Основная теорема статики (общие условия равновесия системы сил)
Теорема. Для того, чтобы тело под действием системы произвольно расположенных сил находилось в равновесии необходимо и достаточно, чтобы главный вектор и главный момент относительно некоторого полюса этой системы сил были равны нулю.
Доказательство.
Необходимость.
Дано: система сил – в равновесии.
Требуется доказать: , .
На основании основной леммы статики система с помощью элементарных операций может быть приведена к двум силам, то есть
.
Так как и при этом тело под действием системы сил находится в равновесии, то в соответствии с физическим свойством элементарных операций оно будет находиться в равновесии и под действием системы сил . Итак тело находится в равновесии под действием двух сил и . По первой аксиоме статики эти силы прямопротивоположные. Значит главный вектор системы : . Главный момент этой системы сил, то есть геометрическая сумма двух прямопротивоположных сил относительно одного и того же полюса:
.
Так как главный вектор и главный момент системы равны главному вектору и главному моменту системы – геометрическое свойство элементарных операций, то
, ,
то есть главный вектор и главный момент относительно произвольного полюса первоначальной системы равны нулю.
Достаточность.
Дано: система сил , главный вектор и главный момент которой: ; .
Доказать: тело под действием системы сил находится в равновесии.
На основании основной леммы статики систему с помощью элементарных операций можно привести к двум силам, то есть
.
У этих систем сил равны главные векторы и главные моменты относительно некоторого полюса , – геометрическое свойство элементарных операций. Тогда , . Иными словами:
; . Из того, что главный вектор равен нулю, следует, что эти две силы и либо прямопротивоположные, либо образуют пару. Так как главный момент пары от полюса не зависит и отличен от нуля, то случай пары исключается, Поэтому силы и прямопротивоположные и, следовательно, по первой аксиоме статики, тело под действием системы сил находится в равновесии. Под действием первоначальной системы сил тело также находится в равновесии, так как элементарные операции не нарушают состояние равновесия тела.