Кіріспе
Физика мен инженерлік салада еркін дене диаграммасы (FBD; күш диаграммасы деп те аталады) – белгілі бір жағдайда денеге қолданылатын күштерді, моменттерді және туындаған реакцияларды көрнекілеу үшін қолданылатын графикалық бейнелеу. Ол денеге немесе байланысқан денелерге әсер ететін барлық күштерді, моменттерді және реакцияларды көрсетеді. Дене бірнеше ішкі элементтерден (мысалы, ферма) немесе тұтас денеден (мысалы, қабырға) тұруы мүмкін. Күрделі есептерді шешу үшін еркін денелердің және басқа да диаграммалардың бірнешеуі қажет болуы мүмкін. Кейде, нәтижелі күшті графикалық түрде есептеу үшін қолданылатын күштер күштер полигонының қабырғалары ретінде орналастырылады (қараңыз).
In physics and engineering, a free body diagram (FBD; also called a force diagram) is a graphical illustration used to visualize the applied forces, moments, and resulting reactions on a body in a given condition. It depicts a body or connected bodies with all the applied forces and moments, and reactions, which act on the body(ies). The body may consist of multiple internal members (such as a truss), or be a compact body (such as a beam). A series of free bodies and other diagrams may be necessary to solve complex problems. Sometimes in order to calculate the resultant force graphically the applied forces are arranged as the edges of a polygon of forces or force polygon (see ).
Мақсаты
Бос денелер диаграммалары денеге әсер ететін күштер мен моменттерді көруге және механикалық есептерде реакцияларды есептеуге қолданылады. Бұл диаграммалар жеке құрылымдық элементтерге түсетін жүктемені анықтау және құрылым ішіндегі күштерді есептеу үшін жиі пайдаланылады. Олар биомеханикадан құрылыс инженериясына дейінгі көптеген инженериялық салаларда қолданылады. Оқу ортасында, бос дене диаграммасы статика, динамика және классикалық механиканың басқа түрлері сияқты нақты тақырыптарды түсінудегі маңызды қадам болып табылады.
Талдау
Талдау кезінде еркін дене диаграммасы барлық күштер мен моменттерді қосу арқылы қолданылады (әдетте, әрбір ось бойымен немесе оның айналысында). Егер барлық күштер мен моменттердің қосындысы нөлге тең болса, дене тынышталады немесе Ньютонның бірінші заңына сәйкес тұрақты жылдамдықпен қозғалады және/немесе айналады. Егер қосынды нөлге тең болмаса, дене Ньютонның екінші заңына сәйкес белгілі бір бағытта немесе ось бойынша үдемелі қозғалысқа ие болады.
Күштері оське сәйкес емес
Күштер мен моменттердің қосындысын анықтау, егер олар координаттық осьтермен сәйкес келсе, оңай, бірақ егер кейбіреуі келмесе, қиынға соғады. Күштердің құрамдас бөліктерін қолдану ыңғайлы, онда ΣF орнына ΣFx және ΣFy белгілері қолданылады (моменттер үшін M айнымалысы қолданылады). Координаттық оське бұрышпен орналасқан күштер мен моменттерді бастапқы күшке тең келетін екі (немесе үш өлшемді есептер үшін үш) вектор ретінде қайта жазуға болады. Әрбір вектор бір ось бойымен бағытталған (Fx) және (Fy).
Мысал: көлбеу жазықтықтағы блок
Мұны жоғарыда көрсетілген, пандустағы блоктың қарапайым бос дене диаграммасы түсіндіреді. Барлық сыртқы тіректер мен құрылымдар олардың тудыратын күштерімен алмастырылды. Оларға мыналар кіреді: mg: блок массасы мен гравитациялық үдеу тұрақтысының көбейтіндісі: оның салмағы. N: пандустың нормальдық күші. Ff: пандустың үйкеліс күші. Күш векторлары бағытын және қолданылу нүктесін көрсетеді және олардың шамасымен белгіленеді. Ол векторларды сипаттау үшін пайдаланылатын координаттар жүйесін қамтиды. Диаграмманы түсіндіруде сақтық қажет. Нормальдық күш негіздің ортасында әрекет ететіндей көрсетілген, бірақ егер блок статикалық тепе-теңдікте болса, оның нақты орны масса орталығының тікелей астында болады, онда салмақ әрекет етеді, себебі бұл үйкеліс моментін теңестіру үшін қажет. Секіретін күштен айырмашылығы, салмақ және нормальдық күштер жебе ұшында әрекет етеді деп күтіледі, үйкеліс күші – жылғалы вектор, сондықтан қолданылу нүктесі маңызды емес, ал үйкеліс бүкіл негіз бойында әрекет етеді.
mg: the product of the mass of the block and the constant of gravitation acceleration: its weight. N: the normal force of the ramp. Ff: the friction force of the ramp. The force vectors show the direction and point of application and are labelled with their magnitude. It contains a coordinate system that can be used when describing the vectors. Some care is needed in interpreting the diagram. The normal force has been shown to act at the midpoint of the base, but if the block is in static equilibrium its true location is directly below the centre of mass, where the weight acts because that is necessary to compensate for the moment of the friction. Unlike the weight and normal force, which are expected to act at the tip of the arrow, the friction force is a sliding vector and thus the point of application is not relevant, and the friction acts along the whole base.
Күштер полигоны
Екі күш қолданылған жағдайда, олардың қосындысы (нәтижелік күш) күштер параллелограмын қолдану арқылы графикалық түрде анықталады. Көптеген күштердің нәтижелік күшін графикалық түрде анықтау үшін, әрекет ететін күштерді кез келген ретпен бір күш векторының соңына екінші күш векторының басын тіркеу арқылы көпбұрыштың қабырғалары ретінде орналастыруға болады. Содан кейін, нәтижелік күштің векторлық шамасы көпбұрыштың жетіспейтін қабырғасымен анықталады. Диаграммада P1-ден P6-ға дейінгі күштер O нүктесіне қолданылады. Көпбұрыш күштердің параллелограмын (a төбесі) пайдалана отырып, P1 және P2 күштерінен бастап салынады. Бұл процесс қайталанады (P3 күшін қосу b төбесін береді, т.с.с.). Көпбұрыштың қалған қабырғасы O e нәтижелік күш R-ді көрсетеді.
Кинетикалық диаграмма
Динамикада кинетикалық диаграмма – денеге түсетін жалғыз күш пен/немесе момент анықталғанда механикалық есептерді талдауға қолданылатын кескінделген құрал. Олар еркін дене диаграммаларымен байланысты және көбінесе олармен бірге қолданылады, бірақ барлық қарастырылып жатқан күштердің орнына тек жалғыз күш пен моментті көрсетеді. Динамикалық есептерді шешу үшін кинетикалық диаграммалар міндетті емес; кейбір мамандар динамиканы оқытуда оларды қолдануға қарсы, оның орнына олар қарастыратын қарапайым әдістерді жақтаушы. Олар кейбір динамикалық оқулықтарда кездеседі, ал кейбіреулерінде болмайды.