1、第1章静力学基本概念与物体的受力图1.1基本概念1.2力矩与力偶1.3约束与约束反力1.4物体的受力图1.1 基基 本本 概概 念念 1.1.1 力的概念力的概念 力是一个既有大小又有方向的量，为矢量。矢量可用一具有方向的线段来表示，如图1.1所示。线段AB的起点（或终点）表示力的作用点，线段AB的方位和箭头指向表示力的方向，沿力的方向画出的直线称为力的作用线，而线段AB的长度则按一定的比例表示力的大小。本书中用黑体字母表示矢量，如F，用普通字母表示力的大小，如F。图 1.1如图1.2所示，由力F的起点A和终点B分别作x轴的垂线，垂足分别为a、b，线段ab冠以适当的正负号称为力F在x轴上的投影
2、，用Fx表示，即 Fx=ab （1.1）图 1.2投影的正负号规定如下:若从a到b的方向与x轴的正向一致，则取正号；反之，则取负号。同样，力F在y轴上的投影为 Fy=ab （1.2）如图1.2所示，力F在x轴和y轴的投影分别为 Fx=FcosFy=-Fsin （1.3）由此可见，力在坐标轴上的投影是代数量。若已知力F在平面直角坐标轴上的投影Fx和Fy，则该力的大小和方向为（1.4）式中，表示力F与x轴所夹的锐角，F的指向由Fx和Fy的正负来确定。作用于一个物体上的若干个力称为力系。若两个力系对物体的作用效应完全相同，则这两个力系称为等效力系。如果一个力与一个力系等效，则称此力为该力系的合力，而
3、该力系中的各力称为合力的分力。把各分力等效代换成合力的过程称为力系的合成，把合力等效代换成各分力的过程称为力的分解。1.1.2 力的基本性质力的基本性质人们在长期的生活和生产活动中，经过实践-认识-再实践-再认识的过程，总结出了许多力所遵循的规律，其中最基本的性质有以下几条。这些性质的正确性已被实践所验证，为大家所公认，所以也称为静力学公理。性质一性质一 二力平衡公理作用于刚体上的两个力使刚体处于平衡状态的充要条件是:这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上，如图1.3所示,用矢量表示，即为 FA=-FB (1.5)对于变形体，这个条件是必要的，但不是充分的。图 1.3工程上常遇到只受
4、两个力作用而平衡的构件，这种构件称为二力构件或二力杆。根据性质一，二力构件上的两个力必沿两力作用点的连线，且等值、反向，如图1.4所示。图 1.4性质二性质二 加减平衡力系公理在作用于刚体的任意力系上，加上或者减去一个平衡力系，都不会改变原力系对刚体的作用效应。由此可得如下推论:推论推论1 力的可传性刚体上的力可沿其作用线移到该刚体上的任意位置，这样做并不改变该力对该刚体的作用效应。如图1.5所示，作用于小车A点的推力F沿其作用线移到B点，得拉力F，虽然推力变为拉力，但对小车的作用效应是相同的。由此可见，力的作用点对刚体来说已不是决定力的作用效应的要素。因此，作用于刚体上的力的三要素是力的大小
5、、方向和作用线。图 1.5性质三力的平行四边形法则作用于物体上同一点的两个力可以合成为一个合力，合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由以这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来确定，如图1.6(a)所示，其矢量表达式为 FR=F1+F2 （1.6）为方便起见，在利用矢量加法求合力时，可不必画出整个平行四边形，而是从A点作矢量F1，再由F1的末端B作矢量F2，则矢量 即为合力FR，如图1.6(b)所示。这种求合力的方法称为力的三角形法则。显然，若改变F1、F2的顺序，其结果不变，如图1.6(c)所示。力的平行四边形法则既是力系合成的法则，也是力系分解的法则。该法则表明了共点力系简化的规律，它
6、也是复杂力系简化的基础。AC图 1.6由此可推出n个力作用的情况。设一刚体上有F1，F2，Fn共n个力作用，力系中各力的作用线共面且汇交于同一点（称为平面汇交力系），根据性质三和式（1.6）将此力系合成为一个合力FR，此合力应为可见，平面汇交力系的合力矢量等于力系各分力的矢量和 （1.7）将式（1.7）分别向x、y轴投影可得式（1.8）表明，力系的合力在某一直角坐标轴上的投影等于力系中各分力在同一轴上投影的代数和，此即为合力投影定理。(1.8)合力的大小和方向为（1.9）式中，表示力FR与x轴所夹的锐角，FR的指向由Fx和Fy的正负来确定。推论推论2 三力平衡汇交定理刚体受三个共面但互不平行的
7、力作用而平衡时，此三力必汇交于一点。此定理说明了不平行的三力平衡的必要条件，而且当两个力的作用线相交时，可用来确定第三个力的作用线方位。证明证明 刚体上A、B、C三点分别作用着使该刚体平衡的三个力F1、F2、F3，它们的作用线都在一个平面内但不平行，F1、F2的作用线交于O点。根据力的可传性推论，将这两个力分别移至O点，则这两个力的合力FR必定在此平面内且通过O点，而FR必和F3平衡，由二力平衡的条件可知，F3与FR必共线，所以F3的作用线亦必过F1、F2的交点O，即三个力的作用线汇交于一点，如图1.7所示。图 1.7性质四性质四作用与反作用定律两物体间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反
8、，沿同一条直线，分别作用在这两个物体上。此定律概括了自然界中物体间的相互作用关系，表明一切力总是成对出现的，揭示了力的存在形式和力在物体间的传递方式。特别要注意的是，必须把作用与反作用定律、二力平衡公理严格地区分开来。作用与反作用定律表明两个物体相互作用的力学性质，而二力平衡公理则说明一个刚体在两个力的作用下处于平衡时两力满足的条件。1.2 力力 矩矩 与与 力力 偶偶 1.2.1 力矩力矩人们从生产实践活动中得知，力不仅能够使物体沿某方向移动，还能够使物体绕某点转动。例如，人用扳手拧紧螺母时，施于扳手的力F使扳手与螺母一起绕转动中心O转动。由经验可知，转动效应的大小不仅与F大小和方向有关，而
9、且与转动中心点O到F作用线的垂直距离有关。因此，在F作用线和转动中心点O所在的同一平面内(如图1.8所示)，我们将点O称为矩心，将点O到F作用线的垂直距离d称为力臂，力使物体绕转动中心的转动效应，就用力F的大小与力臂d的乘积并冠以适当的正负号来度量,该量称为力对O点之矩，简称力矩，记为MO(F)，即 MO(F)=Fd（1.10）平面内的力矩是一个代数量，其正负号规定为:若力使物体绕矩心逆时针方向转动，则力矩为正；反之，力矩为负。力矩的常用单位为Nm或kNm。图 1.8由力矩的定义可知，力矩有以下性质:(1)力矩的大小不仅取决于力的大小,还与矩心的位置有关。(2)力对任意点之矩的大小，不因该力的
10、作用点沿其作用线移动而改变。(3)力的大小为零或力的作用线通过矩心时，力矩为零。(4)互成平衡的二力对同一点之矩的代数和为零。设物体上作用有一个平面汇交力系F1,F2,Fn,其合力为FR。由于合力与力系等效，因此合力对平面内任意点之矩等于力系中所有分力对同一点之矩的代数和，即MO(FR)=MO(F1)+MO(F2)+MO(Fn)=MO(F)(1.11)这就是合力矩定理。对于有合力的其他力系，合力矩定理同样成立。当力矩的力臂不易求出时，常将力正交分解为两个易确定力臂的分力，然后应用合力矩定理计算力矩。【例1.1】如图1.9所示，力F=150 N,作用在锤柄上，柄长l=320 mm，试求图(a)、
11、(b)所示的两种情况下力F对支点O的力矩。图 1.9解解 在图(a)所示的情况下，支点O到力F作用线的垂直距离h=l，力F使锤柄绕O点逆时针转动，则力F对O点的力矩为M(F)=Fh=150320=48 000 Nmm=48 Nm在图(b)所示的情况下，支点O到力F作用线的垂直距离h=l cos30，力F使锤柄绕O点顺时针转动，则力F对O点的力矩为M(F)=-Fh=-150320cos30=-41 569 Nmm=-41.569 Nm【例1.2】一齿轮受到与它相啮合的另一齿轮的法向压力Fn=1400 N的作用，如图1.10所示，已知压力角(作用在啮合点的力与啮合点的绝对速度之间所夹的锐角）=20
12、,节圆直径D=0.12 m，求法向压力Fn对齿轮轴心O之矩。解解用两种方法计算。(1)用力矩定义求解，如图1.10(a)所示，则(2)用合力矩定理求解，如图1.10(b)所示。将力Fn在啮合点处分解为圆周力Ft=Fncos和径向力Fr=Fnsin，由合力矩定理，得 图 1.101.2.2 力偶力偶在日常生活和生产实践中，经常会遇到物体受大小相等、方向相反、作用线互相平行的两个力作用的情形。例如，人用手拧水龙头开关，如图1.11(a)所示；司机用双手转动方向盘，如图1.11(b)所示；钳工用丝锥攻螺纹，如图1.11(c)所示。实践证明，这样的两个力(F,F)对物体只产生转动效应，而不产生移动效应
13、。图 1.11我们把这一对等值、反向、不共线的平行力组成的特殊力系称为力偶，用(F,F)表示。力偶两力作用线之间的垂直距离d称为力偶臂，如图1.11(d)所示，力偶中的两力所在的平面称为力偶作用面，力偶使物体转动的方向称为力偶的转向。力偶对物体的转动效应，可用力偶中的力与力偶臂的乘积再冠以适当的正负号来确定，称为力偶矩，记为M(F,F)或简写为M，即 M(F,F)=M=Fd (1.12)力偶矩与平面内的力矩一样，是一个代数量。式(1.12)中的正负号由力偶的转向决定。通常规定，力偶的转向为逆时针时取正，反之取负。力偶矩的单位是Nm或kNm。力偶矩的大小、力偶转向和力偶作用面称为力偶的三要素。凡
14、三要素相同的力偶彼此等效。根据力偶的定义，力偶具有以下性质。性质一性质一力偶在任意轴上投影的代数和为零，故不能合成为一个力，也不能与一个力等效。力偶的这一性质说明力偶不能与一个力相互平衡，只能与一个力偶相互平衡。可见，力与力偶是静力学的两个基本要素。性质二性质二 力偶对其作用面内任意点之矩恒等于其力偶矩，而与矩心的位置无关。如图1.12所示，已知力偶(F,F)的力偶矩M(F,F)=Fd，在力偶作用平面内任取一点O为矩心，设O点到力F的垂直距离为x，则(F,F)对O之矩的代数和为MO(F)+MO(F)=-Fx+F(x+d)=Fd=M(F,F)(1.13)显然,力偶矩M(F,F)与x无关,即与矩心
15、无关。图 1.12性质三只要保持力偶的转向和力偶矩的大小不变，力偶可以在其作用面内任意转动和移动，而不改变它对刚体的作用效应。这一性质说明力偶对物体的作用与力偶在作用面内的位置无关。性质四只要保持力偶矩的大小和力偶的转向不变，就可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短，而不会改变力偶对刚体的作用效应。这一性质说明力偶中的力或力偶臂都不是力偶的特征量，只有力偶矩才是力偶作用的度量参数。因此，力偶常用一带箭头的折线或弧线来表示(其中折线或弧线所在的平面代表力偶的作用面，箭头的指向表示力偶的转向)，再标注力偶矩的大小，如图1.13所示。图 1.13作用在同一平面内的一群力偶称为平面力偶系。由上面的力
16、偶性质可知，力偶对刚体只产生转动效应，且转动效应的大小完全取决于力偶矩的大小和力偶的转向，那么，平面力偶系可以简化，简化所得到的结果称为平面力偶系的合力偶。可以证明，合力偶矩的大小等于各个分力偶矩的代数和，即 M合=M1+M2+Mn=M (1.14)1.3 约束与约束反力约束与约束反力 1.3.1 柔索约束柔索约束由绳索、链条、胶带等柔性物体所构成的约束称为柔索约束。柔索约束只能限制物体沿柔索伸长的方向运动，而不能限制其他方向的运动，所以柔索约束反力的方向总是沿柔索中心线且背离被约束物体，即为拉力，通常用符号FT表示，如图1.14所示。图 1.141.3.2 光滑接触面约束光滑接触面约束当两物
17、体接触面之间的摩擦很小，可以忽略不计时，构成光滑接触面约束。光滑接触面对被约束物体在过接触点处的公切面内任意方向的运动不加限制，同时也不限制物体沿接触面处的公法线脱离接触面，但阻碍物体沿该公法线方向进入约束内部，因此，光滑接触面约束的约束反力必沿接触面处的公法线指向被约束物体，即为压力，用符号FN表示，如图1.15所示。图 1.151.3.3 光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链由两个带有圆孔的构件用光滑圆柱销钉连接而成。如果销钉和圆孔是光滑的，那么销钉只限制两构件在垂直于销钉轴线的平面内相对移动，而不限制两构件绕销钉轴线的相对转动。这样的约束称为光滑圆柱铰链约束。这种约束在工程实际中有以下几种应用形
18、式。1.中间铰约束中间铰约束如图1.16(a)、(b)所示，用圆柱销钉穿入两个带有圆孔的构件1和2的圆孔中，即构成中间铰，通常用简图1.16(c)表示。中间铰所连接的两构件互为其中一个的约束。当两个构件有沿销钉径向相对移动的趋势时，销钉与构件以光滑圆柱面接触，本质上相当于光滑面接触，但接触点不能确定，所以中间铰约束反力的特点是:在垂直于销钉轴线的平面内，通过铰链中心，方向待定，通常用两个正交分力Fx和Fy来表示，两分力的指向是假定的，如图1.16(d)所示。图 1.162.固定铰链支座约束固定铰链支座约束若构成圆柱铰链约束的一个构件固定在地面或机架上作为支座，则称此约束为固定铰链支座约束，如图
19、1.17(a)所示，通常用简图1.17(b)表示，其约束反力的特点与中间铰相同，如图1.17(c)所示。图 1.173.活动铰链支座约束活动铰链支座约束在固定铰链支座的底部装有几个可滚动的辊轴，并与光滑支承面相接触，这样即构成活动铰链支座，如图1.18(a)所示，通常用简图1.18(b)、(c)、(d)表示。这种约束只限制所支承的物体沿垂直于支承面方向的移动，而不限制物体沿支承面方向的移动和绕铰链销钉的转动。因此，其约束反力过铰链中心，垂直于光滑支承面，指向待定，用符号FN表示，如图1.18(e)所示。图 1.181.3.4 固定端约束固定端约束固定端约束又称为插入端约束，是工程实际中常见的一
20、种约束类型，如插入墙体的外伸凉台、固定在车床刀架上的车刀、立于路边的电线杆等，如图1.19(a)、(b)、(c)所示。它们有一个共同的特点：构件一端被固定，既不允许构件任意移动，也不允许构件随意转动，这种约束就是固定端约束。平面问题中，固定端约束通常用图1.19(d)、(e)所示的简图表示，其约束反力在外力作用面内可用简化了的两个正交分力Fx、Fy和力偶矩M来表示，如图1.19(f)所示。图 1.191.4 物体的受力图物体的受力图 在求解静力学平衡问题时，首先必须明确研究对象，然后分析其受力情况，再用相应的平衡条件进行计算。工程实际中的结构往往非常复杂，为了比较清晰地表达出每个物体的受力情况
21、，就必须把它从与它有联系的周围物体中分离出来，即解除其所受的约束而代之以相应的约束反力，这一过程称为解除约束。被解除约束的物体称为分离体。在分离体上画出所受的全部主动力和全部约束反力，即为物体的受力图。画受力图的步骤一般如下：(1)明确研究对象，取分离体。根据题目要求，确定研究对象(它可以是一个物体，也可以是几个物体的组合或整个物体系统)，把它从与之相联系的周围物体中分离出来，单独画出，切记与原图保持一致。(2)画出全部主动力。在分离体上画出全部主动力。(3)画出全部约束反力。在每一个解除约束的位置，根据约束的类型，画出相应的约束反力。在画约束反力时，应特别注意以下几点：将每一种约束按照它们的
22、特点归入典型约束类型，如1.3节介绍的柔索约束、光滑接触面约束、光滑圆柱铰链约束(中间铰、固定铰链支座、活动铰链支座)和固定端约束，再根据典型约束的约束反力的表示方法画出约束反力。在画每一个约束反力时，一定要明确是哪个物体施加的，不要多画力、少画力或随意移动力。要熟练使用规定的字母和符号，标记各个约束反力，对作用力和反作用力一般用相同的字母，反作用力加一个上标“”,如FAB与FAB互为作用力与反作用力。在画相邻两物体间作用力与反作用力的方向时，若其中一个力的方向已经明确或假定，则另一个力的方向应随之而定。运用二力平衡条件或三力平衡汇交定理确定某些约束反力。凡是二力构件，必须按二力平衡条件来画约
23、束反力；当物体受三个共面但不平行的力作用而处于平衡时，已知其中两力作用线的交点，第三个力为未知的约束反力，则此约束反力的作用线必通过此交点。当所取分离体是由某几个物体组成的物体系统时，通常将物体系统内部各物体之间的相互作用力称为内力，而将物体系统外的周围物体对系统内每个物体作用的力称为外力。在画物体系统的受力图时，约定只画外力，不画内力。【例1.3】简支梁AB两端用固定铰链支座和活动铰链支座支撑，如图1.20(a)所示，C处作用一集中载荷P。若梁自重不计，试对梁AB进行受力分析。图 1.20解解(1)选取梁AB为研究对象，画出其分离体图。(2)画出主动力。在梁的C点处画主动力P。(3)画出约束
24、反力。A处为固定铰链支座约束，约束反力为通过A点的两个正交分力FAx、FAy；B端为活动铰链支座，只有一个垂直于支撑面的约束反力FB，如图1.20(b)所示。另外，AB的受力图可以根据三力平衡汇交定理画出，力P和FB相交于D点，则A点的约束反力FA(A点的合力)也交于D点，由此确定约束反力FA的方向为沿A、D两点的连线，如图1.20(c)所示。图 1.21解解(1)选取梁AB为研究对象，画出其分离体图。(2)画主动力。画出作用在C点的力WTHXFWTBX和D处的力偶M。(3)画约束反力。梁AB在A处受到固定端约束，在B处受到活动铰链支座约束。在解除约束的A处,约束反力可用两个正交力FAx、FA
25、y和力偶MA来表示，指向和转向是假定的。在解除约束的B处,约束反力为垂直于支承面的FNB，指向是假定的。梁AB的受力图如图1.21(b)所示。【例1.5】图1.22(a)所示的结构由杆AC、CD与滑轮B铰接而成。物体重为G，用绳子挂在滑轮上。如杆、滑轮及绳子的自重不计，并忽略各处的摩擦，试分别画出滑轮B、杆AC、杆CD及整个系统的受力图。图 1.22解解(1)画出滑轮的受力图。取滑轮为研究对象，画出分离体图。画主动力：无。画约束反力：在B处受中间铰链支座约束，在E处受柔索约束，在H处受柔索约束。在解除约束的B处，可用两个正交分力FBx、FBy来表示，在E处画上沿绳索中心线背离滑轮的拉力FTE，
26、在H处画上沿绳索中心线背离滑轮的拉力FTH。滑轮受力图如图1.22(b)所示。(2)画出杆CD的受力图。取杆CD为研究对象，画出分离体图。画主动力：无。画约束反力：CD杆为一个二力构件，据前面内容可知，二力构件上的两个力必沿两力作用点的连线，且等值、反向。假设CD杆受拉力影响，在C、D处画上拉力FCD、FDC，且FCD=-FDC，杆CD的受力图如图1.22(c)所示。(3)画出杆AC的受力图。取杆AC为研究对象，画出分离体图。画主动力：无。画约束反力：杆AC在A处受固定铰链支座约束，在B、C处受中间铰约束。在解除约束的A处可用两个正交分力FAx、FAy来表示；在B处画上、，它们分别与FBx、F
27、By互为作用力与反作用力；在C处画上 ，它与FCD互为作用力与反作用力。杆AC的受力图如图1.22(d)所示。BxFBxFByFCDF第2章 平面力系的平衡2.1平面力系概述2.2平面任意力系的平衡方程与应用2.3几种特殊平面力系的平衡问题2.4物系的平衡2.5考虑摩擦时物体的平衡问题2.1平面力系概述平面力系概述 如果作用于物体上各力的作用线都在同一平面内，则称这种力系为平面力系。工程实际中很多构件所受的力系都可以看成为平面力系。例如，图2.1(a)所示的支架式起吊机受到主动力G1、G2以及约束反力FBx、FBy、FNA的作用，这些力的作用线在同一平面内，组成一个平面力系。又如，图2.1(b
28、)所示的曲柄连杆机构受到转矩M、阻力F以及约束反力FAx、FAy、FN的作用，显然这些力也构成了平面力系。平面力系根据其中各力的作用线分布不同又可分为平面汇交力系(各力的作用线汇交于一点)、平面力偶系(全部由力偶组成)、平面平行力系(各力的作用线互相平行)和平面任意力系(各力的作用线在平面内任意分布)。图 2.12.1.1 力的平移定理力的平移定理设在刚体上A点有一个力F，现要将它平行移动到刚体内的任意指定点B，而不改变它对刚体的作用效应。为此，可在B点加上一对平衡力F、F，如图2.2所示，并使它们的作用线与力F的作用线平行，且F=F=F。根据加减平衡力系公理，三个力与原力F对刚体的作用效应相
29、同。力F、F组成一个力偶M，其力偶矩的大小等于原力F对B点之矩，即 M=MB(F)=Fd (2.1)这样就把作用在A点的力平行移动到了任意点B，但必须同时在该力与指定点B所决定的平面内加上一个相应的力偶M，通常将其称为附加力偶。由此可得力的平移定理:作用于刚体上的力可以平行移动到刚体上的任意指定点，但必须同时在该力与指定点所决定的平面内附加一力偶，其力偶矩的大小等于原力对指定点之矩。图2.2根据力的平移定理，可以将一个力分解为一个力和一个力偶，也可以将同一平面内的一个力和一个力偶合成为一个力。力的平移定理揭示了力与力偶在对物体作用效应之间的区别和联系：一个力不能与一个力偶等效，但一个力可以与另
30、一个同它平行的力和一个力偶的联合作用等效。2.1.2平面任意力系向一点简化平面任意力系向一点简化设在刚体上作用有一平面任意力系F1,F2,Fn，各力的作用点分别为A1，A2，An,如图2.3(a)所示，在平面内任选一点O，称为简化中心，利用力的平移定理，将力系中的各力分别平移到O点，得到一个作用于O点的平面汇交力系 ，,和一个附加的平面力偶系M1=MO(F1),M2=MO(F2)，Mn=MO(Fn),如图2.3(b)所示。1F2FnF根据式(1.7)，平面汇交力系 ，可以合成为一个力 ，根据式(1.14)，平面力偶系1=MO(F1)，M2=MO(F2),Mn=MO(Fn)可以合成为一力偶MO，
31、如图2.3(c)所示。1F2FnFRF图 2.31.力系的主矢力系的主矢平移力 ,组成的平面汇交力系的合力 ,称为原平面任意力系的主矢。的作用点在简化中心O点，大小等于各分力的矢量和，即 1F2FnFRFRF（2.2）在平面直角坐标系中，则有（2.3）（2.4）式中，分别为主矢 和各力在x、y轴上的投影；为主矢的大小；为 与x轴所夹的锐角，的指向由Fx和Fy的正负来确定。2.力系的主矩力系的主矩附加的平面力偶系M1=MO(F1)，M2=MO(F2),Mn=MO(Fn）的合力偶矩的大小为MO，称为原平面任意力系对简化中心O点的主矩。MO等于力系中各力对简化中心O点之矩的代数和，即 MO=M1+M
32、2+Mn=MO(F)=M （2.5）值得注意的是，选取不同的简化中心，主矢不会改变，因为主矢总是等于原力系中各力的矢量和。也就是说，主矢与简化中心的位置无关，而主矩等于原力系中各力对简化中心之矩的代数和。一般来说，主矩与简化中心有关，提到主矩时一定要指明是对哪一点的主矩。主矢与主矩的共同作用才与原力系等效。2.1.3简化结果的讨论简化结果的讨论平面任意力系向一点简化，一般可得到一个主矢和一个主矩，但这不是简化的最终结果，因此，有必要对简化的结果进行以下几个方面的讨论。(1)。根据力的平移定理的逆过程，可将主矢与主矩MO简化为一个合力FR，合力FR的大小、方向与主矢 相同，FR的作用线与主矢的作
33、用线平行，但相距 ，如图2.3(e)所示。此合力FR与原力系等效，即平面任意力系可简化为一个合力。(2)。原力系与一个力等效，即原力系可简化为一个合力。合力等于主矢，合力的作用线通过简化中心。(3)。原力系与一个力偶等效，即原力系可简化为一个合力偶。合力偶矩等于主矩，此时，主矩与简化中心的位置无关。(4)。原力系处于平衡状态，即原力系为一平衡力系。【例2.1】如图2.4(a)所示，正方形平面板的边长为4a，在板上A、O、B、C处分别作用有力F1，F2，3，F4，其中，F3=2F，F4=3F。求作用在板上此力系的合力。图 2.4解解(1)选O点为简化中心，建立如图2.4(a)所示的直角坐标系，求
34、力系的主矢和主矩。由式（2.2）式（2.5）可得：主矢的大小为主矢的方向为由于x和Fy都为正，因此主矢 指向第一象限。主矩的大小为主矩的转向为逆时针方向。力系向O点简化的结果如图2.4(b)所示。(2)由于 ，MO0，根据力的平移定理的逆过程，可将主矢 与主矩MO简化为一个合力FR。合力FR的大小、方向与主矢 相同，FR的作用线与主矢的作用线平行，但相距 力系合力的作用线通过D点，如图2.4(c)所示 RFRFRF2.2平面任意力系的平衡方程与应用平面任意力系的平衡方程与应用 由2.1节的讨论结果可知，如果平面任意力系向任一点简化后的主矢和主矩同时为零，则该力系处于平衡。反之，要使平面任意力系
35、处于平衡，主矢和主矩都必须等于零。因此，平面任意力系平衡的必要与充分条件为：，MO=0,即 0RF由此可得平面任意力系的平衡方程为（2.6）式（2.6）是平面任意力系平衡方程的基本形式，也称为一力矩式方程。它说明平面任意力系平衡的解析条件是:力系中各力在平面内任选两个坐标轴上的投影的代数和分别为零，并且各力对平面内任意一点之矩的代数和也等于零。这三个方程是各自独立的三个平衡方程，只能求解三个未知量。【例2.2】图2.5(a)所示为简易起吊机的平面力系简图。已知横梁AB的自重G1=4 kN，起吊总量G2=20 kN，AB的长度l=2 m，斜拉杆CD的倾角=30，自重不计，当电葫芦距A端距离a=1
36、.5 m时，处于平衡状态。试求拉杆CD的拉力和A端固定铰链支座的约束反力。图 2.5解(1)以横梁AB为研究对象，取分离体画受力图。作用在横梁上的主动力：在横梁中点的自重G1、起吊重量G2。作用在横梁上的约束反力：拉杆CD的拉力FCD、铰链A点的约束反力FAx、FAy，如图2.5(b)所示。(2)建立直角坐标系，列平衡方程。(a)(b)(c)(3)求解未知量。由式(a)得将FCD代入式(b)得FAx=FCDcos=29.44 k 将FCD代入式(c)得FAy=G1+G2-FCDsin=7 kNFCD、FAx、FAy都为正值，表示力的实际方向与假设方向相同；若为负值，则表示力的实际方向与假设方向
37、相反。(4)讨论。本题若写出对A、B两点的力矩方程和对x轴的投影方程，则同样可求解,即由解得若写出对A、B、C三点的力矩方程 则也可得出同样的结果。由例2.2的讨论可知，平面任意力系的平衡方程除了式（2.6）所示的基本形式以外，还有二力矩形式和三力矩形式，其形式如下：(2.7)其中，A、B两点的连线不能与x轴(或y轴)垂直。其中，A、B、C三点不能共线。在应用二力矩形式或三力矩形式时，必须满足其限制条件，否则所列三个平衡方程将不都是独立的。(2.8)2.3几种特殊平面力系的平衡问题几种特殊平面力系的平衡问题2.3.1平面汇交力系的平衡平面汇交力系的平衡1.平面汇交力系的平衡方程平面汇交力系的平
38、衡方程由于平面汇交力系中各力的作用线汇交于一点，MO(F)=0自然满足，因此其平衡的必要且充分条件为：力系中各力在两个相互垂直的坐标轴上的投影的代数和分别为零，即（2.9）2.平面汇交力系的平衡方程的应用平面汇交力系的平衡方程的应用【例2.3】如图2.6(a)所示，圆球重G=100，放在倾角=30的光滑斜面上，并用绳子AB系住，绳子AB与斜面平行。试求绳子AB的拉力和斜面对球的约束力。图2.6解解(1)选圆球为研究对象，取分离体画受力图。主动力：重力G。约束反力：绳子AB的拉力FT、斜面对球的约束力FN。受力图如图2.6(b)所示。(2)建立直角坐标系Oxy，列平衡方程并求解。Fx=0 FT-
39、Gsin30=0FT=50 N(方向如图所示）Fy=0 FN-Gcos30=0FN=86.6 N(方向如图所示)(3)若选取如图2.6(c)所示的直角坐标系，列平衡方程得:Fx=0 FTcos30-FNcos60=0Fy=0 FTsin30+FNsin60-G=0联立求解方程组得:FT=50 N(方向如图所示)N=86.6 N(方向如图所示)由此可见，建立直角坐标系时，坐标轴应尽量选在与未知力垂直的方向上，这样可以简化计算。【例2.4】图2.7(a)所示的三角支架由杆AB、BC组成，A、B、C处均为光滑铰链，在销钉B上悬挂一重物，已知重物的重量G=10 kN，杆件自重不计。试求杆件AB、BC所
40、受的力。图2.7解(1)取销钉B为研究对象，画受力图。主动力：重力G。约束反力：由于杆件AB、BC的自重不计，且杆两端均为铰链约束，因此AB、BC均为二力杆件，杆件两端受力必沿杆件的轴线，根据作用与反作用力关系，两杆的B端对于销钉有反作用力F1、F2，受力图如图2.7(b)所示。(2)建立直角坐标系Bxy，列平衡方程并求解。Fy=0 F2sin30-G=02=20 kNFx=0 F2cos30-F1=0F1=17.32 kN根据作用力与反作用力定律，杆件AB所受的力为17.32 kN，且为拉力；BC所受的力为20 kN，且为压力。2.3.2平面力偶系的平衡平面力偶系的平衡根据式(1.14)，平
41、面力偶系可简化为一个合力偶，故平面力偶系平衡的必要和充分条件为：力偶系中各力偶矩的代数和等于零,即 M=0 (2.10)式(2.10)称为平面力偶系的平衡方程。一个力偶系平衡方程只能解一个未知数。【例2.5】用多轴钻床在一水平放置的工件上加工四个直径相同的孔，钻孔时每个钻头的主切削力组成一力偶，各力偶矩的大小M1=M2=M3=M4=15 Nm,两个固定螺栓A、B之间的距离为200 mm，如图2.8所示。试求加工时两个固定螺栓A、B所受的力。图2.8解解(1)取工件为研究对象，画受力图。主动力：四个已知的力偶。约束反力：固定螺栓A、B所给的约束反力FA、FB，由于力偶只能与力偶平衡，因此B处约束
42、反力FB必和A处约束反力FA组成一力偶，即两力平行、等值、反向，力偶臂长为200 mm，受力图如图2.8(b)所示。(2)列平衡方程并求解。M=0 -4M1+M(FA,B)=0FA=FB=300 N(方向如图所示)根据作用与反作用定律，两个固定螺栓A、B所受的力分别为F=FB=300 N，方向与图示方向相反。2.3.3平面平行力系的平衡平面平行力系的平衡在平面平行力系中，若选择直角坐标轴的y(或x)轴与力系各力作用线平行，则每个力在x(或y)轴上的投影均为零，即Fx0(或Fy0)，于是平行力系只有两个独立的平衡方程，即（2.11）式(2.11)为平面平行力系的平衡方程，它表明平面平行力系平衡的
43、必要和充分条件是：力系中各力在与力平行的坐标轴上的投影的代数和为零，各力对任意点之矩的代数和也为零或二力矩形式，即(2.12)平面平行力系只有两个独立的平衡方程，只能求解两个未知数。【例2.6】塔式起重机如图2.9(a)所示，已知轨距为4 m，机身重G=500 kN，其作用线至机架中心线的距离为4 m，起重机最大起吊载荷G1=260 kN，其作用线至机架中心线的距离为12 m,平衡块G2至机架中心线的距离为6 m。欲使起重机满载时不向右倾倒，空载时不向左倾倒，试确定平衡块重G2；当平衡块重G2=600 kN时，试求满载时轨道对轮子的约束反力。图 2.9 解解 (1)取起重机为研究对象，画受力图
44、。主动力：机身重力G、起吊载荷G1、平衡块重G2。约束反力：轨道对轮子的约束反力FA、FB。受力图如图2.9(b)所示。(2)列平衡方程，求平衡块重。满载时的情况。满载时，若平衡块太轻，则起重机将会绕B点向右翻倒，在平衡的临界状态时，FA等于零，平衡块重达到允许的最小值2min。MB(F)=0 G2min(6+2)-G(4-2)-G1(12-2)=0 G2min=450 kN 空载时的情况。空载时，起重机在平衡块的作用下，将会绕A点向左翻倒，在平衡的临界状态时，FB等于零，平衡块重达到允许的最大值G2max。A(F)=0G2max(6-2)-G(4+2)=0 G2max=750 kN因此，要保
45、证起重机在满载和空载时均不致翻倒，平衡块重应满足如下条件:450 kNG2750 kN(3)列平衡方程，求G2=600 kN满载时轮轨对机轮的约束反力。MB(F)=0G2(6+2)-FA4-G(4-2)-G1(12-2)=0 FA=300 kN(方向如图)MA(F)=0G2(6-2)+FB4-G(4+2)-G1(12+2)=0 FB=1060 kN(方向如图)【例2.7】一端固定的悬臂梁AB如图2.10(a)所示。已知q=10 kN/m，F=20 kN，M=10 kNm，l=2 m,试求梁支座A的约束反力。图2.10解解 (1)取悬臂梁AB为研究对象，画受力图。主动力：集中力F、分布载荷q、力
46、偶M。物体所受的力如果是沿着一条线连续分布且相互平行的力系，则称为线分布载荷。图2.10(a)中，载荷q称为载荷集度，表示单位长度上所受的力，其单位为N/m或kN/m。如果分布载荷为一常量，则该分布载荷称为均布力或均布载荷。列平衡方程时，常将均布载荷简化为一个集中力，其大小为F=ql(l为载荷作用长度)，作用线通过作用长度的中点。约束反力：A端受一固定端约束，其约束反力为FAx、FAy、MA。受力图如图2.10(b)所示。(2)建立坐标系Axy，列平衡方程并求解。Fx=0 FAx=0 Fy=0 FAy-FQ-F=0 其中：Q=ql=102=20 kN，作用在AB段中点位置。FAy=FQ+F=2
47、0+20=40 kN(方向如图)2.4物物 系系 的的 平平 衡衡 2.4.1静定与静不定问题的概念静定与静不定问题的概念由前面介绍的平衡计算可知，每一种力系的独立平衡方程的数目都是一定的。例如，平面力偶系只有一个，平面汇交力系和平面平行力系各有两个，平面任意力系有三个。因此，对每一种力系来说，所能解出的未知数也是一定的。如果所研究的平衡问题的未知量数目少于或等于独立平衡方程的数目，则所有未知量可全部由平衡方程求出，这类问题称为静定问题，如图2.11(a)、(b)所示。2.4物 系 的 平 衡图2.11如果未知量的数目超过了独立平衡方程的数目，则单靠平衡方程无法求出全部未知数，这类问题称为超静
48、定或静不定问题，如图2.12(a)、(b)所示。总未知量数目与总独立平衡方程数目之差称为静不定次数。图2.12静力学只研究静定平衡问题，至于静不定问题，需考虑物体受力后的变形情况，找出变形与作用力之间的关系，并建立相应的补充方程才能求解。2.4.2物系平衡问题的处理物系平衡问题的处理所谓物系，就是指由若干个物体按一定方式连接而成的系统。当整个物系处于平衡时，系统中每一个物体或某一个局部一定平衡，因此，可取整个系统为研究对象，也可取单个物体或系统中部分物体的组合为研究对象。作用于研究对象上的力系都满足平衡方程，所有未知量也均可通过平衡方程求出。在研究物系的平衡问题时，不仅要分析外界物体对于整个系
49、统作用的外力，同时还应研究系统内各物体间相互作用的内力。由于内力总是成对出现的，因此当取整体为研究对象时，可不考虑内力，但内力与外力的概念又是相对的，当研究物系中某一个物体或某一部分的平衡时，物系中其他物体或其他部分对所研究物体或部分的作用力就成为外力，必须考虑。现举例说明物系平衡问题的解法。【例2.8】多跨静定梁由AC和CE用中间铰C连接而成，支承和载荷情况如图2.13(a)所示。已知F=10 kN,q=5 kN/m,M=10 kNm,l=8 m。试求支座A、B、E及中间铰C的约束反力。图2.13解解对整体进行受力分析，共有四个未知力，而独立的平衡方程只有三个，这表明以整体为研究对象不能求得
50、全部约束反力。为此可将整体从中间铰处分开，分成左、右两个单体，取研究对象进行分析。(1)取梁CE为研究对象，画受力图，建立坐标系，列平衡方程并求解。受力图如图2.13(b)所示。其中，作用在CD段的中点。(2)取梁AC为研究对象，画受力图，建立坐标系，列平衡方程并求解。受力图如图2.13(c)所示。其中，作用在BC段的中点；，方向如图2.13(c)所示。【例2.9】三铰拱每半拱重G=300 kN，跨长l=32 m，拱高h=10 m，如图2.14(a)所示，试求铰链支座A、B、C的约束反力。图2.14解解第一种解法:先取三铰拱整体为研究对象，再取半拱AC(或BC)为研究对象进行求解。第二种解法：
