Момент силы и момент импульса относительно неподвижного начала

Пусть О – какая-либо неподвижная точка в инерциальной системе отсчета. Ее называют началом или полюсом. Обозначим через радиус-вектор, проведенный из этой точки к точке приложения силы (рис. 1) .

Моментом силы относительно точки О называется векторное произведение радиуса-вектора на силу : , , (1)

– угол между векторами и ;направление выбирается так, чтобы последовательность векторов , , образовывала правовинтовую систему, т. е. если смотреть вдоль вектора , то поворот по кратчайшему пути от первого сомножителя в (1) ко второму осуществлялся по часовой стрелке, таким образом совпадает с направлением поступательного движения правого буравчика, рукоятка которого вращается от к по наикратчайшему пути.

Моментом нескольких сил относительно точки называется векторная сумма моментов этих сил относительно той же точки

. (2)

Отметим частный случай двух равных параллельных сил и , направленных в противоположные стороны.

Такие силы образуют так называемую пару сил. В этом случае

,

т. е. момент пары сил равен моменту одной из этих сил относительно точки приложения другой.

Очевидно, что момент пары сил не зависит от выбора точки О. В частности, если равные и противоположно направленные силы и действуют вдоль одной и той же прямой, то они коллинеарны с вектором , и поэтому момент пары таких сил равен нулю.

Моментом импульса материальной точки относительно точки О называется векторное произведение радиуса-вектора на импульс :

. (3)

Для системы n материальных точек моментом импульса относительно некоторой точки О называется векторная сумма моментов импульсов этих точек относительно того же начала:

. (4)

Уравнение моментов

Предположим, что точка О неподвижна. В случае одной материальной точки, дифференцируя (3), получаем

.

При неподвижной точке О вектор , равный , параллелен и поэтому . Кроме того .

Таким образом . (5)

Рис. 2

Это уравнение моментов для одной материальной точки. Распространим его на систему материальных точек, для чего запишем уравнение (5) для каждой материальной точки механической системы, понимая под М момент всех действующих на нее сил, как внутренних так и внешних. Затем сложим все эти уравнения. Внутренние силы входят в систему попарно так, что где – сила воздействия k-й материальной точки на i-ю. Кроме того, эти силы и , действуют вдоль одной и той же прямой. Момент таких двух сил, а значит и моменты всех внутренних сил равны нулю. В результате опять получается уравнение моментов типа (5) только для системы материальных точек, в котором определяется выражением (4), а – выражением (2) для внешних сил, т. е.

. (6)

Моментом силы механической системы относительно оси называется проекция на эту ось вектора момента силы системы относительно любой точки, выбранной на рассматриваемой оси (рис. 2). Соответственно, моментом импульса относительно оси называется проекция на эту ось вектора момента импульса относительно любой точки на данной оси.

Можно доказать, что выбор точки на оси влияет на значения моментов импульса и относительно точки, но не влияет на значения соответствующих проекций моментов на эту ось.

Если мы выбираем прямоугольную систему координат с началом, совпадающим с полюсом, то имеем:

(7)