1、 工程力学（理理 论论 力力 学学 部部 分）分）河南科技大学建筑工程学院工程力学系河南科技大学建筑工程学院工程力学系F1F2FnF3M1Mn 力力 系系基本概念基本概念 汇交力系汇交力系(planar concurrent force system)平面力系平面力系 平行力系平行力系(平面力偶系是其中的特殊情况平面力偶系是其中的特殊情况)(planar parallel force system)一般力系一般力系(平面任意力系平面任意力系)(planar general force system)力系分为：平面力系力系分为：平面力系(planar force system)空间力系空间力系(
2、space force system)简单力系：指的是汇交力系、力偶系。简单力系：指的是汇交力系、力偶系。汇交力系汇交力系 空间力系空间力系 平行力系平行力系(空间力偶系是其中的特殊情况空间力偶系是其中的特殊情况)一般力系一般力系(空间任意力系空间任意力系)例：起重机的挂钩。2.1 平面汇交力系合成与平衡的几何法2.1.1 平面汇交力系合成的几何法、力多边形法则F3F2F1F4AF1F2F3F4FRabcdeabcdeF1F2F4F3FR各力矢与合力矢构成的多边形称为力多边形。用力多边形求合力的作图规则称为力的多边形法则。力多边形中表示合力矢量的边称为力多边形的封闭边。2.1.1 平面汇交力系
3、合成的几何法、力多边形法则结论：平面汇交力系可简化为一合力，其合力的大小与方向等于各分力的矢量和(几何和)，合力的作用线通过汇交点。用矢量式表示为：R12n FFFFF如果一力与某一力系等效，则此力称为该力系的合力。在平衡的情形下，力多边形中最后一力的终点与第一力的起点重合，此时的力多边形称为封闭的力多边形。于是，平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：该力系的力多边形自行封闭，这是平衡的几何条件。0i F2.1.2 平面汇交力系平衡的几何条件平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：该力系的合力等于零。用矢量式表示为：A A6060P PB B3030a aa aC C(a)(a)N NB B(b)(
4、b)B BN NA AD DA AC C60603030P PE EP PN NB BN NA A60603030H HK K(c)(c)解：解：(1)(1)取梁取梁AB AB 作为研究对象。作为研究对象。(4)(4)解出：解出：NA=Pcos30NA=Pcos30=17.3kN=17.3kN，NB=Psin30NB=Psin30=10kN=10kN(2)(2)画出受力图。画出受力图。(3)(3)应用平衡条件画出应用平衡条件画出P P、NA NA 和和NB NB 的闭合力三角形。的闭合力三角形。例题例题1 1 水平梁水平梁AB AB 中点中点C C 作用着力作用着力P P，其大小等于，其大小等
5、于20kN20kN，方向与，方向与梁的轴线成梁的轴线成6060角，支承情况如图角，支承情况如图(a)(a)所示，试求固定铰链支座所示，试求固定铰链支座A A 和活动铰链支座和活动铰链支座B B 的反力。梁的自重不计。的反力。梁的自重不计。例例2 已知压路机碾子重已知压路机碾子重P=20kN,r=60cm,欲拉过欲拉过h=8cm的障碍的障碍物。求：在中心作用的水平力物。求：在中心作用的水平力F的大小和碾子对障碍物的压力。的大小和碾子对障碍物的压力。选碾子为研究对象选碾子为研究对象取分离体画受力图取分离体画受力图解：解：当碾子刚离地面时当碾子刚离地面时NA=0,拉力拉力F最大最大,这时拉力这时拉力
6、F和自重及支反力和自重及支反力NB构成一平衡力系。构成一平衡力系。由平衡的几何条件，力多边形封闭，故由平衡的几何条件，力多边形封闭，故由作用力和反作用力的关系，碾子对障碍物的压力等于由作用力和反作用力的关系，碾子对障碍物的压力等于23.1kN23.1kN。此题也可用力多边形方法用比例尺去量。此题也可用力多边形方法用比例尺去量。F=11.5kN,NB=23.1kN所以所以577.0)(tg22hrhrr又由几何关系又由几何关系：tgPFcosPNB2.2 平面汇交力系合成与平衡的解析法2.2.1 力在坐标轴上的投影cosxFFcosyFFFxyFxFyO2.2.2 力的正交分解与力的解析表达式F
7、FxFyxyijxyxyFF FFFijO2.2.3 合力投影定理RxxiFF 平面汇交力系的合力在某轴上的投影，等于力系中各个分力在同一轴上投影的代数和。RyyiFF 2.2.4 平面汇交力系合成的解析法2222RRR()()xyxiyiFFFFF RRRcos(,)xFFFiRRRcos(,)yFFFj2.2.4 平面汇交力系的平衡方程22R()()0 xiyiFFF 0 xiF0yiF平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：各力在作用面内两个任选的坐标轴上投影的代数和等于零。上式称为平面汇交力系的平衡方程。0X0Y045coscos0CDASR045sinsin0CDASRP例例2 已知已知
8、 P=2kN 求求SCD,RA解解:1.取取ABAB杆为研究对象杆为研究对象2.2.画画ABAB的受力图的受力图3.3.列平衡方程列平衡方程由由EB=BC=0.4mEB=BC=0.4m，312.14.0tgABEB解得：解得：kN 24.4tg45cos45sin00PSCDkN 16.3cos45cos0CDASR；4.4.解方程解方程2.3 平面力对点之矩的概念及计算MO(F)OhrFAB2.3.1 力对点之矩（力矩）力F与点O位于同一平面内，点O称为矩心，点O到力的作用线的垂直距离h称为力臂。力对对点之矩是一个代数量，它的绝对值等于力的大小与力臂的乘积，它的正负可按下法确定：力使物体绕矩
9、心逆时针转动时为正，反之为负。()2OOABMFhA F力矩的单位常用Nm或kNm。2.3.2 合力矩定理与力矩的解析表达式平面汇交力系的合力对于平面内任一点之矩等于所有各分力对于该点之矩的代数和。R1()()niOOiMM FFFFxFyxyOqxyA()sincosOyxMxFyFxFyFqq F(1)合力矩定理(2)力矩的解析表达式例1已知F1400 N,r60 mm,a20，求力Fn对O点的矩。()cos78.93 N mOMF hFr Frtt()()()()cosOOOOMMMMFr FFFFFnFrFtFn2.4 平面力偶由两个大小相等、方向相反且不共线的平行力组成的力系，称为力
10、偶，记为(F,F)。力偶的两力之间的垂直距离d称为力臂，力偶所在的平面称为力偶作用面。力偶不能合成为一个力，也不能用一个力来平衡。力和力偶是静力学的两个基本要素。2.4.1力偶与力偶矩2.4.1 力偶与力偶矩FFdDABC力偶是由两个力组成的特殊力系，它的作用只改变物体的转动状态。力偶对物体的转动效应用力偶矩来度量。平面力偶对物体的作用效应由以下两个因素决定：(1)力偶矩的大小；(2)力偶在作用面内的转向。平面力偶可视为代数量，以M或M(F,F)表示，2ABCMFdA 平面力偶矩是一个代数量，其绝对值等于力的大小与力偶臂的乘积，正负号表示力偶的转向：一般以逆时针转向为正，反之则为负。力偶的单位
11、与力矩相同。2.4.2 同平面内力偶的等效定理定理定理：在同平面内的两个力偶，如果力偶矩相等，则两力偶彼此等效。推论：(1)任一力偶可以在它的作用面内任意移转，而不改变它对刚体的作用。因此，力偶对刚体的作用与力偶在其作用面内的位置无关。(2)只要保持力偶矩的大小和力偶的转向不变，可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短，而不改变力偶对刚体的作用。2.4.2 同平面内力偶的等效定理定理力偶的臂和力的大小都不是力偶的特征量，只有力偶矩才是力偶作用的唯一量度。今后常用如图所示的符号表示力偶。M为力偶的矩。1113MFdF d2224MF dF d M1(F1,F1)，M2(F2,F2)3434FFF
12、FFF343412()MFdFF dF dF dMM在同平面内的任意个力偶可以合成为一个合力偶，合力偶矩等于各个力偶矩的代数和。1niiMM2.4.3 平面力偶系的合成2.4.4 平面力偶系的平衡条件所谓力偶系的平衡，就是合力偶的矩等于零。因此，平面力偶系平衡的必要和充分条件是：所有各力偶矩的代数和等于零，即10niiM思考题1刚体上A、B、C、D四点组成一个平行四边形，如在其四个顶点作用有四个力，此四力沿四个边恰好组成封闭的力多边形，如图所示。此刚体是否平衡？F1F3BACDF2F4思考题2PORM从力偶理论知道，一力不能与力偶平衡。图示轮子上的力P为什么能与M平衡呢？FO例例3 在一钻床上
13、水平放置工件在一钻床上水平放置工件,在工件上同时钻四个等直径在工件上同时钻四个等直径的孔的孔,每个钻头的力偶矩为每个钻头的力偶矩为 ,求工件的求工件的总切削力偶矩和总切削力偶矩和A、B端水平反力端水平反力?mN154321mmmmmN60)15(4 4321mmmmM02.04321mmmmNBN3002.060BNN 300BANN解解:各力偶的合力偶矩为各力偶的合力偶矩为根据平面力偶系平衡方程有根据平面力偶系平衡方程有:由力偶只能与力偶平衡的性质，由力偶只能与力偶平衡的性质，力力NA与力与力NB组成一力偶。组成一力偶。例例4 图示结构，已知图示结构，已知M=800N.m，求，求A、C两点的
14、约束反力。两点的约束反力。).(255.0mNRdRMCCAC 0iM0 MMACNRC3137例例5图示杆系，已知图示杆系，已知m，l。求。求A、B处约束力。处约束力。解：解：1、研究对象二力杆：、研究对象二力杆：ADADNCR2、研究对象：、研究对象：整体整体ADNBRlmRNBAD思考：思考：CB杆受力情况如何？杆受力情况如何？BRCRm练习：练习：解：解：1、研究对象二力杆：、研究对象二力杆：BC2、研究对象：、研究对象：整体整体ADNBRBRCRADNmCRlmlmRNBAD245sin0 例例66不计自重的杆不计自重的杆AB与与DC在在C处为光滑接触处为光滑接触,它们分别受力它们分
15、别受力偶矩为偶矩为M1与与M2的力偶作用的力偶作用，转向如图。问，转向如图。问M1与与M2的比值为的比值为多大，结构才能平衡多大，结构才能平衡?60o60oABCDM1M2解解:取杆取杆AB为研究对象画受力图。为研究对象画受力图。杆杆A B只受力偶的作用而平衡且只受力偶的作用而平衡且C处为光处为光滑面约束，则滑面约束，则A处约束反力的方位可定。处约束反力的方位可定。ABCM1RARC Mi=0RA=RC=R,AC=aa R-M1=0M1=a R (1)60o60oABCDM1M2取杆取杆CD为研究对象。因为研究对象。因C点约束方位已定点约束方位已定,则则D点约束反力方位亦可确定，画受力图。点约束反力方位亦可确定，画受力图。60o60oDM2BCARDR CRD=RC=R Mi=0-0.5a R+M2=0M2=0.5 a R (2)联立联立(1)(2)两式得两式得:M1/M2=260o60oABCDM1M2
