Mechanika tuhého tělesa

Mechanika tuhého tělesa (mechanika dokonale tuhého tělesa, popř. také stereomechanika) je část mechaniky, která se zabývá pohybem tuhého tělesa a silami na ně působícími. Skutečná pevná tělesa jsou soubory atomů a molekul vázaných jistými vnitřními silami, které je možné vnější silou překonat a těleso deformovat.

Popis reálných těles s uvážením deformací je poměrně složitý, proto byl zaveden pojem tuhého tělesa, což je ideální těleso, které svůj tvar ani objem působením libovolně velkých sil nemění. Tuhé těleso je vymezeno svou hmotností $m$ a geometrickým tvarem, kterému přísluší objem $V$.

Tuhé těleso, jakožto soustavu atomů nebo molekul, lze nahradit soustavou hmotných bodů, jejichž vzájemné vzdálenosti se nemění.

Poloha a pohyb

Poloha dokonale tuhého tělesa v prostoru je plně určena polohou jeho tří bodů, které neleží v jedné rovině. Souřadnice těchto tří bodů však nelze volit zcela libovolně, poněvadž jejich vzájemné vzdálenosti jsou určeny tvarem tělesa. Z devíti souřadnic tří bodů tělesa lze volit pouze šest, neboť zbývající tři souřadnice již vyplynou z pevně určených vzdáleností vrcholů trojúhelníka tvořeného danými body. Poloha tuhého tělesa je tak určena šesti souřadnicemi, které lze považovat za šest nezávislých parametrů. Tuhému tělesu je tedy přisuzováno šest stupňů volnosti. Takový počet stupňů volnosti má však pouze tuhé těleso, jehož poloha není omezována žádnými dalšími podmínkami (tedy volné těleso).

Volba těchto parametrů je závislá na daných podmínkách řešeného problému. Vhodnou volbou mohou být např. tři souřadnice těžiště a tři úhly určující orientaci tělesa vzhledem k osám soustavy souřadnic. Těmito třemi úhly mohou být např. Eulerovy úhly.

Pohyb tuhého tělesa lze vždy rozložit na

• posuvný pohyb (translaci)
• pohyb otáčivý (rotaci) kolem osy otáčení

Výsledný pohyb tuhého tělesa je složením obou pohybů. K posouzení účinku síly na otáčivý pohyb se zavádí veličina moment síly a k posouzení množství energie nutné k roztočení tělesa na určitou úhlovou rychlost veličina moment setrvačnosti.

Síly

Působiště síly v tuhém tělese lze posouvat po vektorové přímce síly. Tohoto a dalších poznatků se využívá k hledání výslednice sil, ke skládání sil. Dvě stejně velké síly opačného směru, které neleží na společné přímce, však nelze skládat a tvoří tzv. dvojici sil. Stejně tak nelze skládat dvě mimoběžné síly.

Rovnováha sil

Související informace naleznete také v článku Rovnovážná poloha.

V gravitačním poli Země působí na hmotné body tuhého tělesa síly, které jsou prakticky rovnoběžné a přímo úměrné hmotnosti jednotlivých hmotných bodů. Výslednicí těchto sil je celková tíha tělesa $G$, která leží na přímce zvané těžnice. Pokud těleso pootočíme, těžnice v něm změní polohu. V praxi lze těžnici snadno určit zavěšením tělesa. Průsečík všech těžnic se nazývá těžiště nebo též hmotný střed tělesa.

Je-li výslednice všech sil i výslednice všech momentů sil nulová, je těleso v rovnovážné poloze (viz rovnováha sil). Z hlediska reakce tělesa v rovnovážné poloze na vychýlení rozlišujeme tři druhy rovnovážné polohy:

• stálá rovnovážná poloha
• vratká rovnovážná poloha
• volná rovnovážná poloha

Stabilita tělesa je jeho schopnost udržovat stálou rovnovážnou polohu, množství práce, kterou je potřeba vynaložit k jeho uvedení do vratké rovnovážné polohy.

Podívejte se také na

• Mechanika hmotného bodu
• Mechanika kontinua
• Mechanika pružného tělesa