建筑力学课件 第五章 平面一般力系

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因此,主矢FR/ 的大小和方向分别由下列两式确定
式中,为主矢与x轴间成的最小锐角,而主矢
F进R行/所判在别的。象限数,可有FRx/和FRy/的正负直接
5.2 平面一般力系的简化
现在我们可以解释固定端支座的约束反力为何有 三个分力了。如图a所示,许多建筑物的雨篷或 阳台梁的一端,被插入墙内嵌固,它是一种典型 的约束形式,为固定端支座也称为固定端约束。 一端嵌固的梁,当AC端完全被固定时,AC段部 分将会提供足够的约束反力与作用于梁AB上的 主动力系平衡。
5.2 平面一般力系的简化
二、平面一般力系的简化结果讨论 平面一般力系向作用面内一点简化的结果,
初始结果可能有以下四种情况:
但是,如果对上面四种情况进行归纳,其最 后简化结果应该是三种。
5.2 平面一般力系的简化
1. 平面一般力系简化为一个力偶的情形: FR/=0,MO≠0
此时,作用于简化中心的力相互平衡,因而相互 抵消。但是,附加的力偶系并不平衡,可合 成为一个力偶,即为原力系的合力偶,其力 偶矩等于
5.1 力的平移定理
力的平移定理是研究平面一般力系的理论基础,它不仅 是力系向一点简化的依据,而且可以用来解释一些实际 问题。例如,攻丝时,必须用两手握扳手,而且用力要 相等。为什么不允许用一只手扳动扳手呢(如图a)?因 为作用在扳手AB一端的力F,与作用在点C的一个力F/和 一个矩为M的力偶矩(如图b)等效。这个力偶使丝锥转 动,而这个力F/使丝锥折断
三、平面一般力系的合力矩定理
由图b,合力FR对点的矩为 M o (FR ) FRd M o
由力系向一点简化的理论可知,分力(即
原力系的各力)对点O的矩的代数和等于
主矩,即
Mo(F) Mo
5.2 平面一般力系的简化
所以有
在这里,由于简化中心的位置是任意选取 的,故上式有普遍意义,可叙述如下:
平面一般力系的合力对作用面内任一点之 矩,等于力系中各分力对同一点之矩的 代数和。这就是平面一般力系的合力矩 定理。
5.2 平面一般力系的简化
例5-1 重力坝受力情 形如图所示。设 GGF112===342050000kkkNNN,, , F的2=合7力0kFNR。的求大力小系 和方向,以及合 力作用线到点O的 水平距离x。
5.2 平面一般力系的简化
解:(1)先将力系向点O简化,求得其主矢FR/和主矩
MO(图5—6b)。主矢FR/在x、y轴上的投影为:
FR x
Fx F1 F2 cos (300 70
9 ) 232 .9kN 92 2.72
FR y Fy G1 G2 F2 sin
(450 200 70 2.7 ) 670kN 92 2.72
5.2 平面一般力系的简化
主矢FR/的大小为:
力系的主矢FR/的方向由下式确定:
5.1 力的平移定理
由于这三个力也可看作是一个作用在点B 的力F/和一个力偶(F,F//)。这样一 来,原来作用在点A的力,现在被一个 作用在点B的力F/和一个力偶(F,F//) 等效替换。
5.1 力的平移定理
也就是说 ,可以把作用于点A的力平移到另 一点B,但必须同时附加上一个相应的力偶, 这个力偶称为附加力偶,如图所示。很明显 ,附加力偶的矩为:M = Fd
5.2 平面一般力系的简化
应用解析法可以求出力系的主矢的大小和方向。 通过点O坐标系,如图b所示,则有: 式中FRx/和FRy/以及F1x、 F2x、 Fnx和F1y 、F2y 、 Fny分别为主矢FR/ 以及原力系中各分力F1 、 F2 、…、 Fn在x轴和y轴上的投影。
5.2 平面一般力系的简化
5.1 力的平移定理
反过来,根据力的平移定理可知,在平面内的一 个力和一个力偶,也可以用一个力来等效替 换。该力的大小及方向都与原力相同,作用 点位置由原力的方向以及力偶的力偶矩的转 向确定。
5.1 力的平移定理
在这里应注意,在力的平移定理 中,把作用于点A的力平移到刚体 内的另一点B,B点的位置可以是 任意的;而在平面内的一个力和 一个力偶,用一个力来等效替换 时,该力由力的平移定理来确定 时,其大小及作用线位置是唯一 的。
第五章 平面一般力系
第五章 平面一般力系
【学习目标】 1.掌握应用力的平移定理进行平
面一般力系的简化; 2.理解简化结果; 3.熟练掌握应用平面一般力系的
平衡条件及其平衡方程求解平 面一般力系的平衡问题。
第五章 平面一般力系
【引言】平面一般力系的概念
在工程实际中,经常遇到平面一般力系的计算问 题,即作用在物体上的力都分布在同一个平面内 ,或近似地分布在同一平面内,但它们的作用线 任意分布(即在同一平面内作用于物体上的所有 力,其作用线既不完全相交于一点,也不完全互 相平行),所以平面一般力系又称平面任意力系 。
5.3平面一般力系的平衡
应当指出,上式方程个数为三个,所以研 究一个平面一般力系的平衡问题,一次只 能求出三个未知数。 下面举例说明求解平面一般力系平衡问题 的方法和主要步骤。
因为力偶对于平面内任意一点的矩都相同,因此 当力系合成为一个力偶时,主矩与简化中心 的选择无关。
5.2 平面一般力系的简化
2. 平面一般力系简化为一个合力的情 形
(1)简化为一个合力的情形之一: FR/≠0,MO=0
此时一个作用在点O的力FR/与原力系 等效。显然, FR/就是这个力系的 合力,所以合力的作用线通过简化 中心O。
根据式(5-5)和(5-7)
5.3平面一般力系的平衡
所以,上面的平衡条件可用下列解析 式表示:
5.3平面一般力系的平衡
由此可得平面一般力系平衡的解析条 件是:
力系中所有各力在两个任意选取的坐 标轴中每一轴上的投影的代数和分别 等于零,各力对于平面内任意一点之 矩的代数和也等于零。
通常将式(5—9)称为平面一般力系 平衡方程的一般式。
5.1 力的平移定理
式中,d为附加力偶的力偶臂。由图易见,d 就是点B到力F的作用线的垂直距离,因此 Fd也等于力F对点B的矩。即有:MB(F) = Fd
所以有
M = MB(F)
5.1 力的平移定理
由此得到力的平移定理:作用在刚体上任 一点的力可以平行移动到刚体上任一点,但 必须同时附加一个力偶,这个力偶的力偶矩 等于原来的力对新作用点之矩。
本章讨论平面一般力系的简化和平衡问题。
5.1 力的平移定理
如图a所示,设F是作用于刚体上点的一个力。点B 是刚体上位于力作用面内的任意一点,在B点加 上两个等值反方向的平衡力F/和F//,使它们与力 F平行,且F=F/=F//,如图b所示。显然,根据加 减平衡力系公理,三个力F、F/、F//组成的新力 系与原来的一个力F等效。
5.2 平面一般力系的简化 由于其中
M o (FR x ) 0 所以
Mo Mo (FR y ) FR y x
所以可求得
5.3平面一般力系的平衡
一、平面一般力系的平衡条件和平衡方程 现在讨论静力学中最重要的情形,即平面一般力 系的主矢和主矩都等于零的情形。
显然,由FR/ =0可知,作用于简化中心的力F1 、 F2 、…、 Fn相互平衡。又由MO=0可知,附加 力偶也相互平衡。所以,FR/ =0, MO=0 ,说明 了在这样的平面一般力系作用下,刚体是处于平 衡的,这就是刚体平衡的充分条件
5.2 平面一般力系的简化
一般情况下,AC端所受的约束力应是复杂的分 布力,可以看成是一个平面一般力系,如果将这 些力向梁端A的简化中心处简化,必将得到一个 力FRA/和一个力偶MA 。 FRA/便是反力系向A端简 化的主矢, MA是主矩。如图b所示。
5.2 平面一般力系的简化
在受力分析中,我们通常认为固定端支座的 约束反力是作用于梁端的一个约束反力和 一个约束力偶,因为约束反力的方向未知, 所以经常该将这个约束反力分解为水平方 向和竖直方向的两个分力,如图c所示。
MO = M1 + M2 + M3 = MO (F1)+ MO (F2)+ MO (F3) 即合力偶的力偶矩等于原来各力对点O之矩的代 数和。
5.2 平面一般力系的简化
那么,对于力的数目为n的平面一般任 意力系,不难推广为
5.2 平面一般力系的简化
关于FR/ 与MO的含义 上面得到的平面一般力系中所有 各力的矢量和FR/ ,称为该力系的 主矢;而所有这些力对于任选的 简化中心O点的矩的代数和MO, 称为该力系对于简化中心的主矩 。
5.2 平面一般力系的简化
力系对点O的主矩为:
5.2 平面一般力系的简化 (方2)向求,力以系及的合合力力作FR用的线大到小点和 O的水平距离x 合力的大小和方向与主矢相 同,其作用线位置到点的水平 距离x的值可根据合力矩定理 求得(图c)。即
M o M o (FR ) M o (FR x ) M o (FR y )
5.2 平面一般力系的简化
上面所得的简化结果可以表述如下:
在一般情形下,平面一般力系向作用面内任选一 点O简化,可以得到一个力和一个力偶。这个 力等于该力系的主矢,作用在简化中心;这个力 偶的矩等于该力系对于简化中心的主矩。由 于主矢等于各力的矢量和,所以,它与简化中心 的位置选择无关。而主矩等于各力对简化中 心之矩的代数和,取不同的点为简化中心,各力 的力臂将发生改变,则各力对简化中心的矩也 会改变,所以在一般情况下主矩与简化中心的 选择有关。因此,以后如果说到主矩时,必须指 出是力系对于哪一点的主矩。
5.3平面一般力系的平衡
反过来,如果已知刚体平衡,则作用力应当 满足上式的两个条件。 事,实则上平,面假任如意F力R系/ 和就M可O其以中简有化一为个合不力等或于合零力 偶,于是刚体就不能保持平衡。所以式(58)又是平衡的必要条件。
5.3平面一般力系的平衡
于是,平面一般力系平衡的必要和充分条 件是:力系的主矢和力系对于平面内任一 点的主矩都等于零。
作用在点O /的这个力FR就是原力系的合力。合 力的大小等于主矢;合力的作用线位于点的哪一
来自百度文库
侧,则需根据主矢和主矩的方向确定;而合力作
用线到点的距离,可按下式算得:
d
Mo FR/
5.2 平面一般力系的简化
3. 平面一般力系平衡的情形: FR/=0,MO=0
这种情形将在下节详细讨论。
5.2 平面一般力系的简化
M1 = MO (F1) M2 = MO (F2) M3 = MO (F3)
5.2 平面一般力系的简化
将图b所示的新力系进 行分组,这样,平面一 般力系分解成了两个力 系:平面汇交力系和平 面力偶系。然后,再分 别对这两个力系进行合 成。
5.2 平面一般力系的简化
(1)由F1/、F2/、F3/等力组成的平面汇交力系, 可按平面汇交力系的合成法则,合成为一个力
5.2 平面一般力系的简化
(2)简化为一个合力的情形之另一:FR/≠0, MO≠ 0
如图F将成Ra作为/,/表用 一此示于 个时,点 作,并用O将令的在矩F力点R为=FOMRF//和RO的/的=力力-力偶FF偶R(R,用//F如(两R图图、个bc)力F。所RF于示//)R是和。合可
5.2 平面一般力系的简化
FR/,仍然作用于点O,并等于F1/、F2/、F3/的矢
量和,如图c所示。由于F1/、F2/、F3/各力分别与
F1 、 F2、 F3各力大小相等,方向相同,所以
FR/ =F1 + F2 + F3
(5-1a)
5.2 平面一般力系的简化
(2)对于平面力偶系M1、M2、M3合成后,仍为 一个力偶,合力偶的力偶矩MO等于各分力偶矩 的代数和。注意到附加力偶矩等于力对简化中心 O点的矩,所以,可有式(5-1b)
5.2 平面一般力系的简化
应用力的平移定理可以对作用于刚体上的平面一 般力系进行简化。
一、平面一般力系向平面内一点的简化 设刚体受一个平面一般力系作用,现在用向一点 简化的方法来简化这个力系 为了具体说明力系向一点简 化的方法和结果,我们先设 想只有三个力F1 、 F2、 F3 作用在刚体上,如图a所示。
5.2 平面一般力系的简化
在平面内任取一点O,称为简化中心; 应用力的平移定理,把每个力都平移 到简化中心点O。这样,得到作用于点 O的力F1/、F2/、F3/,以及相应的附加 力偶,其力偶矩分别为M1、M2、M3,如 图b所示。这些力偶作用在同一平面 内,它们分别等于力F1 、 F2、 F3对简 化中心O点之矩,即:
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