom punkterna A och B enligt Figur 1.8 nedan. Observera att verkan av dessa båda krafter tar ut varandra. Krafterna F1 och F blir då samverkande och vi kan bilda deras resultant R= F1 + F 1 (1.4) På samma sätt bildar vi resultanten till F2 och −F . R= F2 − F 2 (1.5) Krafterna R1 och R2 är ej parallella och vi kan nu använda konstruktionen för ej samverkande krafters resultant enligt Figur 1.6. Resultanten till R1 och R2 ges då av 4 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 R = R1 + R2 = F1 + F + F2 − F = F1 + F2 (1.6) med angreppspunkten C enligt Figur 1.8. B A C Figur 1.8 Ej samverkande parallella krafters resultant. En kraft P kan delas upp i komposanter (vector components) P1 och P2 så att P= P1 + P2 (1.7) Detta kan göras på många sätt varav två möjligheter visas i figuren nedan. Vilken uppdelning som kan vara lämplig avgörs från fall till fall. P1 A P1 A P2 P2 P P Figur 1.9 Uppdelning i komposanter. Om vi inför en bas av vektorer i planet a och b så kan kraften skrivas = P aPa + bPb (1.8) där Pa och Pb kallas kraftens komponenter (scalar components) i basen a , b . Om basvektorerna är dimensionslösa kommer komponenterna Pa och Pb att ha samma fysikaliska dimension som P . Beloppet för kraften P kan nu skrivas 5 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 P = P ⋅ P = (aPa + bPb ) ⋅ (aPa + bPb ) = a ⋅ a Pa2 + b ⋅ b Pb2 + 2a ⋅ b Pa Pb = 2 a Pa2 + b Pb2 + 2a ⋅ b Pa Pb 2 2 Antag nu att basvektorerna har längden lika med ett, d v s a= (1.9) b= 1 . De sägs då vara normerade och benämnes enhetsvektorer. Då gäller att P = Pa2 + Pb2 + 2Pa Pb cos α = Pa2 + Pb2 − 2Pa Pb cos β 2 (1.10) där α är vinkeln mellan basvektorerna enligt Figur 1.10 a) nedan och där = β 180° − α enligt Figur 1.10 b). I steget från (1.9) till (1.10) har vi använt sambandet a ⋅ b = a b cos α . Den geometriska additionen av vektorer enligt Figur 1.10 b) brukar kallas parallellogram-lagen (parallelogram rule) Sambandet (1.10) brukar kallas cosinussatsen (law of cosines) b b bPb α A A a aPa a) P β P aPa a α bPb b) Figur 1.10 Uppdelning i komposanter. Om vi väljer basvektorerna ortogonala, a ⋅ b = 0 ( α= 90° ) och dessutom normerade så får vi en ortonormerad bas. Vi betecknar basvektorerna i en ortonormerad bas i och j , och för dessa gäller i ⋅i = 1, j⋅ j = 0 1, i ⋅ j = (1.11) Vi associerar basvektor i med riktningen hos en x - axel och j med riktningen hos en y -axel enligt figuren nedan. Vektorn i kallas då x - riktningen ( x - direction) och j , y - riktningen ( y direction). För en kraft F kan vi nu skriva F = Fx + Fy = i Fx + j Fy (1.12) där Fx = i Fx är kraftens komposant i x - led och Fy = j Fy är kraftens komposant i y - led, Fx är kraftens x - komponent och Fy är kraftens y - komponent. Vi noterar att beloppet (magnitude) av F ges av uttrycket 6 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 = F F = Fx2 + Fy2 , Fx = F cos θ , Fy = F sin θ (1.13) Om basen i , j är given (underförstådd) kan man använda matris-notation och skriva F =i Fx + j Fy =( Fx Fy ) (1.14) Figur 1.11 Uppdelning ortogonala komposanter. Givet två krafter= F1 i F1x + j F1 y och = F2 i F2 x + j F2 y . Deras kraftsumma (vektorsumma) ges då av F = F1 + F2 = i F1x + j F1 y + i F2 x + j F2 y = i ( F1x + F2 x ) + j ( F1 y + F2 y ) = i Fx + j Fy Fx Fy Eller Fx = F1x + F2 x = ∑ Fx Fy = F1 y + F2 y = ∑ Fy F Fy Fx Figur 1.12 Summa av två krafter. Om vi har många punktkrafter F1 , F2 , , Fn blir deras kraftsumma 7 (1.15) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 n n F i (∑ F ∑= F = n ) + j (∑ Fky ) k kx = k 1= k 1 = k 1 eller n F = x ∑ Fkx k =1 n F = F ky y ∑ k =1 b Matematik-ruta 1: Skalär produkt (scalar product) Låt λ vara ett reellt tal och a och b vektorer med θ a = i ax + j a y + k az , b = i bx + j by + k bz a Då gäller ) ax bx + a y by + az b= a ⋅ b= (i ax + j a y + k az ) ⋅ (i bx + j by + k bz = a b cos θ z a ⋅ b = b ⋅ a , a ⋅ (b + c ) = a ⋅ b + a ⋅ c , (λ a ) ⋅ b= λ (a ⋅ b) , a ⋅ (λ b) =λ (a ⋅ b) a ⋅b = 0 ⇔ a ⊥ b a= ax2 + a y2 + az2 i ⋅ i = j ⋅ j = k ⋅k = 1 , i ⋅ j = j ⋅ k = k ⋅ i = 0 Ortogonal projektion, komposantuppdelning Enhetsvektorn i vektorns a riktning ea = b a , a≠0 a Uppdelning i ortogonala komposanter θ ea b= ba′ + ba′′ , ba′ ⋅ ba′′ = 0 Komposanter ′ ea (ea ⋅ b= ) b= a b⋅a a ba′′ = ea × (b × ea ) = 2 a ea ⋅ b a a × (b × a ) a ba′′ b 2 För definition av vektorprodukten se Matematikruta 2, sid 14. 8 θ ba′ Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Exempel 2.1 The magnitude of the force F is 600N . Express F as a vector in terms of the unit vectors i and j . Identify both the scalar and vector components of F . Figur 1.13 Exempel 2.1. Lösning: = F i Fx + j Fy där = Fx F cos = 30° 600N cos = 30° 520N och Fy = − F sin 30° = −600N cos 30° = −300N Således= F i 520N + j (−300N ) och därmed Vektor komponenter (komposanter): Fx = i 520N , Fy= j (−300N ) Skalära komponenter: Fx = 520N , Fy = −300N Kontroll: Kraftens belopp: F = 2 Fx2 + F= y 520 2 + (−300 ) 2 N ≈ 600N , OK! __________________ En linje är entydigt bestämd av två punkter på linjen. Antag punkterna A och B givna med koordinaterna ( x A , y A ) och ( xB , yB ) i ett Cartesisk (rectangular) koordinatsystem. y B nAB A rB rA x O Figur 1.14 Riktningsvektorn för en rät linje. Lägesvektorerna för punkten A och B ges av 9 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 = rA rOA = i xA + j y A , = rB rOB = i xB + j y B respektive. Den vektor, rAB , som förbinder A och B ges då av rAB = rB − rA = i xB + j yB − (i x A + j y A ) = i ( xB − x A ) + j ( yB − y A ) Den räta linjens riktningsvektor nAB kan då skrivas n= AB rAB = rAB i ( xB − x A ) + j ( y B − y A ) ( xB − x A ) 2 + ( y B − y A ) 2 (1.16) Exempel 2.2 The line of action of the 9.6kN force F runs through the points A and B as shown in the figure. Determine the x and y scalar components of F . Figur 1.15 Exempel 2.2. Lösning: F = nAB F där = F F = 9.6kN och nAB är riktningsvektorn för kraftens verkningslinje, d v s enligt (1.16) = nAB Kontroll nAB = i (300 − (−150 )) + j (100 − (−200 )) = (300 − (−150 )) 2 + (100 − (−200 )) 2 i 450 + j 300 = i 0.832 + j0.555 450 2 + 300 2 0.832 2 + 0.555 2 ≈ 1 , OK! Därmed F = nAB F =+ i 7.99kN + j 5.33kN vilket innebär att (i 0.832 j0.555)9.6kN = Skalära komponenter: Fx = 7.99kN , Fy = 5.33kN ____________________ Problem 2/23 Determine the resultant R of the two forces shown by (a) applying the parallelogram rule for vector addition and (b) summing up scalar components. 10 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Figur 1.16 Problem 2/23. Lösning: Vi söker storlek R och riktning θ för resultanten R . Se Figur 1.17 nedan. Cosinussatsen ger (1.10) ger R= F12 + F22 − 2F1 F2 cos β= 400 2 + 600 2 − 2 ⋅ 400 ⋅ 600 cos 120° ⇒ R= 872N 2 Sinussatsen ger 600 872 = ⇒ θ= 36.6 ° sin θ sin 120° Med = R i Rx + j Ry erhålles 2 Ry = ∑ Fky = −400 − 600 sin 30° = −700N , Rx = k =1 2 ∑F k =1 kx = 0 + 600 cos 30° = 520N y x 30° θ F2 = β 120° F1 R Figur 1.17 Lösning 2/23. _____________________ 11 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Föreläsning 2: Kraftsystem, moment (2/4-2/6) Vi har diskuterat en krafts verkan och konstaterat att en kraft är förbunden med en viss angreppspunkt. Den har en dragande (tryckande) verkan och den påverkar den kropp som den angriper genom att vilja sätta den i rörelse eller genom att motverka (förhindra) dess rörelse. Vi såg tidigare, när vi studerade vinkeljärnet att den anbringade kraften P motverkas av en reaktion som bestod av en kraft R och ett moment M , se Figur 1.2. Momentet har en vridande verkan och behövdes för att motverka den vridande verkan som krafterna P och R ger upphov till. Krafter har således också en verkan i form av en vridande förmåga. Med en rörtång försöker man vrida ett rör och anbringar för den sakens skull en kraft F på tångens skaft enlig figuren nedan. O A B O Figur 2.1 En krafts vridande verkan. Låt B, i figur 2.1 b), beteckna kraftens angreppspunkt och låt r = rAB beteckna vektorn från punkten A på rörets symmetriaxel till punkten B. Kraftens moment, med avseende på punkten A, definieras som den vektor M som är vinkelrät mot det plan som spänns upp av vektorerna r och F och som har beloppet = M M = Fd (2.1) där F = F och d är vinkelräta avståndet från vridningsaxeln O-O till kraftens verkningslinje och som pekar i den riktning som ges av ”högerhandsregeln”: Låt fingrarna på höger hand peka i kraftens vridningsriktning då ger tummen (på höger hand) riktningen för momentet. Se Figur 2.1 c) ovan. Med ett ”ovanifrånperspektiv” så har vi en situation enligt Figur 2.2 nedan. j α r B Figur 2.2 En krafts vridande verkan. 12 k⋅ i Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Punkten A kallas momentpunkt. Om vi inför basvektorer i , j , k enligt figuren så kan vi således skriva (observera att d = r sin α där r = r ) = M k= M kF = d k F r sin α (2.2) Antag att koordinatsystemet är valt så att r = i r , d v s vektorn r = i r är parallell med x - axeln. Detta är möjligt eftersom valet av koordinatsystemet är fritt! Om vi nu bildar vektorprodukten mellan lägesvektorn r = i r och kraften = F i Fx + j Fy så erhålles r × F = i r × (i Fx + j Fy ) = i × i r Fx + i × j r Fy = k r Fy = k F r sin α =0 eftersom i × i = 0 , i× j = k och Fy = F sin α . Vi har således visat att M= r × F (2.3) Det vill säga kraftens F moment med avseende på punkten A är lika med vektorprodukten mellan lägesvektorn r och kraftvektorn F . Om man vill förtydliga kan man utnyttja skrivsättet M= rAB × F A där A betecknar momentpunkten och B betecknar kraftens angreppspunkt. Antag nu att = r i x+ jy. Då gäller att M =r × F =(i x + j y ) × (i Fx + j Fy ) =i x × i Fx + i x × j Fy + j y × i Fx + j y × j Fy = i × j xFy + j × i yF = k ( xFy − yF ) x (2.4) där vi utnyttjat att vektorprodukten följer den distributiva lagen (man får multiplicera in i parentesen) och att i × i = j × j = 0 , i × j =− j × i =k . Momentet har följande egenskap: Om kraften F har komposanterna F1 och F2 , d v s F = F1 + F2 så gäller att M = r × F = r × ( F1 + F2 ) = r × F1 + r × F2 d v s kraftens moment är summan av komposanternas moment (Varignon’s teorem). Vi kan generalisera (2.4) till tre dimensioner. Om F = i Fx + j Fy + kFz och r = i x + j y + k z så gäller att M =r × F =i ( yFz − z Fy ) + j ( z Fx − xFz ) + k ( xFy − yFx ) 13 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Matematik-ruta 2: Vektor produkt (Cross-product) Låt a och b vara vektorer med a = i ax + j a y + k az , b = i bx + j by + k bz a×b b Då gäller θ i j a× b ax = bx ay by k a = az i (a y bz − az by ) + j (az bx − ax bz ) + k (ax by − a y bx ) bz Beloppet av vektorprodukten, a × b = a b sin θ , svarar mot arean av den parallellogram som spänns upp av vektorerna a och b . Se figur ovan! a×b = 0 ⇔ a b a × b =−b × a , a × (b + c ) = a × b + a × c , (λ a ) × b= λ (a × b) , a × (λ b) =λ (a × b) i i× j = k , j×k = i , k × i =j k j Exempel 2.3 Determine the moment of the 800N force about point A and point O. Figur 2.3 Exempel 2.3. Lösning: Vi redovisar två olika metoder för lösning av problemet. Metod 1: Beräkna de vinkelräta avstånden d1 och d 2 från respektive momentpunkt till kraftens verkningslinje. Se Figur 2.4 nedan. Det gäller att , d 2 0.757 − 0.625 sin= = d1 0.875 = cos 30° 0.757m = 30° 0.444m 14 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Då gäller enligt (2.2), om hänsyn tas till kraftens vridningsriktning (med = F F = 800N ), MA = ( − k ) F d1 = k ( − 800N ⋅ 0.757m) = k (−606 Nm) d1 F d2 Figur 2.4 Lösning 2.3. M O =− k ( F d 2 ) =− k ( 800N ⋅ 0.444m) =− k ( 356 Nm) Metod 2: Med = F i Fx + j Fy där Fx = − F sin 30° = −600sin30° = −400N och Fy = i xB + j yB där xB = 0.875m och yB = 0.625m − F cos 30° = −600 cos 30° = −693N och r= OB erhålles enligt (2.4) M O = k ( xB Fy − yB Fx )= k (0.875m ⋅(−693N ) − 0.625m ⋅ (−400N ))= k (−356 Nm) Notera att tecknet här kommer ut automatiskt! Med r= i x A + j y A där x A = 0m och OA y A = 0.625m gäller att M A = rAB × F = i (0.875m) × (i (−400N ) + j (−693N )) = i × j 0.875m⋅ (−693N ) = k (−606 Nm) _______________________________ Vi sammanfattar. Till en kraft F hör alltid en angreppspunkt, d v s en punkt A i kroppen där kraften angriper. Paret ( F , A) kallar vi för en punktkraft. Kraftens verkningslinje definieras av angreppspunkten A och riktningsvektorn nF som definieras av = nF F , F ≠0 F Ekvationen för verkningslinjen ges då av 15 (2.5) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 r= rA + nF s, − ∞ < s < ∞ (2.6) där rA = rOA och O är en fix punkt i rummet, ett origo. Kraftens moment m a p momentpunkten O ges av M O= rA × F F nF F B verkningslinje A A rB r rA O O Figur 2.5 Punktkraft. För punktkraften ( F , B ) , där punkten B ligger på kraftens ( F , A) verkningslinje, gäller att momentet m a p O blir M O = rB × F = (rA + rAB ) × F = rA × F eftersom rAB × F = 0 då ju rAB F , se Figur 2.5 ovan! Punktkrafterna ( F , B) och ( F , A) har således samma moment! Detta är förklaringen till att man får flytta en kraft längs sin verkningslinje! Vi börjar nu det systematiska studiet av kraftsystem. Det enklaste kraftsystemet består av en punktkraft ( F , A) och det näst enklaste av två punktkrafter: ( F1 , A) och ( F2 , B ) , se Figur 2.6 nedan. Systemets kraftsumma F definieras i detta fall av vektorsumman F= F1 + F2 (2.7) och kraftsystemets momentsumma, m a p O, ges av M O = rA × F1 + rB × F2 16 (2.8) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 F2 F1 B rB A rB A O Figur 2.6 Kraftsystem bestående av två punktkrafter Vi börjar med ett system som består av två likadana och motriktade krafter F och −F enligt figuren nedan. Figure 2.7 Kraftpar (Couple). Detta kraftsystem kallas ett kraftpar (Couple) och har kraftsumman: F + (− F ) = F − F = 0 och momentsumman, se Figur 2.7 b), M O = rA × F + rB × (− F ) = (rA − rB ) × F = rBA × F (2.9) Om vi låter basvektorn k peka i samma riktning som M O kan vi skriva M O= k rBA × F = k rBA F sin θ= k F rBA sin θ= k F d där F = F (2.10) och d = rBA sin θ är det vinkelräta avståndet mellan krafterna verkningslinjer. Se nedanstående Figur 2.8. Om man utgår från Figur 2.7 a) erhåller man direkt och på enklaste sätt O: M = − Fa + F (a + d ) = Fd med riktningen k . 17 (2.11) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 B j −F rBA A d k⋅ F θ i Figur 2.8 Kraftpar. Hur ändrar sig momentet för ett kraftpar när man byter momentpunkt från O till någon annan punkt Q? Ja, enligt (2.9) beror momentet för ett kraftpar endast av vektorerna rBA och F och således inte alls på momentpunkten! Det gäller således att M Q = rBA × F , ∀Q (2.12) (symbolen ∀ betyder ’för alla’). Man kan alltså flytta runt momentpunkten för ett kraftpar hur man vill utan att detta ändrar kraftparets moment! Alternativt kan man säga att man kan flytta runt kraftparet hur man vill om man inte ändrar på vektorerna rBA och F . Det är nu möjligt att, på samma sätt som vi införde krafter, representerade av vektorer, införa (”rena”) moment och representera dessa med vektorer. Ett moment M som verkar på en kropp ritas då som en vektorpil försedd med vridningsriktning enligt nedanstående figur. M2 M1 B A B a) b) Figur 2.9 Moment. Moment kan liksom krafter adderas vektoriellt. Momentsumman i Figur 2.9 b), som föreställer momentvektorer med godtyckliga riktningar rummet, ges av M = M1 + M 2 (2.13) Om kraften i huvudsak utövar en dragande/tryckande verkan så utövar ett moment (couple) en rent vridande verkan. En åskådlig bild av ett moments verkan kan ges av skruvmejseln som överför en vridande verkan till skruven. 18 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 M A B Figur 2.10 Moment Momentsumman för kraftsystemet i Figur 2.10 nedan, m a p punkten O, ges nu av M O = rA × F1 + rB × F2 + M 1 d v s summan av de båda krafternas moment och momentet M 1 . Observera att var vi placerar momentet M 1 (t ex i punkten C enligt figuren) har ingen betydelse för momentsumman. Kraftsumman för kraftsystemet i Figur 2.10 ges av ekvation (2.7) ovan eftersom momentet M 1 inte påverkar kraftsumman! M1 F2 F1 C B rB A rB A O Figur 2.11 Kropp angripen av två krafter och ett moment. 19 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Om man har ett moment M kan detta realiseras med ett kraftpar på (oändligt) många sätt. Antag att vi har ett kraftpar ( F , A) , (−F , B ) som uppfyller rBA × F = M då gäller för kraftparet (G , C ) , (−G , D) , där rCD = λ rBA och G = rCD × G = λ rBA × 1 λ 1 λ F att F = rBA × F = M d v s även kraftparet (G , C ) , (−G , D) är en realiserig av M . I figuren nedan visas exempel på olika realiseringar av ett moment M . Figur 2.12 Realiseringar av moment. Antag att vi har en punktkraft ( F , A) enligt figuren nedan. Vi kan ersätta denna punktkraft med ett kraftsystem bestående av en punktkraft ( F , B ) och ett moment M = rBA × F . Vi säger att de båda kraftsystemen är ekvivalenta (ekvimomenta). M B B A rA F F F B O M rB ≡ C A ≡ rB A O O Figur 2.13 Ekvivalenta kraftsystem. Exempel 2.4 A force F = 60N acts along a line AB. Determine the equivalent force-couple system at the point C. 20 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Figur 2.14 Exempel 2.4. Lösning: Kraften kan skrivas F = nAB F där F = 60N och, enligt (1.16), gäller att n= AB rAB = rAB i ( xB − x A ) + j ( y B − y A ) = ( xB − x A ) 2 + ( y B − y A ) 2 i (−0.03) + j0.04 0.032 + 0.04 2 i (0.02 − 0.05) + j (0.04 − 0 ) = (0.02 − 0.05) 2 + (0.04 − 0 ) 2 3 4 =i (− ) + j 5 5 3 5 4 )60 , och därmed 5 3 4 4 4 M C = rCA × F = i 0.05m × (i (− ) + j )60N = i 0.05 × j 60 = k 0.05 60 = 5 5 5 5 Således F = nAB F = (i (− ) + j 4 k (0.05 ⋅ ⋅ 60 ) = k 2.4Nm 5 Alternativt kan vi dela upp kraften F i komposanter, enligt (se figuren nedan) 3 4 F =F1 + F2 =i (− )60 + j 60 5 5 4 F2 = i 60 5 3 F1= i ( − )60 5 Figur 2.15 Lösning 2.4. 21 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Direkt från Figur 2.15 erhålles (Observara att punktkraften ( F1 , A) har momentet noll m a p punkten C) 4 2.4Nm C : M C = 60N ⋅ (5 ⋅ 0.01m) = 5 R M C Figur 2.16 Lösning 2.4. _________________________________ Exempel 2.5 Each propeller of the twin-screw ship develops a full speed trust of 300kN . In maneuvering the ship one propeller is turning full speed ahead and the other full speed reverse. What trust force P must each tug exert on the ship to counteract the effect of the ship’s propellers? Figur 2.17 Exempel 2.5. Lösning: Fartyget påverkas av två kraftpar: M= k P ⋅ 70m och M 2 = k (− F ⋅ 12m) = 1 k (−300kN ⋅ 12m) =− k ( 3.6 MNm) . Momentsumman: M =M 1 + M 2 =k P ⋅ 70m + k (−3.6 MNm) =k ( P ⋅ 70m − 3.6 MNm) M =⇒ 0 k ( P ⋅ 70m − 3.6 MNm) =⇒ 0 P ⋅ 70m − 3.6 MNm =⇒ 0 P= 51.4kN 22 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 P j F 12m F k⋅ i P 70m Figur 2.18 Lösning 2.5. ________________________________________ Låt oss nu studera ett kraftsystem som består av fler än två punktkrafter, t ex: ( F1 , A) , ( F2 , B ) , ( F3 , C ) , se Figur 2.19. Kraftsumma och momentsumma ges av F = F1 + F2 + F3 , M O = rA × F1 + rB × F2 + rC × F3 (2.14) Vi förutsätter att kraftsystemet är plant (two-dimensional), dvs att punkterna A, B och C ligger i ett gemensamt plan och att krafterna F1 , F2 , F3 är parallella med detta plan. F1 A F2 rA rB rC B C F3 O Figur 2.19 Kraftsystem bestående av tre punktkrafter. Är det möjligt att ersätta detta kraftsystem med ett kraftsystem bestående av en punktkraft: ( R, P ) ? För att undersöka detta kompletterar vi Figur 2.19 med krafternas verkningslinjer. Verkningslinjerna för krafterna ( F2 , B ) , ( F3 , C ) skär varandra i punkten D. Förflytta kraftvektorerna till D och summera vektorerna till F2 + F3 . Se nedanstående Figur 2.20. Inför därefter verkningslinjen för punktkraften ( F2 + F3 , D ) . Denna skär verkningslinjen för ( F1 , A) i punkten P. Förflytta kraftvektorerna F2 + F3 och F1 till P och summera vektorerna till R = F1 + F2 + F3 . Se nedanstående Figur 2.21. 23 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 F1 A F2 B F2 + F3 D P C F3 Figur 2.20 Summering av punktkrafterna ( F2 , D ) , ( F3 , D ) . A F1 + F2 + F3 F1 B F2 P + F3 C Figur 2.21 Summering av punktkrafterna ( F1 , P ) , ( F2 + F3 , P ) . Vi har då erhållit ett kraftsystem bestående av punktkraften ( R, P ) där R = F1 + F2 + F3 Se Figur 2.22 nedan. Kraftsystemet ( R, P ) kallas kraftresultanten till kraftsystemet ( F1 , A) , ( F2 , B) , ( F3 , C ) . A R B P C Figur 2.22 Kraftresultanten ( R, P ) . 24 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Ett alternativt sätt att behandla detta problem visas i det följande. Vi börjar med att införa verkningslinjerna till samtliga punktkrafter enligt figuren nedan. Välj en godtycklig punkt D och bestäm de vinkelräta avstånden d1 , d 2 och d 3 från var och en av verkningslinjerna till punkten D, enligt figuren nedan. F1 A F2 B d1 d 3 j k⋅ D d2 i C F3 Figur 2.23 Kraftsystem bestående av tre punktkrafter. Vi kan nu flytta samtliga kraftvektorer till punkten D, om vi samtidig inför (kompenserar med) moment M 1 = rDA × F1 = k M 1 , M 2 = rDB × F1 = k M 2 och M 3 = rDC × F1 = k M 3 , där M 1 = − F1 d1 , M 2 = F2 d 2 , M 3 = − F3 d 3 (2.15) Vi har då ett kraftsystem bestående av punktkrafterna ( F1 , D) , ( F2 , D ) , ( F3 , D ) och momenten M 1 , M 2 , M 3 . Detta kraftsystem har kraftsumman enligt (2.14) och momentsumman M D = M1 + M 2 + M 3 = k M D (2.16) m a p punkten D där M D = − F1 d1 + F2 d 2 − F3 d 3 . Vilken momentsumma har detta kraftsystem m a p O? Jo, momentsumman M D + rD × F1 + rD × F2 + rD × F3 = rDA × F1 + rDB × F2 + rDC × F3 + rD × R = (rA − rD ) × F1 + (rB − rD ) × F2 + (rC − rD ) × F3 + rD × R =rA × F1 + rB × F2 + rC × F3 − rD × R + rD × R = rA × F1 + rB × F2 + rC × F3 d v s samma moment som det ursprungliga kraftsystemet. Kraftsystemen i figurerna 2.19 och 2.24 a) är således ekvivalenta. Vi kan nu ersätta kraftsystemet ( F1 , D) , ( F2 , D ) , ( F3 , D ) med punktkraften ( R, D) och erhåller då det ekvivalenta kraftsystemet bestående av ( R, D) och momentet k M D . Detta kallas kraftsystemets resultant i punkten D. Se Figur 2.24 b). 25 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Observera att punkten D kan väljas fritt! Kan vi välja D så att M D = 0 , d v s har systemet en kraftresultant? Ja, välj D = P enligt Figur 2.21! I själva verket gäller att varje plant kraftsystem har en kraftresultant. A A A F1 F2 MD B B MD D F3 R D C C a) Figur 2.24 Resultanten ( R, D) , k M D . b) Exempel 2.6 Determine the magnitude of the force F applied to the handle which will make the resultant of the three forces pass through O. Figur 2.25 Exempel 2.6. Lösning: För att resultantens R verkningslinje skall passera genom O krävs att kraftsystemet i figuren ovan är ekvivalent med punktkraften ( R, O ) . Se figuren nedan, vilket innebär att kraftsystemets moment m a p O är lika med noll. O : M O =− F ⋅ 0.3m + 120N ⋅ 0.15m + 240N ⋅ 0.25m =0 ⇒ F =260N 26 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 R j k⋅ i Figur 2.26 Lösning 2.6. Vi kan nu beräkna kraftvektorn R som ju är summan av krafterna i Figur 2.26. Det gäller att R =+ i F j120N + j 240N = i 260N + j 360N Riktningsvektorn för resultanten ges då av n= R i 260 + j 360 = i 0.585 + j0.810 260 2 + 360 2 R = R ________________________________ Exempel 2.7 The rolling rear wheel of a front-wheel-drive automobile which is accelerating to the right is subjected to five forces and one moment as shown. The forces Ax = 240N , Ay = 2000N are forces transmitted from the axle to the wheel, F = 160N is the friction force exerted by the road surface on the tire, N = 2400N is the normal reaction force exerted by the road surface, and W = 400N is the weight of the wheel/tire unit. The couple M = 3Nm is the bearing friction moment. Determine and locate the resultant of the system. Figur 2.27 Exempel 2.7. 27 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Lösning: Vi har följande kraftsystem: ( N , B ) , ( F , B ) , (W , A) , ( Ax , A) , ( Ay , A) , M . Systemets kraftsumma ges av R = N + F + W + Ax + Ay = j 2400N + i (−160N ) + j (−400N ) + i 240N + j (−2000N ) = i 80N Systemets momentsumma m a p A ges av ( M = k M , R = 0.375m ) M A = k ( M − F R) = k (3 − 160 ⋅0.375) Nm = k (3 − 160 ⋅0.375) Nm = k (−57 Nm) M j Ay Ax k⋅ W A i B F N Figur 2.28 Lösning 2.7. Verkningslinjen för kraftresultanten är parallell med x - axeln, eftersom R = i 80N . Antag att verkningslinjen skär y - axeln i punkten P där rAP = j yP . Då gäller rAP × R = j yP × i 80N = k (−80 yP N ) = M A = k (−57 Nm) ⇒ yP = 57 Nm = 0.712m 80N R P yP j A B Figur 2.29 Lösning 2.7. 28 k⋅ i Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Föreläsning 3: Tre-dimensionella kraftsystem, Resultant (2/7-2/9). Vi övergår nu till att studera 3-dimensionella kraftsystem. Detta innebär inte några väsentliga förändringar i förhållande till de plana kraftsystemen. Definitioner av t ex av kraftsumma, momentsumma, kraftpar och kraftresultant är oförändrade. Den största skillnaden består i att inte alla kraftsystem har en kraftresultant. Vi ska emellertid se att de kraftsystem som är för komplicerade för att kunna ha en kraftresultant ändå kan beskrivas ganska enkelt. En kraftvektor F i tre dimensioner kan framställas i en ON - bas i , j , k enligt F =Fx + Fy + Fz = i Fx + j Fy + k Fz (3.1) där Fx = i Fx , Fy = j Fy , Fz = k Fz och Fx =i ⋅ F = i ⋅ F cos θ x =F cos θ x , Fy = j ⋅ F = j ⋅ F cos θ y = F cos θ y , Fz = k ⋅ F = k ⋅ F cos θ z = F cos θ z (3.2) kallas kraftvektorns komponenter i basen i , j , k , F är kraftvektorns belopp F= F = Fx2 + Fy2 + Fz2 (3.3) θ x , θ y , θ z är vinklar mellan kraften och respektive basvektor-riktning. Se Figur 3.1. Om vi inför beteckningarna l = cos θ x , m = cos θ y , n = cos θ z kan vi skriva F =(i l + j m + k n) F = nF F (3.4) där nF =i l + j m + k n är riktningsvektorn för kraften. Vi noterar att nF = l 2 + m2 + n2 = cos 2 θ x + cos 2 θ y + cos 2 θ z = 1 (3.5) nF Figur 3.1 Kraft i tre dimensioner. 29 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Givet kraftens belopp F = F och kraftens verkningslinje definierad av två punkter A och B med lägesvektorerna rA och rB , respektive. Bestäm kraften! Verkningslinjens riktningsvektor ges av = nF rAB = rAB rB − rA rB − rA (3.6) rB − rA F rB − rA (3.7) och kraften kan då skrivas = F n= FF B nF F rB P A rA O Figur 3.2 Bestämning av kraftvektorn för en kraft med känt belopp och känd verkningslinje. Ibland har man anledning att betrakta en krafts projektion i en viss riktning. Betrakta en kraft F och låt riktningen vara definierad av enhetsvektorn n , då gäller att kraftens F projektion i riktningen n definieras av Fn = n Fn (3.8) där Fn= n ⋅ F är komponenten av F i riktningen n . Vi har t ex Fx = i Fx . Jämför med (3.1)-(3.2)! Om n = i α + j β + k γ så får vi, med utnyttjande av (3.4), att Fn =n ⋅ F =(i α + j β + k γ ) ⋅ (i l + j m + k n) F =(α l + β m + γ n) F (3.9) Problem 2/105 The turnbuckle is tightened until the tension in the cable AB equals 2.4kN . Determine the vector expression for the tension T as a force acting on member AD. Also find the magnitude of the projection of T along the line AC. 30 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Figur 3.3 Problem 2/105. Lösning: Vi börjar med att beräkna spännkraften (tension) i kabeln T = nT T där nT är kraftens rAB där (längd i meter) rAB riktningsvektor och T = 2.4kN . Det gäller att nT = rAB = rB − rA = i 2 + j 3 + k 0 − (i 0 + j 2 + k 5) = i 2 + j 1 + k (−5) , rAB = 30 Detta ger = nT i 0.365 + j 0.182 + k (−0.91) och därmed T = nT T = i 0.876 + j 0.438 + k (−2.19 ) (kN ) T nAC nT Figur 3.4 Lösning 2/105. Riktningsvektorn för linjen AC, nAC= rAC = i 0.348 + j (− 0.348 ) + k (−0.870 ) . Komponenten för rAC T i riktningen nAC (projektionen): 31 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 TAC= nAC ⋅ T = 0.348 ⋅ 0.876 + (− 0.348 ) ⋅0.438 + (−0.87 ) ⋅ (−2.19= ) 2.06kN _____________________________________ Momentet för en punktkraft ( F , P ) i tre dimensioner definieras, som tidigare i två dimensioner, av uttrycket MO = r × F (3.10) där O betecknar momentpunkten och r = rOP är lägesvektorn för punkten P i förhållande till O. k P j i (c) Figur 3.5 En krafts moment. Om vi inför en ortonormerad bas i , j , k kan vi skriva r = i rx + j ry + k rz och därmed M =r × F =(i rx + j ry + k rz ) × (i Fx + j Fy + k Fz ) = i (ry Fz − rz Fy ) + j (rz Fx − rx Fz ) + k (rx Fy − ry Fx ) (3.11) =M y = M= Mz x d v s M = i M x + j M y + k M z där M = ry Fz − rz Fy , M = rz Fx − rx Fz , = M z rx Fy − ry Fx x y (3.12) Vektorprodukten i (3.11) beräknas enklast (tycker jag!) om man utnyttjar räkne-reglerna: i × j = k, 0 . Jämför med Matematik-ruta 2, sid. 14! Ett j×k = i , k × i =j , a × b =−b × a , a × a = alternativ är att använda determinant-regeln 32 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 i j k M =r × F = rx ry rz Fx Fy Fz (3.13) Figur 3.6 En krafts moment. En axel (axis) λ definieras av en punkt O och en riktningsvektor n . Punktkraftens ( F , P ) moment m a p axeln λ definieras av M λ = n M λ där Mλ = n⋅ M = n⋅ r × F (3.14) d v s momentets M projektion i riktningen n . Vi har t ex M x = i M x där t ex M x = i ⋅ r × F . Jämför med (3.12)! Det gäller att, om n = i α + j β + k γ (se Matematik-ruta 3 nedan) så α β γ M λ = n ⋅ M = n ⋅ r × F = rx Fx ry Fy rz Fz 33 (3.15) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Matematik-ruta 3: Skalär trippelprodukt (Scalar tripple product) Låt a , b och c vara vektorer med a = i ax + j a y + k az , b = i bx + j by + k bz , c = i cx + jc y + kcz Den skalära trippelprodukten av dessa vektorer ges av ax ay az a ⋅= b × c ax (by cz − bz c y ) + a y (bz cx − bx cz ) + ax (bx c y − b= bx y cx ) cx by cy bz cz Det gäller att a ⋅ b × c = a × b ⋅ c . En geometriska tolkningen av trippelprodukten är att a ⋅ b × c är volymen av den parallellepiped som spänns upp av vektorerna a , b och c Problem 2/137 The specialty wrench shown in the figure is designed to access to the hold-down bolt on certain automobile distributors. For the configuration shown, where the wrench lies in a vertical plane and a horizontal 200N force is applied at A perpendicular to the handle, calculate the moment Μ O applied to the bolt at O. For what value of the distance d would the z - component of Μ O be zero? Figur 3.7 Problem 2/137. Lösning: Kraften kan skrivas F= i (−200N ) med angreppspunkten A, där rOA = rOB + rBC + rCA där rOB = j 0.07m , rBC = k 0.2m och rCA = j (−d cos 20°) + k d sin 20° . Se figuren nedan. Därmed 34 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 rOA= rOB + rBC + rCA= j 0.07 + k 0.2 + j (−d cos 20°) + k d sin 20°= j ( 0.07 − d cos 20°) + k ( 0.2 + d sin 20°) C B Figur 3.8 Lösning 2/137. Momentet ges av M O= rOA × F= ( j ( 0.07 − d cos 20°) + k ( 0.2 + d sin 20°)) × i (−200N )= j × i ( 0.07 − d cos 20°)(−200N ) + k × i ( 0.2 + d sin 20°)(−200N ) = j ( 0.2 + d sin 20°)(−200N ) + k ( 0.07 − d cos 20°) 200N Med d = 0.125m så erhålles M O = j ( − 48.6 Nm) + k ( − 9.49Nm) Momentets z -komponent M z = ( 0.07 − d cos 20°) 200N = 0 ⇔ d = 0.07 = 0.0745m cos 20° __________________________________________ Vi avslutar nu Kapitel 2 med att studera allmänna tredimensionella kraftsystem bestående av punktkrafter och moment. Avsnittet syftar till att ge studenten en överblick över kraftsystem och deras egenskaper. Bland annat så presenterar vi en klassificering av allmänna kraftsystem. Presentationen är något teoretisk i sin form med vissa satser och tillhörande bevis. Studenten kommer inte att behöva redovisa dess i tentamen. Det räcker med att skaffa sig en allmän förståelse av de resultat som redovisas utan att fördjupa sig i detaljer som t ex bevis. 35 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Givet ett godtyckligt kraftsystem F bestående av punktkrafter och moment (couples): F : ( F1 , M 1 , P1 ), ( F2 , M 2 , P2 ), , ( Fn , M n , Pn ) (3.16) Fi : kraftvektor, M i : momentvektor, Pi : angreppspunkt, i = 1,..., n . Observera att vi kan ha Fi = 0 eller M i = 0 för ett eller flera i = 1,..., n . Kraftsystemets kraftsumma definieras av n F = ∑ Fi (3.17) i =1 och momentsumman med avseende på punkten O definieras av M = O n ∑ (r OPi i =1 × Fi + M i ) (3.18) Observera att kraftsumman inte påverkas av momentvektorerna! En momentvektor kan ju till exempel realiseras av ett kraftpar som ju har kraftsumman lika med nollvektorn. M1 M2 F1 F2 Mn P2 P1 Pi Pn Fi Mi Fn rOP i O Figur 3.9 Kraftsystem Resultanten till kraftsystemet F , med avseende på momentpunkten O, ges av kraftsystemet FR : ( F , M , O) där M = M O (3.19) Att momentpunkten O eventuellt ligger utanför kroppen, som i nedanstående figur, saknar väsentlig betydelse i sammanhanget. Se nedanstående figur. Om vi väljer andra momentpunkter A eller B så gäller: M = A n ∑ (rAPi × Fi + M i ) , M=B i =1 36 n ∑ (r i =1 BPi × Fi + M i ) (3.20) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 F M O Figur 3.10 Resultant. För ett kraftsystem gäller sambandformeln M A = M B + rAB × F , ∀A, B (2.21) Pi Fi rBP rAP Mi i i B rAB A Figur 3.11 Sambandsformeln för moment. Sambandsformeln relaterar således momentsumman för ett kraftsystem m a p olika momentpunkter i rummet. Bevis: Det gäller att M= A n ∑ (r × F + M= ) n n n + r ) × F + M= ) ∑r ∑ ((r APi i i =i 1 =i 1 AB BPi i i =i 1 AB × Fi + = rAPi n + ∑ (r × F + M ) = r × ∑ Fi + M B = rAB × F + M B BPi i i AB =i 1 =i 1 37 □ Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 0 MA = M B . Ett Observera att M A = M B ⇔ rAB × F =0 ⇔ rAB F . Speciellt gäller att F =⇒ viktigt exempel på det sist nämnda är ett kraftsystem: F : ( F1 , 0, P1 ), (− F1 , 0, P2 ) d v s ett kraftpar. Resultanten till kraftparet ges av (0 , M , A) där = M rP2 P1 × F1 och A är en godtycklig punkt. Se figur nedan! Observera att punkten A kan väljas godtyckligt. M −F1 P1 rP P 2 1 F1 P2 A Figur 3.12 Resultanten till ett kraftpar. Sats: För ett allmänt kraftsystem F gäller att F ⋅ M A =F ⋅ M B (3.22) Bevis: Sambandformeln ger F ⋅ M A = F ⋅ M B + F ⋅ rAB × F = F ⋅ M B . □ =0 Sats: Låt ( F , M A , A) och ( F , M B , B ) båda vara resultanter till kraftsystemet F . Då gäller, om F ≠ 0 , att M A cos θ A = M B cos θ B (3.23) där θ A och θ B anger vinklarna mellan F och M A och mellan F och M B , respektive. Se Figur 3.13 nedan! MB F θB F θA A MA B rAB Figur 3.13 Resultanten till ett kraftsystem. 38 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Bevis: Av (3.22) följer att F ⋅ M A =F M A cos θ A =F ⋅ M B =F M B cos θ B vilket medför (3.23). □ Observera att om θ A = 0 så gäller att M A ≤ M B , ∀B . F . Antag att kraftsumman F ≠ 0 . Vi inför riktningsvektorn, nF i kraftens F riktning. Då kan vi komposant-uppdela momentsumman M A enligt Betrakta ett kraftsystem = M A M A, + M A,⊥ (3.24) där M A, = nF (nF ⋅ M A ) = F ⋅ MA F F ⋅F (3.25) är parallell med kraftsumman, (den ortogonala projektionen av momentsumman på kraftsumman) och F × MA M A,⊥ =nF × ( M A × nF ) = ×F F ⋅F är komposanten vinkelrätt mot kraftsumman. nF M A, ⊥ F MA M A , A Figur 3.14 Komposantuppdelning av momentsumman. 39 (3.26) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Matematik-ruta 4: Vektoriell trippelprodukt Låt a , b och c vara vektorer. Den vektoriella trippelprodukten (a × b) × c= b(a ⋅ c ) − a (b ⋅ c ) Låt n vara en enhetsvektor ( n ⋅ n = 1 ). Då gäller (n × a ) × n = a (n ⋅ n) − n(a ⋅ n) = a − a där = a n(a ⋅ n) är vektorns a komposant parallell med e , under ortogonal projektion. Men a= a + a⊥ där a⊥ är vektorns a komposant vinkelrätt mot n . Detta innebär att a⊥ = ( n × a ) × n Av (3.22) följer att M A, = M B , (3.27) d v s komposanten av momentsumman parallell med kraftsumman är oberoende av momentpunkten. Endast komposanten vinkelrät mot kraftsumman ändras vid byte av momentpunkt. Man kan då fråga sig om det går att välja momentpunkt så att komposanten vinkelrät mot kraftsumman blir lika med nollvektorn. Svaret på denna fråga ges i nästa sats. Sats: Låt F vara ett kraftsystem med F ≠ 0 . Då gäller att det finns punkter G sådana att M G ,⊥ = 0 , d v s M G F . Dessa punkter bildar en rät linje, den så kallade centralaxeln, C (F ) , för kraftsystemet, given av F × MA + s nF , s ∈ C (F ) = G rAG = F ⋅F (3.28) och = MG F ⋅ MA F , ∀G ∈ C (F ) F ⋅F Kraftsystemet har då resultanten ( F , M G , G ), ∀G ∈ C (F ) . Se nedanstående figur! 40 (3.29) Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 MG MG nF G G rAG rAG F MA rAG ,⊥ F A Figur 3.15 Centralaxeln för ett kraftsystem. Kraftskruv. Bevis: M G ,⊥ =0 ⇔ F × MG F × MG F × MG × F =0 ⇔ F ⇔ = s1 eF , s1 ∈ F ⋅F F ⋅F F ⋅F (3.30) Men enligt förflyttningssatsen gäller M G = M A + rGA × F och detta insatt i (3.30) ger F × M A F × (rGA × F ) F × MA F × MA + = s1 eF ⇔ + rGA,⊥ = s1 eF ⇔ rAG ,⊥ = − s1 eF F ⋅F F ⋅F F ⋅F F ⋅F och därmed med s2 ∈ , = rAG rAG , + rAG = s2 eF + ,⊥ F × MA F × MA F × MA )e F − s1= eF + ( s2 − s1 = + s eF , s ∈ F ⋅F F ⋅F F ⋅F För momentet gäller = MG M = M = G , A, och därmed är beviset klart. □ 41 F ⋅ MA F F ⋅F Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Givet två kraftsystem: F a : ( F1a , M 1a , P1a ), ( F2a , M 2a , P2a ), , ( Fna , M na , Pna ) (3.31) F b : ( F1b , M 1b , P1b ), ( F2b , M 2b , P2b ), , ( Fnb , M nb , Pnb ) (3.32) a a a och b b b med kraft- och momentsumma na a F a = ∑ Fi a , M= O i =1 na ∑ (r i =1 OPi a × Fi a + M ia ) (3.33) × Fi b + M ib ) (3.34) och nb b F b = ∑ Fi b , M= O i =1 nb ∑ (r i =1 OPib respektive. Kraftsystemen F a och F b säges vara ekvivalenta (ekvimomenta) om F a = F b och M Oa = M Ob för någon punkt O (3.35) Ekvivalenta kraftsystem har samma verkan på stela kroppar, d v s kroppar som inte kan deformeras. Sats: Om dvs Fa och Fb är ekvivalenta så har de samma momentsumma med avseende på alla punkter, = M Aa M Ab , ∀A Bevis: M Aa = M Oa + rAO × F a = M Ob + rAO × F b = M Ab , ∀A . □ Sats: Låt ( F , M , O ) vara en resultant till kraftsystemet ekvivalenta. F. Då gäller att F och ( F , M , O ) är Sats: Två kraftsystem F a och F b som har lika momentsumma med avseende på tre olika punkter A, B och C, som inte ligger i rät linje, är ekvivalenta. Bevis: Sambandsformeln ger M Aa = M Ba + rAB × F a , M Ab = M Bb + rAB × F b ⇒ rAB × ( F a − F b ) = 0 På samma sätt erhålles slutsatsen rAC × ( F a − F b ) = 0 och därmed kan vi dra slutsatsen att Fa − Fb = 0 eftersom rAB och rAC inte är parallella. Kraftsystemen har således lika kraftsumma (och momentsumma) och är därmed ekvivalenta. □ Klassificering av kraftsystem: Givet ett kraftsystem F med kraftsumman F och moment-summan M A . F tillhör då någon av följande klasser: 42 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Klass I: om F = 0 Klass I a) om dessutom M A = 0 , Kraftsystemet har då resultanten (0 , 0 , A) och kallas ett nollsystem. Klass I b) om dessutom M A ≠ 0 , Kraftsystemet har då resultanten (0 , M A , A) och kallas ett momentsystem. Klass II: om F ≠ 0 0. Klass II a) om dessutom F ⋅ M A = Kraftsystemet har då resultanten ( F , 0 , G ) där G är en punkt på kraftsystemets centralaxel och det kallas ett kraftresultantsystem. Klass II b) om dessutom F ⋅ M A ≠ 0 . Kraftsystemet har då resultanten ( F , F ⋅ MA F , G ) där G är F ⋅F en punkt på kraftsystemets centralaxel och det och kallas en kraftskruv. Kraftsystemet sägs vara en högerskruv om F ⋅ M A > 0 och en vänsterskruv om F ⋅ M A < 0 . I Klass II a), kraftresultantsystem, kan vi finna punkten G på centralaxeln genom att lösa ekvationen rAG × F = MA (3.36) 0 . Observera att ett nödvändigt villkor för att (2.60) skall ha en lösning rAG är att F ⋅ M A = (3.36) följer att F × MA F × (rAG × F ) =F × M A ⇔ rAG ,⊥ = F ⋅F Av (3.37) och därmed rAG = rAG ,⊥ + rAG , = F × MA + s eF F ⋅F (3.38) d v s ekvationen för centralaxeln enligt (3.28). Man visar lätt att (3.38) uppfyller (3.36) om F ⋅ MA = 0 gäller. Problem 2/183 (modifierat). Consider the force system presented in the figure below. Classify this system. C B A Figur 3.16 Problem 2/183. 43 Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Lösning: Kraftsystemet: ( F1 , A), ( F2 , B ), ( F3 , C ) där, enligt figuren, (kraft i kN, längd i m) F= i 1 5 5 + k (− ) , F2= k (−6.0 ) , F3 = j 4.0 2 2 rA= i 2.4 + j (−1.2) + k 2.8 , rB = i 2.4 + j1.2 + k 2.8 , = rC i 1.2 + k 4.0 Vi beräknar kraftsystemets kraftsumma och momentsumma, m a p punkten O. F= F1 + F2 + F3= i 5 5 5 5 + k (− + j 4.0 + k (− − 6.0= ) + k (−6.0 ) + j 4.0= i ) 2 2 2 2 i 3.54 + j 4.0 + k (−9.54 ) M O = rA × F1 + rB × F2 + rC × F3 = (i 2.4 + j (−1.2) + k 2.8 ) × (i (i 2.4 + j1.2 + k 2.8 ) × k (−6.0 ) + (i 1.2 + k 4.0 ) × j 4.0 = i × k 2.4 (− j × k (−1.2)(− 5 5 + k (− )) + 2 2 5 5 ) + j × i (−1.2) + 2 2 5 5 + i × k 2.4 (−6.0 ) + j × k 1.2(−6.0 ) + i × j 1.2 ⋅ 4.0 + k × j 4.0 2 ) + k × i 2.8 2 2 i ((−1.2)(− 5 5 5 ) + 1.2(−6.0 ) − 4.0 2 ) + j (−2.4 (− ) + 2.8 − 2.4(−6.0)) + 2 2 2 k (−(−1.2) 5 +1.2 ⋅ 4.0 ) = i (−18.96 ) + j 32.8 + k 9.04 2 Vi konstaterar att F ≠ 0 , F ⋅ M O = −22.16 ≠ 0 . Kraftsystemet är en kraftskruv. Övningsuppgift: Beräkna kraftsystemets centralaxel och resultant ( F , 44 F ⋅ MO F , G) . F ⋅F Mekanik, Del 1 Statik- och Partikeldynamik 2014, Utgåva 2 Sammanfattning (kraftsystem) Givet ett kraftsystem F definierat av: F : ( F1 , M 1 , P1 ), ( F2 , M 2 , P2 ), , ( Fn , M n , Pn ) n Kraftsumman: F = ∑ Fi i =1 = Momentsumman (m a p punkten A): M A n ∑ (r i =1 APi × Fi + M i ) Sambandsformeln: M A = M B + rAB × F , ∀A, B , F ⋅ M A =F ⋅ M B F × MA Centralaxeln: C (F ) = G rAG = + s nF , s ∈ F ⋅F Sammanfattning (klassificering av kraftsystem) Givet ett kraftsystem F med kraftsumman F och momentsumman M A . Nollsystem: F = 0 , M A = 0 . Har resultanten (0 , 0 , A) . Momentsystem: F = 0 , M A ≠ 0 . Har resultanten (0 , M A , A) . 0 . Har resultanten ( F , 0 , G ) där G är en Kraftresultantsystem: F ≠ 0 , F ⋅ M A = punkt på kraftsystemets centralaxel F × MA C (F ) = G rAG = + s eF , s ∈ F ⋅F Kraftskruv: F ≠ 0 , F ⋅ M A ≠ 0 . Har resultanten ( F , punkt på kraftsystemets centralaxel. 45 F ⋅ MA F , G ) där G är en F ⋅F