平面一般力系

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的转向而定。



平面一般力系的简化结果分析:
平面一般力系向一点简化,一般可得到一个主矢F ' 和一个 主矩MO,但这不是最终简化结果,最终简化结果通常有以下四 种情况: 1、F'=0, MO ≠0 表明原力系与一个力偶等效,原力
系简化为一个合力偶,其力偶矩为MO=∑MO( F ),此时主矩 MO与简化中心的选择无关。 2、F'≠0, MO =0 表明原力系与一个主矢量F' 等效,
d MO F'
4、F' =0, MO =0 表明原力系为平衡力系,则刚体在此 力系作用下处于平衡状态。
平面一般力系由O点向任意点O’简化:
{F1,F2 · · · Fn}简化得{F’,MO ’ } MO’= MO ± F’ · d (如图所示) 故,只要平面一般力系向某一点简化的结果为: F’=0, MO =0 则,该力系向任一点的简化结果都为: F’=0, MO =0
O为任 意点
图a
图b
图c
平面一般力系的简化过程
O为任 意点
F’
平面一般力系 (未知力系) {F1 , F2 , · · · Fn} 平面汇交力系 平面力偶系
向一点简化
平面汇交力系+平面力偶系 (可知力系) {F1’, F’2 , · · · F’n} + {M1 , M2 , · · · Mn}
合成
下面我们就来证明——
请 Shift+F5
有一力系作用 于刚体平面内
将各力向A点简化 并求出合力 F F1 F3 F2
这是求合力的方法 之一
F2
F3 C B
F3
F F2 A F1
A
A
F1
F F F 3 F3 F2 F1 F3 F3
F F2
无论将力系向刚体内的哪一 点简化,合力的大小、方向
O1 F2
O2 F1
答案:C
为什么不选D? 解答:平面一般力系被简化为一力偶,此时主矩与简化中心所取位置
无关。主矢总是零( 即F’=0 ),而力偶可以放在平面内任意一点,即
力偶对于平面内任一点的力偶矩都相同(即MK=MO )。
三、平面一般力系的平衡条件
当主矢和主矩都等于零时,则说明这一任意力系是平衡力 系;反之,若平面一般力系是平衡力系,则它向任意点简化的
一、力的平移定理
作用在刚体上的力F,可以平移到同一刚体上的任一点O, 但必须同时增加一附加力偶,附加力偶的力偶矩 M 等于原力F
对新作用点O之矩。这就是力的平移定理。
把F 由原来的A点平 移到O点,可以吗?
根据加减平衡力系公理,在O点加上 一对与F 平行且等值、反向力F’和F”, 使F=F’=F”,则F 和F”构成了一个力 偶,其附加力偶矩为:M =F· d 这就相当于把力F 移到 了O点,同时增加了一 个附加力偶,其力偶矩 为:M=MO ( F )=F· d
2 2
上式就是平面一般力系的平衡方程。它表明,平面一般力 系平衡时,力系中各力在任选的直角坐标系的两个坐标轴上投 影的代数和分别为零,各力对任意点之矩也为零。该式最多可 解出三个未知量。此外,还有二矩式和三矩式平衡方程。
平衡方程的其他形式:������ ① 二力矩式的平衡方程������ 二力矩式的平衡方程是由一个投影方程和两个力矩方程所 组成,可写为:
MK=MO,点K若不在主矢作用线上,则结果为MK≠MO(包括MK=0)。
3、一平面一般力系向点O简化时,主矢F'=0,主矩MO≠0。若将该力系向另 一点K简化,其主矢和主矩是: A、F'≠0,MK≠0; B、F'≠0,MK=MO; C、F'=0,MK=MO; D、F'=0,MK≠MO。
简化结果应用举例
{F1,F2 · · · Fn}
问题2:能否将平面一般力系{F1,F2 · · · Fn}中各力都向刚体的某点平移? 假如可以的话,就能够像平面汇交力系那样,对各力进行合成了。
A N B
O (简化中心)
请 Shift+F5
力的平移定理应用 二、平面一般力系的简化 (一)平面一般力系的主矢与主矩
设在刚体上作用有一平面一般力系 {F1 , F2 , · · · Fn} (如图a)。在该力 系所在的平面内任取一点O,该点称为简化中心。应用力的平移定理,将力 系中的各力都平移到O点,于是就得到一个汇交于O点的平面汇交力系 {F1’, F’2 , · · · F’n} 和一个力偶矩分别为 {M1 , M2 , · · · Mn} 的附加力偶系(如图b)。 将各力和各力偶矩分别合成,可得到一个力和一个力偶(如图c)。
即F'为原力系的合力,其作用线通过简化中心。
3、F' ≠0, MO ≠0

当平面一般力系的主矢及对简化中心的主矩都不
等于零时,根据力的平移定理的逆过程,可以将F' 和MO合成为一个合力。 将作用线通过O点的力F'及矩为MO的力偶合成为一个作用线通过A点的一个 力,此力即为原力系的合力。如图所示,且有 F = F' =ΣFi 合力的大小、方向与原力系的主矢相同,合力F 是在主矢F'的哪一侧,则要 根据主矩的正负号来确定 。合力F'的作用线到简化中心O的距离为:
F A F1 F2
都不会变化。所以说主矢与
简化中心的选择无关。
O3 F1 将力系向刚体内的另一点简化
那么,主矩又会怎样呢?
F F F 3 F3 O1 F2 O2 F1 F2 F1 F3
F F2
显然, M1=-F· d1 (顺时针) M2=-F· d2 (顺时针)
A F3
F1 F F2
M3=+F· d3 (逆时针)
平面一般力系
力的平移定理 平面力系简化 平衡方程
请 Shift+F5
有什么特点?
各力的作用线 不汇交于一点
平面一般力系——各力的作用线都在同一平面内,但既不 汇交于一点,也不平行。
· · · · · ·
{F1,F2 ,· · · Fn}
平面汇交力系和平面力偶系是平
面一般力系的特例。平面一般力系是 工程中最常见的力系。
在O’加上一对大小均为F’的平 衡力,但同时又得到了一对力 偶,其力偶矩为F’ · d。
合成后得:
MO’= MO ± F’ · d
1、一平面一般力系向点O简化时,主矢F'≠0,主矩MO=0。若将该力系向另 一点K简化,其主矢和主矩是: A、可能为 F'≠0,MK≠0; B、可能为 F'=0,MK≠MO; C、可能为 F'=0,MK=MO; D、不可能为 F'≠0,MK≠MO。 答案:A 解答:平面一般力系中,主矢与简化中心无关,主矩与简化中心有关。 就是说,改变简化中心的位置不会改变主矢,只会改变主矩。 已知主矢F'≠0,即使向点K简化,仍然F'≠0,所以B、C答案被排 除。D答案是说:不可能为F'≠0(就是说F'=0),不满足上述条件。 力系由点O向点K简化的结果有两种可能: 1)F'≠0, MK≠0;(即A答案) 2)F' ≠0, MK=0。 (点K在主矢的作用线上,且主矢作用 线通过简化中心。)
MO=∑MO (Fi )=∑Fi· di
力偶矩MO称为原平面一般力系对简化中心O的主矩。
图a
图b
图c
思考:平面一般力系的主矢是否就是该力系简化后的合力? 主矢和合力有何区别?
主矢是原力系{F1,F2,…Fn}中各力的矢量和。主矢是
自由矢量,只有大小、方向,而不涉及作用点,是一个自由矢
量,与简化中心无关。 合力为作用点在简化中心O的力矢量。 合力的大小、方向 与主矢一致,与原力系等效,有大小、方向、作用点,是滑移 矢量。只有求出合力,才能知道主矢的大小和方向。
平面一般力系简化的结论——
1、平面一般力系向作用平面内任一点O简化后,可得到 一个力和一个力偶。 2、这个力的大小和方向与原力系的主矢相同,作用于简 化中心O点;
3、这个力偶的力偶矩等于原力系对简化中心O点的主矩,
大小为原力系中各力对简化中心O点之矩的代数和; 4、主矢与简化中心的选择无关。但一般情况下,平面力 系的主矩与简化中心的选择有关。
主矢和主矩必同时为零。所以,平面一般力系平衡的充要条件
为:力系的主矢及力系对任一点的主矩均为零,即: F =0 MO =0
根据平面任意力系的平衡条件: F 0 M O 0 F ( Fx ) ( Fy ) 0 Fx 0, Fy 0 上式可写为: Fix 0 Fiy 0 M O ( Fi ) 0
∑Fix=0������ ∑MA(F i)=0������ ∑MB (Fi)=0 (注意:A、B两点的连线不能与 x 轴垂直)
思考: 应用二矩式平衡方程时,为何A、B连线不能垂直于 x 轴 由∑MA(F ')=0,∑MB(F ')=0可知,力F '的作用线同时通过A、B两点,所以该 力系不可能被简化为一个力偶,只能简化为过A、B两点连线的合力或者处于平衡 状态。 (注:当方程组中为∑Fy=0时, A、B连线不能垂直于 y 轴) 细说—— 若力系向A点简化,假设合力F ’的作用线不通过A、B连线(如左图): ∑MA(F’)=0??:当F '对A点取矩时, MA≡0, ∑MA(F ')=0 成立; ∑MB(F’)=0??:当F '对B点取矩时, MB=F '· d ≠ 0, ∑MB(F ')=0不成立。
要使MB=0,只有使F '的作用线通过A、B连线或者F ’=0 ;
∑Fx=0: 即∑Fx=F 'cosφ=0,只有当cosφ≠0时,才能肯定 F '=0。 因此必须φ≠90°,即A、B连线不能垂直于 x 轴(如右图)。
F
O A O
F'
d
F
A O
F'
M
A
请 Shift+F5
F''
力的平移定理由此得证
力的平移定理应用 问题:力F 对齿轮和轴各有什么作用?
M
在原力F 作用下 齿轮会转 轴会弯曲
F r
O
请 Shift+F5
动画
力的平移定理应用
请 Shift+F5
F’
F
(1)为什么钉子有时会折弯?
M
锤 子 砸 偏 了
晕!
(2)乒乓球为什么会旋转? F M F’
力的平移定理应用 (3)攻丝时为什么要用两只手?
请 Shift+F5
F
平衡力系
M
M F
力的平移定理应用 (4)攻丝时用一只手行吗? F M
力不平衡
在F 作用下 丝锥会断
力的平移定理应用
问题1:图中的平面一般力系对刚体的作用效果是怎样的?
刚体平衡吗? ——不知道! 平面一般力系可以直接合成吗? 平面一般力系不是汇交力系,不可以直接合成!
选择不同的简化中心,各力对A点的 力臂都不同,转向也不同,就是说 M1≠M2≠M3。 因此,在一般情况下,平面力系的
O3 F1
F F O1 O2 O3 A
F
主矩和简化中心的选择有关。 “在一般情况下……” 那么,特殊情况呢?
F
当O1、 O2、 O3 选在原合力F 的作用线上时, M1=M2=M3=0
简化结果应用举例
2、一平面一般力系向点O简化时,主矢F'≠0,主矩MO≠0。若将该力系向另 一点K简化,其主矢和主矩是: A、可能为 F'=0,MK≠0;
简化结果应用举例
B、可能为 F'≠0,MK=0;
C、不可能为 F'≠0,MK≠MO; D、可能为 F'≠0,MK≠MO。 答案:B、D 解答:要看点K是否在主矢作用线上。点K若在主矢作用线上,则结果为
合力F’ , 作用于简化中心O;
合成
合力偶,其力偶矩MO ,作用于刚体平面。
所得平面汇交力系(F1’ , F2’ , ··· Fn’ )可以合成为一个作用于O点的合 矢量F’: F’=∑Fi’ =∑Fi 合矢量F’称为原平面一般力系对简化中心O的主矢(如图c)。
所得的平面附加力偶系(M1 , M2 , · · · Mn)可以合成为一个的力偶,其力 偶矩MO 等于各力对简化中心O之矩的代数和:
力的平移定理的性质: 问题2:如刚体上某点B处作用一力和一力偶,是否可利用 “力的平移定理”还原一个等效的力?
������
答:力的平移定理是可逆的。
根据力向一点平移的逆过程,总可以将同平面内的一个力F' 和力偶
矩为 MO 的力偶还原为一个力F ,此力F 与原力F' 大小相等、方向相同、
作用线间的距离为d= MO / F' ,至于F 在F' 的哪一侧,则视F' 的方向和MO
力的平移定理的性质: 问题1:为什么平面一般力系的主矢与简化中心的选择无 关,而主矩与简化中心的选择有关? ������ 答:这就要看,把作用在刚体上某点的力F 平行移到
其它点,所得的力和附加力偶是否相同?
当力F 平移时,
①力的大小、方向都不改变; ②一般情况下,附加力偶的力偶矩的大小、正负都要随 新指定点的位置的不同而不同。
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