Ферма из девяти стержней
5/10Девять жёстких невесомых стержней связаны невесомыми шарнирами. На два крайних шарнира действуют одинаковые по величине силы \(\vec F\), направленные противоположно вдоль одной прямой. Все углы, отмеченные на рисунке дугами, равны \(45^\circ\). Определить силы натяжения стержней \(F_1\), \(F_2\), … \(F_9\). Какие из стержней будут растянуты, какие сжаты? Считать, что стержни 4 и 5 посередине системы не касаются друг друга и никак друг на друга не влияют (на рисунке это показано разрывом одного из стержней).

▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаСначала покажите, что стержень 6 не нагружен, используя симметрию конструкции. Затем рассмотрите равновесие крайнего шарнира.
Ответ1) стержни 1, 2, 4, 5, 8, 9 сжаты, \(F_1 = F_2 = F_4 = F_5 = F_8 = F_9 = \dfrac{F}{\sqrt{2}}\); 2) стержни 3 и 7 растянуты, \(F_3 = F_7 = F\); 3) стержень 6 не нагружен, \(F_6 = 0\).
РешениеДокажем, что сила натяжения стержня 6 равна нулю. Действительно, пусть эта сила не равна нулю. Тогда условия равновесия узлов I и II (см. рисунок) дают \[\vec F_1 + \vec F_4 + \vec F_3 + \vec F_6 = 0 \quad\text{для узла I}, \qquad \vec F_2 + \vec F_3 + \vec F_5 = 0 \quad\text{для узла II}.\] На рисунке приняты определённые направления сил натяжения стержней; доказательство равенства нулю силы натяжения стержня 6 от этих направлений не зависит. Благодаря симметрии конструкции относительно «право–лево» силы натяжения стержней 4 и 5 одинаковы. Поэтому условия равновесия узлов I и II в проекциях на оси, перпендикулярные стержням 1 и 2 соответственно, будут одинаковы, за исключением силы натяжения стержня 6, которая, таким образом, должна быть равна нулю: \(F_6 = 0\).

Это значит, что стержень 6 можно удалить из конструкции, а для неё справедливо и условие симметрии «верх–низ». То есть \[F_1 = F_2 = F_8 = F_9; \qquad F_4 = F_5; \qquad F_3 = F_7.\] Теперь из условия равновесия самого левого узла (см. рисунок) заключаем, что стержни 1 и 2 (и, следовательно, 8 и 9) будут сжаты, а силы их натяжения равны \[F_1 = F_2 = F_8 = F_9 = \frac{F}{2\cos 45^\circ} = \frac{F}{\sqrt{2}}.\]

Поэтому из условия равновесия верхних или нижних узлов заключаем, что стержни 4 и 5 тоже будут сжаты, а стержни 3 и 7 растянуты. Из условия равновесия узла II в проекциях на горизонтальную ось получаем \(F_2 = F_5\), следовательно, \(F_4 = F_5 = \dfrac{F}{\sqrt{2}}\). А из условия равновесия в проекциях на вертикальную ось \(F_3 = 2F_2\cos 45^\circ\) находим \[F_3 = F_7 = F.\] Итак: стержни 1, 2, 4, 5, 8, 9 – сжаты, \(F_1 = F_2 = F_4 = F_5 = F_8 = F_9 = \dfrac{F}{\sqrt{2}}\); стержни 3 и 7 – растянуты, \(F_3 = F_7 = F\); стержень 6 не нагружен, \(F_6 = 0\).
Похожие задачи
- Согнутая линейка МОШ 2010/11, 8 кл.
- Шарнирный кронштейн с грузом ИОШ 2012/13, 9-11 кл.
- Ледяные бруски Максвелл 2012/13, 8 кл.
- Ящик и стержень у стены Санкт-Петербургская 2012/13, 10 кл.
- Платформа на нитях Санкт-Петербургская 2012/13, 8 кл.
- Опасная затея ВсОШ 2013/14, 9 кл.