第一章构件静力学基础
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第1章 构件的静力分析
1.2
平面汇力交系
（2）平面汇交力系合成的解析法 1）合力投影定理：力系的合力在某轴上的投影，等 于力系中各力在同一轴上投影的代数和。
光滑面约束
1.1 静力分析基础-约束
（3）约束特点：只限制物体在接触点沿接触面的公法 线方向指向约束物体的运动，而不限制物体沿接触面切线 方向的运动。 （4）约束反力的方向：通过接触点沿接触面公法线方 向并指向被约束物体。通常用FN表示。
1.1 静力分析基础-约束
案例1-1 重力为P的圆球放在木板AC与墙壁AB之间， 如图3-10所示。设板AC重力不计，试作出木板与球的受 力图。
活动铰链支座约束符号表示
约束反力的方向表示
1.1 静力分析基础-约束
4.固定端约束 （1）实例观察：外伸房屋的凉台、装卡加工用刀具的 刀架。 （2）概念：物体的一部分固嵌于另一物体所构成的约 束称为固定端约束。
1.1 静力分析基础-约束
（3）约束的特点:固定端约束限制物体在约束处沿任 何方向的移动和转动。
二力平衡公理与作用与反作用定律的区别？
☆ 想一想
1.1 静力分析基础-公理
案例分析
1.1 静力分析基础-约束
【案例导入】曲柄冲床是钣金生产行业中常用的生产 设备，如图,曲柄作为主动件带动冲头实现作业过程。
a ) 曲柄压力机外观结构图
b ) 曲柄压力机机构运动示意图 曲柄压力机
1.1 静力分析基础-约束
（3）构件的受力图：在分离体上画出它所受的全部主动 力和约束反力，这种表示构件受力情况的简明图形称为构 件的受力图。
1.1 静力分析基础-受力图
1.绘制受力图的一般步骤为： （1）确定研究对象，解除约束，画出研究对象的分离体 简图； （2）根据已知条件，在分离体简图上画出的全部主动力； （3）在分离体的每一约束处，根据约束的类型画出约束 反力。
工程力学：第一章静力学的基本概念
作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一 点，而不改变该力对刚体的效应。
对刚体，力作用三要素为：大小，方向，作用线 滑动矢量
推理2：三力平衡汇交定理 刚体受三力作用而平衡，若其中两力作
用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交 于同一点，且三力的作用线共面。（必共面， 在特殊情况下，力在无穷远处汇交——平行 力系。） 证: ∵ ， ， 为平衡力系，
例1—2 屋架如图所示。A处为固定铰链支座，B处为滚动支座， 搁在光滑的水平面上。已知屋架自重P，在屋架的AC边上承受了 垂直于它的均匀分布的风力，单位长度上承受的力为q。试画出 屋架的受力图。
例1—3 如图所示，水平梁AB用斜杆CD支撑，A、C、D三处 均为光滑铰链连接。均质梁重 其上放置一重为 的电动机。 如不计杆CD的自重，试分别画出杆CD和梁AB(包括电动机)的 受力图。
公理5告诉我们：处于平衡 状态的变形体，可用刚体静 力学的平衡理论。
§1-3 约束和约束反力
一、概念 自由体：位移不受限制的物体叫自由体。
非自由体：位移受限制的物体叫非自由体。
约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件。 注：此处约束是名词，而不是动词的约束。
约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。 约束反力特点： ①大小常常是未知的，与作为主动力的载荷相对应，为被动力；
∴ ， 也为平衡力系。
又∵ 二力平衡必等值、反向、共线，
∴ 三力 ， ， 必汇交，且共面。
公理4 作用力和反作用力定律
两物体间相互作用的力总是同时存在，大小相等、 方向相反、沿同一直线，分别作用在两个物体上。
[例] 吊灯
公理5 刚化原理
变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成 刚体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。
对刚体，力作用三要素为：大小，方向，作用线 滑动矢量
推理2：三力平衡汇交定理 刚体受三力作用而平衡，若其中两力作
用线汇交于一点，则另一力的作用线必汇交 于同一点，且三力的作用线共面。（必共面， 在特殊情况下，力在无穷远处汇交——平行 力系。） 证: ∵ ， ， 为平衡力系，
例1—2 屋架如图所示。A处为固定铰链支座，B处为滚动支座， 搁在光滑的水平面上。已知屋架自重P，在屋架的AC边上承受了 垂直于它的均匀分布的风力，单位长度上承受的力为q。试画出 屋架的受力图。
例1—3 如图所示，水平梁AB用斜杆CD支撑，A、C、D三处 均为光滑铰链连接。均质梁重 其上放置一重为 的电动机。 如不计杆CD的自重，试分别画出杆CD和梁AB(包括电动机)的 受力图。
公理5告诉我们：处于平衡 状态的变形体，可用刚体静 力学的平衡理论。
§1-3 约束和约束反力
一、概念 自由体：位移不受限制的物体叫自由体。
非自由体：位移受限制的物体叫非自由体。
约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件。 注：此处约束是名词，而不是动词的约束。
约束反力：约束给被约束物体的力叫约束反力。 约束反力特点： ①大小常常是未知的，与作为主动力的载荷相对应，为被动力；
∴ ， 也为平衡力系。
又∵ 二力平衡必等值、反向、共线，
∴ 三力 ， ， 必汇交，且共面。
公理4 作用力和反作用力定律
两物体间相互作用的力总是同时存在，大小相等、 方向相反、沿同一直线，分别作用在两个物体上。
[例] 吊灯
公理5 刚化原理
变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成 刚体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。
《工程力学》第一章 静力学基础及物体受力分析
• 若两物体的接触面光滑，即摩擦对所研究 的问题不起主要作用而可忽略不计时，接 触面可视为“光滑”的。这种光滑接触面 约束不能阻止被约束物体沿接触面切线方 向的运动，而只能限制被约束物体沿接触 面公法线方向的运动。因此，光滑接触面 的约束反力只能是沿公法线而指向被约束 物体。这类约束反力称为法向反力，常用 字母N表示。
• 在工程实际中，为求未知约束反力，需依 据已知力应用平衡条件求解。为此，首先 要确定构件(物体)受有多少力的作用以及 各作用力的作用位置和力的方向。这个确 定分析过程称为物体的受力分析。
• 四、作用与反作用原理
• 任何二物体间相互作用的一对力总是等值、 反向、共线的，并同时分别作用在这两个 物体上。这两个力互为作用力和反作用力。 这就是作用与反作用原理。
• 五、刚化原理 • 当变形体在已知力系作用下处于平衡时，
若把变形后的变形体刚化为刚体，则其 平衡状态保持不变。这个结论称为刚化 原理。
合力，其合力作用点在同一点上，合力的方向 和大小由原两个力为邻边构成的平行四边形的 对角线决定（图1-4）。这个性质称为力的平 行四边形原理。其矢量式为
• 即合力矢R等于二分力F1和F2的矢量和。
图1-4
图1-5
• 推论：作用于刚体上三个相互平衡的力， 若其中二力作用线汇交于一点，则此三力 必在同一平面内，且第三力的作用线必定 通过汇交点。这个推论被称为三力平衡汇 交定理。
• 力对物体作用的效应取决于力的三个要素：力的大小、方向和作 用点。
• 力的作用点是指物体承受力的那个部位。两个物体间相互接触时 总占有一定的面积，力总是分布于物体接触面上各点的。当接触 面面积很小时，可近似将微小面积抽象为一个点，这个点称为力 的作用点，该作用力称为集中力；反之，当接触面积不可忽略时， 力在整个接触面上分布作用，此时的作用力称为分布力。分布力 的大小用单位面积上的力的大小来度量，称为载荷集度，用 q(N/cm2)表示。
• 在工程实际中，为求未知约束反力，需依 据已知力应用平衡条件求解。为此，首先 要确定构件(物体)受有多少力的作用以及 各作用力的作用位置和力的方向。这个确 定分析过程称为物体的受力分析。
• 四、作用与反作用原理
• 任何二物体间相互作用的一对力总是等值、 反向、共线的，并同时分别作用在这两个 物体上。这两个力互为作用力和反作用力。 这就是作用与反作用原理。
• 五、刚化原理 • 当变形体在已知力系作用下处于平衡时，
若把变形后的变形体刚化为刚体，则其 平衡状态保持不变。这个结论称为刚化 原理。
合力，其合力作用点在同一点上，合力的方向 和大小由原两个力为邻边构成的平行四边形的 对角线决定（图1-4）。这个性质称为力的平 行四边形原理。其矢量式为
• 即合力矢R等于二分力F1和F2的矢量和。
图1-4
图1-5
• 推论：作用于刚体上三个相互平衡的力， 若其中二力作用线汇交于一点，则此三力 必在同一平面内，且第三力的作用线必定 通过汇交点。这个推论被称为三力平衡汇 交定理。
• 力对物体作用的效应取决于力的三个要素：力的大小、方向和作 用点。
• 力的作用点是指物体承受力的那个部位。两个物体间相互接触时 总占有一定的面积，力总是分布于物体接触面上各点的。当接触 面面积很小时，可近似将微小面积抽象为一个点，这个点称为力 的作用点，该作用力称为集中力；反之，当接触面积不可忽略时， 力在整个接触面上分布作用，此时的作用力称为分布力。分布力 的大小用单位面积上的力的大小来度量，称为载荷集度，用 q(N/cm2)表示。
工程力学(静力学与材料力学)-1-静力学基础
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
工程中的
力偶实例
F1
F2
1. 力偶的定义
两个力大小相等、方向相反、作用线互相平行、
但不在同一直线上，这两个力组成的力系称为力
偶(couple)。
（F,F）
力偶臂
dF F
力偶的作用面
平面力偶及其性质
m
B
F
o
dA
F’
力偶没有合力，不能用一个力来代替，也不能用一个力与之平
力偶及其性质
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系 力偶的性质 力偶系及其合成
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
工程中的力偶实例
钳工用绞杠丝锥攻螺纹时， 两手施于绞杆上的力和，如果 大小相等、方向相反，且作用 线互相平行而不重合时， 便组成一力偶 。
O
d1
d d2
F1
力和力矩
合力之矩定理
FR
n
mOFR＝mOFi
i1
F2
例1 已知：如图 F、R、r, a , 求：MA(F)
解：应用合力矩定理
R Fy
F
r
a
a
Fx
M A ( F ) M A ( F x ) M A ( F y )
A
a a
M A ( F ) F x ( R r c) o F y r s sin
解 : 可以直接应用力矩公式计算力F 对O点之矩。但是，在本例的情形 下，不易计算矩心O到力F作用线的 垂直距离h。
如果将力F分解为互相垂直的
两个分力Fl和F2，二者的数值分别
为
F1＝Fcos45
构件的静力分析
1.1 静力分析基础-约束
案例分析——柔性约束实例：带传动
1.1 静力分析基础-约束
2.光滑面约束
（1）观察实例：当摩擦忽略不计，观察啮合齿轮的齿 面 、自行车车轮与地面接触的特点。
1
2
3
4
合力投影定理、力的平移定理、 平面任意力系的简化。
1.1 静力分析基础-概念
机器的运行是由于力的作用引起的，构件的受力情况直 接 影 响 机 器 的 工 作 能 力 。 力是物体间相互的机械作用。力的作用有两种效应： 使物体的机械运动状态发生变化和使物体的形状发生改变， 前 者 称 为 运 动 效 应 ， 后 者 称 为 变 形 效 应 。 力系是指作用于被研究物体上的一组力。物体平衡时 的 力 系 称 为 平 衡 力 系 。 平衡是运动的特殊情形，是指物体相对于惯性参 考系（如地面）保持静止或匀速直线运动的状态。
1.1 静力分析基础-约束
2.工程中常见约束的分析与比较 1.柔性约束 （1）观察实例：自行车的链传动、升降台绳索的联接特 点。 （2）概念：由绳索、胶带、链条等形成的约束。
1.1 静力分析基础-约束
（3）约束特点：只能承受拉力的方向：总是沿柔索伸长方向背离被约 束物体，常用符号FT 为表示。
小车的运动
吊车梁的变形
1.1 静力分析基础-概念
4.力的三要素及表示方法 （1）力的三要素：力的大小、方向和作用点。力是矢量 （2）力的表示方法：力是矢量，可用一带箭头的有向线 段表示
（3）力的单位为N（牛顿）或kN（千牛），通常用黑体 字母（如F 表示）代表力矢，以字母 F 代表力的大小。
力的表示法
二力平衡公理与作用与反作用定律的区别？
1.1 静力分析基础-公理
第1章 静力学基础
第一章静力学基础学习目标：1.理解力、刚体、约束、约束力的概念和静力学公理。
2.掌握物体受力图分析。
静力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学，主要解决两类问题：一是将作用在物体上的力系进行简化，即用一个简单的力系等效地替换一个复杂的力系，这类问题称为“力系的简化（或力系的合成）问题”；二是建立物体在各种力系作用下的平衡条件，这类问题称为“力系的平衡问题”。
静力学是建筑力学的基础，在土木工程实际中有着广泛的应用。
它所研究的两类问题（力系的简化和力系的平衡），对于研究物体的受力和变形都有十分重要的意义。
力在物体平衡时所表现出来的基本性质，也同样表现于物体在一般运动的情形中。
在静力学中关于力的合成、分解与力系简化的研究结果，可以直接应用于动力学。
本章将阐述静力学中的一些基本概念、静力学公理、建筑工程上常见的典型约束力与约束反力，以及物体的受力分析。
第一节基本概念一、力力的概念是人们在生活和生产实践中，通过长期的观察、分析和总结而逐步形成的。
当人们推动小车时，由于手臂肌肉的紧张和收缩而感受到了力的作用。
这种作用不仅存在于人与物体之间，而且广泛地存在于物体与物体之间，例如机车牵引车辆加速前进或者制动时，机车与车辆之间、车辆与车辆之间都有力的作用。
大量事实表明，力是物体（指广义上的物体，其中包括人）之间的相互作用，离开了物体，力就不可能存在。
力虽然看不见摸不着，但它的作用效应完全可以直接观察，或用仪器测量出来。
实际上，人们正是从力的效应来认识力本身的。
1.力的定义力是物体之间相互的机械作用。
由于力的作用，物体的机械运动状态将发生改变，同时还引起物体产生变形。
前者称为力的运动效应（或外效应）；后者称为力的变形效应（或内效应）。
在本课程中，主要讨论力对物体的变形效应。
2.力的三要素实践表明，力对物体作用的效应，决定于力的大小、方向（包括方位和指向）和作用点，这三个因素称为力的三要素。
力的大小表示力对物体作用的强弱。
西安交大工程力学01静力学基础
F
F
A
P B
P FNA A
B
FNB
§1-4 物体受力分析和受力图 例1-3 简易吊车的受力分析。
C FAx A FB FAy D B
D A B
FB
G
D A FA B
G
§1-4 物体受力分析和受力图
F
例1-4 三铰拱的受力分析。
C
A F C FC A B FA FC C
B
FB
§1-4 物体受力分析和受力图 例1-5 滑槽机构的受力分析。
今日作业
1-2(d) 1-3(c) 1-4(c) 1-7
§1-3 约束和约束力
b、固定铰链约束
Fx Fy
§1-3 约束和约束力
c、可动铰链约束
§1-3 约束和约束力
（4）球形铰链约束
约束结构: 由一物体的球部嵌入另一物体的球窝构成。 约束特性: 允许物体绕球心 O 转动，不能沿径向移动。 约束反力: 通过球心，方向不能预先确定，通常用三个正交 分力Fx，Fy，Fz 表示。
§1-2 静力学公理 静力学公理是人类在长期生活和生产实践中，总结 归纳出来的客观规律。 公理一、二力平衡公理
作用在一个刚体上的两个力，使刚体保持平衡的 充要条件: 二力等值、反向、共线。
F1 F 2
§1-2 静力学公理 公理二、加减平衡力系公理
在受力物体上加上或减去任 意平衡力系，不改变物体的 平衡（运动）状态。
§1-3 约束和约束力
（5）轴承约束
a、滑动轴承:
FAx
x z
FAy
A
y
b、滚动轴承: 径向轴承（向心滚子轴承） 止推轴承（向心推力轴承）
z
FAz
FAy
F
A
P B
P FNA A
B
FNB
§1-4 物体受力分析和受力图 例1-3 简易吊车的受力分析。
C FAx A FB FAy D B
D A B
FB
G
D A FA B
G
§1-4 物体受力分析和受力图
F
例1-4 三铰拱的受力分析。
C
A F C FC A B FA FC C
B
FB
§1-4 物体受力分析和受力图 例1-5 滑槽机构的受力分析。
今日作业
1-2(d) 1-3(c) 1-4(c) 1-7
§1-3 约束和约束力
b、固定铰链约束
Fx Fy
§1-3 约束和约束力
c、可动铰链约束
§1-3 约束和约束力
（4）球形铰链约束
约束结构: 由一物体的球部嵌入另一物体的球窝构成。 约束特性: 允许物体绕球心 O 转动，不能沿径向移动。 约束反力: 通过球心，方向不能预先确定，通常用三个正交 分力Fx，Fy，Fz 表示。
§1-2 静力学公理 静力学公理是人类在长期生活和生产实践中，总结 归纳出来的客观规律。 公理一、二力平衡公理
作用在一个刚体上的两个力，使刚体保持平衡的 充要条件: 二力等值、反向、共线。
F1 F 2
§1-2 静力学公理 公理二、加减平衡力系公理
在受力物体上加上或减去任 意平衡力系，不改变物体的 平衡（运动）状态。
§1-3 约束和约束力
（5）轴承约束
a、滑动轴承:
FAx
x z
FAy
A
y
b、滚动轴承: 径向轴承（向心滚子轴承） 止推轴承（向心推力轴承）
z
FAz
FAy
静力学基础知识
力的基本概念和静力学基本公理
第一章 静力学基础知识
二力构件
LIMING UNIVERSITY
只有两个力作用下处 于平衡的物体
不是二力构件
二力杆不一定是直杆
第一章 静力学基础知识
2、加减平衡公理
若在作用于刚体上的已知力系上添加或减去任 何平衡力系，则对刚体的作用效应并不改变。
LIMING UNIVERSITY
第一章 静力学基础知识
二、力系、合力 作用于一个物体上的一群力，称为力系。
LIMING UNIVERSITY
对物体作用效果相同的力系，称为等效力系。
使物体处于平衡的力系，称为平衡力系。
如果一个力和一个力系等效，则该力为此力系 的合力，
而力系中的各个力称为这个力的分力。
第一章 静力学基础知识
F2
LIMING UNIVERSITY
R F1 F2
F1
R F1 F2
F1
F2
1.1
力的基本概念和静力学基本公理
第一章 静力学基础知识
R
F2
R F1 F2
R
2 F1
LIMING UNIVERSITY
F1
R 1 2
F2 2 F1F2 cos
2
F2
F1
F1 F2 R sin 2 sin 1 sin(180 )
第一章 静力学基础知识
推论2：三力平衡汇交定理
刚体只受平面内三力作用而处于平衡状态时，若此三力 不互相平行，则必汇交于一点，（在特殊情况下，力在 LIMING UNIVERSITY 无穷远处汇交——平行力系。）
kg m / s
2
静力学
第一章构件静力分析基础1.1 静力分析的基本概念1.1.1 力的概念1. 定义力是物体间的相互机械作用。
这种机械作用使物体的运动状态或形状尺寸发生改变。
力使物体的运动状态发生改变称为力的外效应；力使物体形状尺寸发生改变称为力的内效应。
2. 力的三要素及表示方法物体间机械作用的形式是多种多样的，如重力、压力、摩擦力等。
力对物体的效应（外效应和内效应）取决于力的大小、方向和作用点，这三者被称为力的三要素。
力是一个既有大小又有方向的物理量，称为力矢量。
用一条有向线段表示，线段的长度（按一定比例尺）表示力的大小；线段的方位和箭头表示力的方向；线段的起始点（或终点）表示力的作用点，如图所示。
力的国际单位为[牛顿]（N）。
3.力系与等效力系若干个力组成的系统称为力系。
如果一个力系与另一个力系对物体的作用效应相同，则这两个力系互称为等效力系。
若一个力与一个力系等效，则称这个力为该力系的合力，而该力系中的各力称为这个力的分力。
已知分力求其合力的过程称为力的合成，已知合力求其分力的过程称为力的分解。
4.平衡与平衡力系平衡是指物体相对于地球处于静止或匀速直线运动的状态。
若一力系使物体处于平衡状态，则该力系称为平衡力系。
1.1.2 刚体的概念所谓刚体，是指在外力作用下，大小和形状保持不变的物体。
这是一个理想化的力学模型，事实上是不存在的。
实际物体在力的作用下，都会产生程度不同的变形。
但微小变形对所研究物体的平衡问题不起主要作用，可以忽略不计，这样可以使问题的研究大为简化。
静力学中研究的物体均可视为刚体。
1.2 静力学公理公理1 二力平衡公理作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上。
对于变形体而言，二力平衡公理只是必要条件，但不是充分条件。
例如在绳索两端施加一对等值、反向、共线的拉力时可以平衡，但受到一对等值、反向、共线的压力时就不能平衡了。
公理2 加减平衡力系公理在已知力系上加上或者减去任意平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。
工程力学第一章-静力学的基本概念受力图
FR F1 F2 Fn Fi
i 1n将合力F来自对坐标原点O 取矩M o ( FR ) r FR r ( Fi ) = (r Fi ) = M o ( Fi )
i 1 i 1 i =1
n
n
n
此式可以简写为
Mo (FR ) = Mo (F )
Fx F cos ，Fy F cos
Fy Fx cos ,cos F F F Fx Fy
2 2
力的合成公式
以上两式中，Fx、Fy为力F在x、y坐标轴上的投影， α、β为力F与x、y轴正向的夹角。
力矩与力偶 力矩的概念 对于一般情况，作用在物体上质心以外点的力 可使物体产生移动，同时也可使物体产生相对 于质心的转动。 力对物体的转动效应，可以用力矩来度量： 力对某点的矩是力使物体绕该点转动效应 的量度； 而力对某轴的矩，则是力使物体绕该轴转 动效应的量度。
Fx F cos ，Fy F cos ，Fz F cos
（1.3）
式中，α、β、γ为力F与x、y、z轴正向的夹角。
(2) 二次向空间坐标轴投影
X Fx F sin cos
Y Fy F sin sin Z Fz F cos
力的合成
F F F F
对于平面力系问题
Mo ( F ) ( Fy x Fx y )k
由于在平面力系中，由于各力作用线与矩心 均位于同一平面，力矩矢量的方向总是与z轴 平行，故平面力系中，力对点之矩可以用代 数值表示
M o ( F ) Fy x Fx y＝ Ｆｄ＝ ２ＡＯＡＢ
力矩的符号规定：逆时针向为正；顺时针向为负。
力对点之矩 空间力 F对某一点 O的力矩是矢量，可以 表示为
第一章静力学的基本概念受力图
1 ３ 约 束 与 约 束 反 力
２、光滑面约束
-
当两物体接触表面非常光滑，摩擦力 可以不计时，此时接触面认为是光滑的。 此时不论接触面是平面还是曲面，都 不能限制物体沿接触面切线方向运动，而 只能限制物体沿接触面的公法线方向运动。
第一章 静力学的基本概念 受力图
1 ３ 约 束 与 约 束 反 力
1 2 静 力 学 公 理
推论2、三力平衡 汇交定理 刚体受不 平行的三力作用而平 衡，则三力作用线必 汇交于一点且位于同 一平面内。
A
F1
C
-
B
O
A
F3
O C
R12 B F2
注意：该定理的逆定理不成立。
第一章 静力学的基本概念 受力图
1 2 静 力 学 公 理 公理四、作用与反作用定律 两物体间 相互作用的力，总是大小相等、作用线相 同而指向相反，分别作用在这两个物体上。 强调：相互作用力与平衡力的异同。 公理五、刚化原理 若变形体在某一 力系作用下处于平衡，若将此变形体刚化 为刚体，则平衡状态不变。
-
第一章 静力学的基本概念 受力图
1 4 物 体 的 受 力 分 析 受 力 图 例 1-1 梯子的两部分 AB 和 AC 在点 A 铰接， 又在D、E两点用水平绳连接。梯子放在光滑水 平面上，若其自重不计，但在 AB 的中点 H 处作 用一铅直载荷 P。试分别画出绳子 DE 和梯子 AB、 AC部分以及整个系统的受力图。
静力学引言
工程力学包括理论力学和材料力学两部分。 物体在力作用下的机械运动和变形机理构成工 程力学的研究范畴 。 物体在空间的位置随时间的改变，称为机 械运动。静力学是研究机械运动的特例——物 体的平衡问题的科学，而平衡是指物体相对于 地面保持静止或作匀速直线运动的状态。
２、光滑面约束
-
当两物体接触表面非常光滑，摩擦力 可以不计时，此时接触面认为是光滑的。 此时不论接触面是平面还是曲面，都 不能限制物体沿接触面切线方向运动，而 只能限制物体沿接触面的公法线方向运动。
第一章 静力学的基本概念 受力图
1 ３ 约 束 与 约 束 反 力
1 2 静 力 学 公 理
推论2、三力平衡 汇交定理 刚体受不 平行的三力作用而平 衡，则三力作用线必 汇交于一点且位于同 一平面内。
A
F1
C
-
B
O
A
F3
O C
R12 B F2
注意：该定理的逆定理不成立。
第一章 静力学的基本概念 受力图
1 2 静 力 学 公 理 公理四、作用与反作用定律 两物体间 相互作用的力，总是大小相等、作用线相 同而指向相反，分别作用在这两个物体上。 强调：相互作用力与平衡力的异同。 公理五、刚化原理 若变形体在某一 力系作用下处于平衡，若将此变形体刚化 为刚体，则平衡状态不变。
-
第一章 静力学的基本概念 受力图
1 4 物 体 的 受 力 分 析 受 力 图 例 1-1 梯子的两部分 AB 和 AC 在点 A 铰接， 又在D、E两点用水平绳连接。梯子放在光滑水 平面上，若其自重不计，但在 AB 的中点 H 处作 用一铅直载荷 P。试分别画出绳子 DE 和梯子 AB、 AC部分以及整个系统的受力图。
静力学引言
工程力学包括理论力学和材料力学两部分。 物体在力作用下的机械运动和变形机理构成工 程力学的研究范畴 。 物体在空间的位置随时间的改变，称为机 械运动。静力学是研究机械运动的特例——物 体的平衡问题的科学，而平衡是指物体相对于 地面保持静止或作匀速直线运动的状态。
第1章 刚体静力学基础
第1篇 静力学引言静力学是研究物体在力系作用下的平衡规律及其应用的科学。
其理论和方法不仅是工程构件静力设计的基础，而且在解决许多工程技术问题中有着广泛应用。
力，是物体间相互的机械作用，这种作用将使物体的运动状态发生变化（称为力的运动效应，即外效应），或使物体发生变形（称为力的变形效应，即内效应）。
力的内、外效应总是同时产生的。
在静力学中，所指的物体都是刚体，这是一种理想化的力学模型，不考虑力的变形效应。
实践表明，力的效应唯一地决定于力的三要素：（1）力的大小；（2）力的方向；（3）力的作用位置或作用点。
因此，力是矢量，用F 表示，而F 仅仅表示力的大小。
在国际单位制中，力的单位是N 或kN 。
力系，是作用在物体上的力的集合。
对同一物体产生相同作用效应的力系称为等效力系。
如果某力系与一个力等效，则这个力称为该力系的合力，而力系中的各个力称为此合力的分力。
作用于刚体并使刚体保持平衡的力系称为平衡力系，或称零力系。
静力学主要研究以下三个方面的问题：1、物体的受力分析分析物体受几个力作用，以及每个力的作用位置。
2、力系的等效替换（或简化）将作用在物体上的一个力系用与它等效的另一个力系来替换，称为力系的等效替换。
如果用一个简单力系等效替换一个复杂力系，则称为力系的简化。
3、力系的平衡条件研究作用在刚体（系）上的力系使刚体（系）保持平衡时所需满足的条件。
在刚体静力学的基础上，考虑变形体的特性，可进一步研究变形体的平衡问题。
第1章 刚体静力学基础本章阐述静力学公理，并介绍工程中常见的约束和约束力分析，以及物体的受力分析。
同时，介绍力学模型及力学建模的概念。
§1.1 静力学公理在力的概念形成的同时，人们对力的基本性质的认识逐步深入。
静力学公理就是对力的的基本性质的概括与总结，它们以大量的客观事实为依据，其正确性已为实践所证实。
公理1 二力平衡条件作用在刚体上的两个力使刚体保持平衡的充要条件是：这两个力的大小相等，方向相反，且作用在同一直线上。
工程力学-第1章 静力学基础
约束力的方向与它所限制物体的运动或运动趋势的方向相反，其 大小和方向是随主动力的不同而不确定，是一个未知力。
二、常见约束的类型
约束类型—把一构件与它构件的联接形式，按其限制构件运动 的特性抽象为理想化的力学类型，称为约束类型。
常见约束的约束类型—为柔体、光滑面、铰链和固定端。
值得注意的是，工程实际中的约束与约束类型有些比较相近，有 些差异很大。必须善于观察，正确认识约束类型及其应用意义。
工程力学的任务： 研究构件的受力分析、平衡规律（重 点）和运动规律（简介），以及构件的变形破坏规律。为构件 的设计和制造提供基本的理论依据和实用的计算方法。
第一章 静力学基础和受力图
△
一、基本概念 1.力的定义
◆ 课节1–1 静力学基础
力是物体间相互的机械作用。
2.力的三要素及表示法
B
G
F A
FN
2)固定铰支座 约束限制了构件销孔端的随意移动，不限制构 件绕圆柱销这一点的转动。
物体间相互的机械作用可以用力的符号表示。一个力的箭头符
号表示一个机械作用，相互机械作用需二个力的箭头符号。
3.力系与平衡
4.合力与分力 若一个力与一个力系等效，则称这个力为该力系 的合力，而该力系中的各力称为这个力的分力。
5. 平衡力系 一力系使物体处于平衡状态，则该力系称为平衡 力系。
二、基本公理 1.二力平衡公理 两个力使刚体平衡的必充条件是：这两个力
C
例1-1图
FA
FC
例1-2 图示结构，分析AB、BC杆的受力。
F
FB
B
BB
A
例1-2图
C A FB' FA
F 解：1.分离出AB、BC杆 2.对AB杆进行受力分析
建筑力学与结构 第一章建筑力学-静力学基本知识
第三节 约束与约束反力
32
链杆可以受拉或者是受 压，但不能限制物体沿 其他方向的运动和转动， 所以，链杆的约束反力 总是沿着链杆的轴线方 向，指向不定，常用符
号F表示。
(a) (b)
(c)
链杆约束
第三节 约束与约束反力 6.单链杆支座
33
单链杆支座的约束力： 沿连杆中心线，指
向待定。
两端用光滑圆柱铰链（即铰）与物体相连且中间不受力 的直杆，称为链杆。
10
主动力：使物体产生运动或使物体有运动趋势的力。
荷载：作用上结构上的主动力。 一、荷载的分类
１.按作用在结构上的时间长短分类
（1）永久荷载（恒载） 在结构使用期间，其值不随时间变化，或变化与平均值相
比可以忽略不计的荷载。 （2）可变荷载（活荷载）
在结构使用期间，其值随时间变化且变化值与平均值相比 不可以忽略的荷载。 （3）偶然荷载
B F1
B F1
F
A
F
A
F2
A
F1 F2 F
作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为大小、 方向和作用线。
第一节 静力学基本定理
8
推理2 三力平衡汇交定理
当刚体受到同平面内不平行的三力作用而平衡时，三力
的作用线必汇交于一点。
F3
C
F1 A
B
F2
证明：
F1
F1
A F12
O
F3
C
F2 B
F2
三力平衡汇交定理常常用来确定物体在共面不平行 的三个力作用下平衡时其中未知力的方向。
第一节 静力学基本定理
9
四、 作用与反作用定律
两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作 用线沿同一直线，分别作用在两个相互作用的物体上。
第一章静力学基本概念和物体受力分析
第1章 静力学基本概念和物体受力分析
静力学——研究作用于物体上的力及其平衡的一般规律。
平衡——是指物体相对于惯性参考系处于静止或匀速直
线运动状态。工程上一般把惯性系固结在地球上，研究物 体相对于地球的平衡问题。
静力学研究以下三个问题：
一、物体的受力分析 二、讨论力系的简化， 三、建立力系的平衡条件。
注意：
（1）表明力总是成对出现的。有作用力，必有反作用力。
（2）揭示了物体间相互作用力的定量关系，是分析物体之间 受力的常用原则。
（3）作用力与反作用力分别作用在两个物体上，因此，不能 相互平衡。
1.3 约束和约束力 受力分析
1.3.1 基本概念
主动力： 能主动使物体产生运动（或运动趋势）的力。如重 力、人力、载荷。
推即理1:力的平移定理
等效
B
AF
M F
B
M = MB( F )
A
B
AF
分解 合成
M F
B A
M = MB( F )
用于分析任意力系的简化、讨论力对物体的作用效应。
1. 2 静力学基本原理
1.2.3 加减平衡力系公理
推理1:力的平移定理
攻丝
攻丝不允许单手操作
F’
F F
绞杠
丝锥
1. 2 静力学基本原理
F2
O
O
FR
F2
合力的大小与方向与分力次序无关。
（２）这个公理表明了最简单力系的简 化规律，它是复杂力系简化的基础，也 是力分解的基础。
或 FR
O
F1
F2
Fy
F
Fx
1. 2 静力学基本原理
1.2.2 二力平衡公理
作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条
静力学——研究作用于物体上的力及其平衡的一般规律。
平衡——是指物体相对于惯性参考系处于静止或匀速直
线运动状态。工程上一般把惯性系固结在地球上，研究物 体相对于地球的平衡问题。
静力学研究以下三个问题：
一、物体的受力分析 二、讨论力系的简化， 三、建立力系的平衡条件。
注意：
（1）表明力总是成对出现的。有作用力，必有反作用力。
（2）揭示了物体间相互作用力的定量关系，是分析物体之间 受力的常用原则。
（3）作用力与反作用力分别作用在两个物体上，因此，不能 相互平衡。
1.3 约束和约束力 受力分析
1.3.1 基本概念
主动力： 能主动使物体产生运动（或运动趋势）的力。如重 力、人力、载荷。
推即理1:力的平移定理
等效
B
AF
M F
B
M = MB( F )
A
B
AF
分解 合成
M F
B A
M = MB( F )
用于分析任意力系的简化、讨论力对物体的作用效应。
1. 2 静力学基本原理
1.2.3 加减平衡力系公理
推理1:力的平移定理
攻丝
攻丝不允许单手操作
F’
F F
绞杠
丝锥
1. 2 静力学基本原理
F2
O
O
FR
F2
合力的大小与方向与分力次序无关。
（２）这个公理表明了最简单力系的简 化规律，它是复杂力系简化的基础，也 是力分解的基础。
或 FR
O
F1
F2
Fy
F
Fx
1. 2 静力学基本原理
1.2.2 二力平衡公理
作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条
第1章 静力学基础知识
2.力的效应
外效应 ：物体运动状态发生变化 理论力学
内效应 ：物体发生变形
例 如：力可以使汽车运动（外效应）； 也可以 使球、梁发生变形（内效应）。
材料力学
3.力的三要素 大小、方向、作用点
力是矢量．
4.力的单位 牛顿 N KN
5.力在平面上的投影 力矢在某平面上的投影，等于力的模乘以力与 投影轴正向夹角的余弦。
理论力学 – 静力学
几个基本概念
刚体：在力的作用下，其内部任意两点间的距离始终保 持不变的物体.
平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或作匀速 直线运动．
静力学：研究物体在力作用下的平衡规律。
第一章 静力学基础知识
§1-1 静力学基本概念
一、力
1.定义 力是物体间的相互机械作用，这种作用使物
体的形态或者运动状态发生变化。
推理1 力的可传性
作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一 点，并不改变该力对刚体的作用。
作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为大小、方向和作用 线．
推理2 三力平衡汇交定理
作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作 用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，且第三个力 的作用线通过汇交点。
2、空间力对点的矩 ——力矩矢 三要素：
(1）大小:力 F与力臂的乘积 （2）方向:转动方向 （3）作用面：力矩作用面.
r r rr MO(F) r F
r rr r r r r r
r xi yj zk
r r rr
r
F
r
Fxri
Fy j
r
Fzk
r
r
MO(F) (r F) (xi yj zk )(Fxi Fy j Fzk )
外效应 ：物体运动状态发生变化 理论力学
内效应 ：物体发生变形
例 如：力可以使汽车运动（外效应）； 也可以 使球、梁发生变形（内效应）。
材料力学
3.力的三要素 大小、方向、作用点
力是矢量．
4.力的单位 牛顿 N KN
5.力在平面上的投影 力矢在某平面上的投影，等于力的模乘以力与 投影轴正向夹角的余弦。
理论力学 – 静力学
几个基本概念
刚体：在力的作用下，其内部任意两点间的距离始终保 持不变的物体.
平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或作匀速 直线运动．
静力学：研究物体在力作用下的平衡规律。
第一章 静力学基础知识
§1-1 静力学基本概念
一、力
1.定义 力是物体间的相互机械作用，这种作用使物
体的形态或者运动状态发生变化。
推理1 力的可传性
作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一 点，并不改变该力对刚体的作用。
作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为大小、方向和作用 线．
推理2 三力平衡汇交定理
作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作 用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，且第三个力 的作用线通过汇交点。
2、空间力对点的矩 ——力矩矢 三要素：
(1）大小:力 F与力臂的乘积 （2）方向:转动方向 （3）作用面：力矩作用面.
r r rr MO(F) r F
r rr r r r r r
r xi yj zk
r r rr
r
F
r
Fxri
Fy j
r
Fzk
r
r
MO(F) (r F) (xi yj zk )(Fxi Fy j Fzk )
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23
静
力
学—研究物体在力系作用下处于平衡的规律。
即根据所研究的物体与周围物体之间的联系， 确定作用在所研究的物体上有哪些力，它们的 大小、方向如何。 Key words:力、
平 衡
例:
运动力学— 研究质点和刚体的运动及物体的运动 与力之间的关系
Key words:运动
力
例:
材料力学— 研究构件在外力作用下的变形、受
40
3、图示四种情况，力F对刚体的作用效果是否相同？
4、如图所示，一力F从A物体上沿力的作用线传递到B物体上，
作用效果等效吗？
41
公理3 实例：
力的平行四边形法则
公理3 ：力的平行四边形法则 （又称二力合成公理) 作用于物体上某点的两个 FR F2 力，其合力也作用于该点，合 力的大小和方向可用此两力为 F1 这种求合力 邻边所构成的平行四边形的对 的方法—— 称矢量合成 角线来表示。
曲变形。
在一定外力作用下，构件突然发生不能保持其原有平衡状 态的现象——称失稳。
7
力学在工程上的应用
顶杆
稳定失效的例子多见于承受轴向压力的工程构件。
8
9
压杆稳定工程实例
10
脚 手 架
11
脚手架失稳坍塌
12
工程构件在外力作用下丧失正常功能的现象——称
为“失效” 或“破坏”。工程构件的失效形式很多，但 工程力学范畴内的失效通常可分为三类：强度失效、刚度 失效和稳定失效 强度——是指结构和构件抵抗破坏的能力，以保证在规 定的使用条件下不发生意外断裂或显著塑性变形。 刚度——是指结构和构件抵抗弹性变形的能力，以保证 在规定的使用条件下不发生过大弹性变形。 稳定性——是指结构或构件保持原有平衡状态的能力， 13 以保证在规定的使用条件下不失稳。
力及破坏的规律
主要内容： 构件的强度、刚度及稳定性。
Key words: 变 形
例:
工程力学是从研究构件的受力分析开始，研究构件的平衡和运 动规律，以及构件的变形和破坏规律。为工程构件的设计和制造提 供基本的理论依据和实用的计算方法。
◆ § 1–1 力的基本概念和公理
静力学：研究物体在力系作用下平衡规律的一门科学。 力系：是指作用于同一物体上的一组力。 平衡：在静力学中是指物体相对于 地球保持静止或作匀速直线 运动的状态。 平衡力系：物体处于平衡状态时，
第一章 构件静力学基础
◆ ◆ ◆ ◆
工程力学引言 §1–1 静力学基本概念和公理 §1–2 约束模型与约束力 §1–3 构件的受力图
一、引 言
构件：在工程实际中，各种机械和结构得到广泛的应用， 组成机械和结构的零部件，统称为构件。
当机械与结构工作时，构件受到外力作用。如火车轮轴承受 由车厢与车轮传来的外力，房屋建筑中的梁承受楼板传给它的重 量。在构件设计时，首先需要分析与计算构件所受各外力的大小 与方向 。 构件在外力作用下，其形状和尺寸会发生变化，构件形状和 尺寸的变化称为变形。 构件的变形分为二类： 弹性变形：外力解除后能消失的变形。 塑性变形或残余变形：外力解除后不能消失的变形。
FR F1 F2
法
FR 2
FR F1 F2 2F1 F2 cos
F1 F2 FR sin 2 sin1 sin( 180 )
2
2
1 F1
F2
这种求合力 的方法—— 称力的三角 开法则
43
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推论2：三力平衡汇交定理
刚体受三力作用而平衡，若其中两力 作用线汇交于一点，则第三个力的作用线 必通过汇交点，且三力的作用线共面。 F3 （在特殊情况下，力在无穷远处汇交—— 平行力系。）
F1 A F2
27
C B
F3
作用于该物体上的力系。
一、静力学的研究对象： 1、刚体
刚体与质点
就是在力的作用下，大小和形状都不变的物体,或 其内部任意两点间的距离始终保持不变的物体。
不计物体的尺寸而得到质点的概念。 刚体是一个理想化的力学模型。 二、材料力学的研究对象： 变形体
28
思考：
1-1 、判断下列说法是否正确：
必须指出：力的可传性原理不适用于研究物体的内效应。
当研究物体的内效应时，力应视为固定矢量。
39
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思考：
1、如果物体在某个平衡力系作用下处于平衡，那么再加上一个
平衡力系，该物体是否一定仍处于平衡状态？需要什么条件？ 2、作用在同一刚体上的两个力等效的条件是什么？图中两个
力相等，问这两个力对刚体的作用效果是否相同？
F
B FB'
公理4
作用力和反作用力公理（定律）
相互作用的二物体之间的作用力与反作用力总是同时存 在，二力大小相等、方向相反、沿着同一条直线，分别作 用在二个不同的物体上。（等值、反向、共线、异体、且 同时存在。） [例 ]
注意：作用力和反作用力不是一对平衡力。
46
思考：哪些是作用与反作用？
F’
F
35
思考1：刚体上A点受力F作用，如图所示，问能否在B点加一 个力使ห้องสมุดไป่ตู้体平衡？为什么？
思考2：如图所示，AB杆自重不计，在5个已知力的作用下处于 平衡，则作用于B点的4个力的合力的大小和方向如何？
36
公理2
加减平衡力系公理
在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，
并不改变原力系对刚体的作用效应。
＝
37
汽 车 碰 撞
21
碰撞时气囊与人的相互作用
22
、工程力学研究的内容
静力学
理论力学 运动学 动力学
工程力学
材料力学
理论力学任务：
研究结构和构件的受力及平衡、运动规律，是工程分析与 设计的起点。
材料力学的任务：
研究构件受力后的变形和破坏规律，为设计构件提供强度、刚
度和稳定性的计算依据，力求使设计的构件既经济又安全、适用。
1.柔体（性）约束
由绳索、链条、皮带等柔性物形成的约束都可以简化为柔体 约束模型。这类约束只承受拉力，不承受压力。
6 .哈尔滨工业大学理论力学考研室编《理论力学》高等教育出版社六 版） 7.刘鸿文主编《材料力学》高等教育出版社
2
学习工程力学的基本要求
工程力学有较强的系统性，各部分内容之间联 系较紧密，学习中要认真理解基本概念、基本理论 和基本方法，要注意有关公式适用条件；要注意分 析问题的思路，解决问题的方法。在学习中，一定 要认真研究，独立完成一定数量的思考题和习题， 以巩固和加深对所学概念、理论、公式的理解、记 忆和应用。
16
刚度：构件抵抗变形的能力。
刚度大，变形小；刚度小，变形大。
强 度 问 题 、 刚 度 问 题
18
法国埃菲尔铁塔
世界上最高的钢结构
19
鸟 巢
世界上跨度最大的钢结构建筑
钢结构总重达4.2万吨，建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，20 短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。
刘思俊 主编
1
参考资料
1.江南大学力学考研室编《简明工程力学教程》科学出版社
2.顾晓勤 刘申全主编 《工程力学1》机械工业出版社（第二版）
3.周松鹤 徐烈恒主编 《工程力学教程篇》机械工业出版社（第二版）
4.西南交通大学应用力学工程系编《工程力学教程》高等教育出版社 5.范钦珊主编《工程力学》清华大学院出版社
6
实践表明，作用力越大，构件变形越大，而当作用力过大 时，构件将发生断裂或显著塑性变形。显然，构件工作时发生 意外断裂或显著塑性变形是不允许的。如齿轮轴的变形过大,势 必影响齿和齿间的正常啮合。
实践中我们还发现，有些构件在某种外力作用下，将发生不
能保持其原有平衡状态的现象。如当细长压杆上受到的压力达 到或超过一定值，杆将从直线形状突然变弯，而且是显著的弯
( 刚体不计自重)
F1 F2
等值, 反向, 共线
这是最简单力系的平衡条件。 34
说明：①对刚体来说，上面的条件是充要的 ②对变形体来说，上面的条件只是必要条件(或多体中) 例
变形体（绳）
二力体(或二力构件)：只在两个力作用下平衡的刚体。
FB B
FD C
FC
D
C FC
二力杆
二力构件
二力体或二力构件受力特点：二力体或二力构件所受的二个力的方 向，必沿两力作用点的连线，且等值、反向。
推论1：力的可传性原理：作用于刚体上某点的力可沿其
作用线滑移到该刚体内的任一点，而不改变该力对刚体
的作用效应。
推论证明:
F
A
F
F
A
F2
B
A
F2
B
F1
F1
38
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力的可传性原理说明，对刚体而言，力是滑移
矢量，它可以沿其作用线滑移，但不能任意移至作
用线以外的位置。 ∴对刚体来说，力的三要素——大小，方向，作用线。
把各分力代换成合力的过程称为力系的简化，把合力代换成分 力的过程称为力的分解。
△
6.力系的分类：
平面力系：力的作用线均在同一个平面内，可分为
平面汇交力系： 力的作用线汇交于一点 平面平行力系：力的作用线相互平行； 平面一般力系：力的作用线力的作用线既不完全汇交， 又不完全平行； 空间汇交力系 空间力系分 空间平行力系 空间一般力系
F1
A C O B
F2
证明
平衡时F3
必与 F12 共线则三力必汇交O点，且共面．
44
三力构件—在三个力作用下处于平衡的刚体称为三力构件
∵三力构件三个力的作用线交于一点。若已知两个力的作用线， 由此可以确定另一个未知力的作用线。