工程力学

第一章物体受力分析

§1.1基本概念与公理

1、三个基本概念：

（1）平衡的概念

（2）刚体的概念

（3）力的概念

2、四个公理：

（1）二力平衡公理

（2）加减平衡力系公理

（3）力的平行四边形法则

（4）作用与反作用定律

３、两个推论

（1）力的可传性原理

（2）三力平衡汇交定理

这些概念和公理是我们画受力图的基础，但这还不够，要画受力图，还必须学习约束与约束反力。

§1.2约束与约束反力

1、在力学中通常把物体分成两类：

（1）自由体——物体能在空间做任意运动，他们的位移不受任何限制。如天空中飞行的飞机、鸟等。

(2)非自由体——物体总是以一定的形式与周围其他物体相互联系，即物体的位移要受到周围其他物体的限制。如用绳悬挂的灯可向上、前、后、左、右运动，但不能向下运动，转轴要受到轴承的限制。

2、约束——这种对非自由体的某些位移起限制作用的周围其他物体称为约束。如绳是灯的约束，轴承就是转轴的约束。

既然约束限制了物体的某些运动，所以一定有约束力作用于物体上。

3、约束力——这种约束对物体的作用力称为约束力。约束力也叫约束反力。

4、工程实际中将物体所受的力分为两类：

（1）一类是主动力——这种能使物体产生运动或运动趋势的力，称为主动力，主动力有时也叫载荷；如重力，一般大小、方向往往已知。

（2）另一类是约束反力，它是由主动力引起的，是一种被动力，是未知力。静力分析的重要任务之一就是要确定未知的约束反力大小、方向。

四种常见约束类型的约束反力

工程中约束的种类很多，对于一些常见的约束，根据其特性可归纳为下列四种基本类型。

一、柔性约束（柔索）

1、组成：由柔性绳索、胶带或链条等柔性物体构成。

2、约束特点：只能受拉，不能受压。

3、约束反力方向：作用在接触点，方向沿着柔体的中心线背离物体。通常用ＦＴ表示。见图1-8

二、光滑面约束（刚性约束）

1、组成：由光滑接触面构成的约束。当两物体接触面之间的摩擦力小到可以忽略不计时，可将接触面视为理想光滑的约束。

2、约束特点：不论接触面是平面或曲面，都不能限制物体沿接触面切线方向的运动，而只能限制物体沿着接触面的公法线指向约束物体方向的运动。

3、约束反力方向：通过接触点，沿着接触面公法线方向，指向被约束的物体，通常用ＦN表示。如图1－９所示。

三、光滑圆柱形铰链约束

1、组成：两物体分别钻有直径相同的圆柱形孔，用一圆柱形销钉连接起来，在不计摩擦时，即构成光滑圆柱形铰链约束，简称铰链约束。

2、约束特点：这类约束的本质为光滑接触面约束，因其接触点位置未定，故只能确定铰链的约束反力为一通过销钉中心的大小和方向均无法预先确定的未知力。通常此力就用两个大小未知的正交分力来表示。如图1－１０所示。

3、铰链约束分类：这类约束有连接铰链、固定铰链支座、活动铰链支座等。

（1）连接铰链（中间铰链）约束

两构件用圆柱形销钉连接且均不固定，即构成连接铰链，其约束反力用两个正交的分力Ｆx和Ｆy表示，如图1－１0所示。

２. 固定铰链支座约束

如果连接铰链中有一个构件与地基或机架相连，便构成固定铰链支座，其约束反力仍用两个正交的分力Ｆx和Ｆy表示., 如图1－１1所示。

固定铰支座的几种表示

3.活动铰链支座

在桥梁、屋架等工程结构中经常采用这种约束。在铰链支座的底部安装一排滚轮，可使支座沿固定支承面移动，这种支座的约束性质与光滑面约束反力相同，其约束反力必垂直于支承面，且通过铰链中心。见图1-12

四、固定端约束

固定端约束能限制物体沿任何方向的移动，也能限制物体在约束处的转动。

所以，固定端A处的约束反力可用两个正交的分力Ｆ

ＡＸ、Ｆ

ＡＹ

和力矩为M

Ａ

的力

偶表示。见图1-13

§1.３受力图

在工程实际中，常常需要对结构系统中的某一物体或几个物体进行力学计算。首先要确定研究对象，然后对它进行受力分析。即分析研究物体受那些力的作用，并确定每个力的大小、方向和作用点。即：

1、研究对象：我们把所研究的物体称为研究对象。

为了清楚地表示物体的受力情况，需要把所研究的物体从与它相联系的周围物体中分离出来，单独画出该物体的轮廓简图，使之成为分离体，即：

2、分离体：解除约束后的自由物体。

3、受力图：在分离体上画上它所受的全部主动力和约束反力，就称为该物体的受力图。

4、内力与外力

如果所取的分离体是由某几个物体组成的物体系统时，通常将系统外物体对物体系统的

作用力称为外力，而系统内物体间相互作用的力称为内力。

注意：画受力图时一定要分清内力与外力，内力总是以等值、共线、反向的形式存在，故物体系统内力的总和为零。因此，取物体系统为研究对象画受力图时，只画外力，而不画内力。

5、画受力图是解平衡问题的关键，画受力图的一般步骤为：

１）根据题意确定研究对象，并画出研究对象的分离体简图。

２）在分离体上画出全部已知的主动力。

３）在分离体上解除约束的地方画出相应的约束反力。

注意：画受力图时要分清内力与外力，

6、下面举例说明受力图的画法。

例1重量为G的均质杆AB，其B端靠在光滑铅垂墙的顶角处，A端放在光滑

的水平面上，在点D处

用一水平绳索拉住，试画出杆AB的受力图。

解：１、选ＡＢ为研究对象

２、在Ｃ处画主动力Ｇ

３、画约束反力

例2图１－１７a所示的三铰拱桥由左、右两拱通过三铰链连接而成。在拱AC 上作用有载荷ＦP，两拱自重不计，试分别画出拱AC和拱BC的受力图。

图１－１７

解：１、选ＡＣ、ＢＣ为研究对象

２、画主动力

３、画约束反力

例３画出三角架铰链A的受力图