§ 9. ПАРА СИЛ. МОМЕНТ ПАРЫ

Парой сил называется система двух равных по модулю, параллельных и направленных в противоположные стороны сил, действующих на абсолютно твердое тело (рис. 32, а). Система сил F, F, образующих пару, очевидно, не находится в равновесии (эти силы не направлены вдоль одной прямой). В то же время пара сил не имеет равнодействующей, поскольку, как будет доказано, равнодействующая любой системы сил главному вектору т. е. сумме этих сил, а для пары Поэтому свойства пары сил, как особой меры механического взаимодействия тел, должны быть рассмотрены отдельно.

Плоскость, проходящая через линии действия пары сил, называется плоскостью действия пары. Расстояние d между линиями действия сил пары называется плечом пары. Действие пары сил на твердое тело сводится к некоторому вращательному эффекту, который характеризуется величиной, называемой моментом пары. Этот момент определяется: 1) его модулем, равным произведению положением в пространстве плоскости действия пары; 3) направлением поворота пары в этой плоскости. Таким образом, как и момент силы относительно центра, это величина векторная.

Введем следующее определение: моментом пары сил называется вектор (или М), модуль которого равен произведению модуля одной из сил пары на ее плечо и который направлен перпендикулярно плоскости действия пары в ту сторону, откуда пара видна стремящейся повернуть тело против хода часовой стрелки (рис. 32, б).

Заметим еще, что так как плечо силы F относительно точки А равно d, а плоскость, проходящая через точку А и силу F, совпадает с плоскостью действия пары, то одновременно

Но в отличие от момента силы вектор , как будет показано ниже, может быть приложен в любой точке (такой вектор называется свободным). Измеряется момент пары, как и момент силы, в ньютон-метрах.

Покажем, что моменту пары можно дать другое выражение: момент пары равен сумме моментов относительно любого центра О сил, образующих пару, т. е.

Для доказательства проведем из произвольной точки О (рис. 33) радиусы-векторы

Рис. 32

Рис. 33

Тогда согласно формуле (14), что получим и, следовательно,

Так как то справедливость равенства (15) доказана. Отсюда, в частности, следует уже отмеченный выше результат:

т. е. что момент пары равен моменту одной из ее сил относительно точки приложения другой силы. Отметим еще, что модуль момента пары

Если принять, что действие пары сил на твердое тело (ее вращательный эффект) полностью определяется значением суммы моментов сил пары относительно любого центра О, то из формулы (15) следует, что две пары сил, имеющие одинаковые моменты, эквивалентны, т. е. оказывают на тело одинаковое механическое действие. Иначе это означает, что две пары сил, независимо от того, где каждая из них расположена в данной плоскости (или в параллельных плоскостях) и чему равны в отдельности модули их сил и их плечи, если их моменты имеют одно и то же значение , будут эквивалентны. Так как выбор центра О произволен, то вектор можно считать приложенным в любой точке, т. е. это вектор свободный.

В дальнейшем будем обычно на чертеже вместо пары изображать полностью ее характеризующий вектор т. При этом модуль определяет модуль момента пары [формула а направление определяет плоскость действия пары и направление поворота в этой плоскости.

Из формулы (15) следует еще, что если на тело действует несколько пар с моментами то сумма моментов всех сил, образующих эти пары, относительно любого центра будет равна а следовательно, вся совокупность этих пар эквивалентна одной паре с моментом Этот результат выражает теорему о сложении пар.