静力学第二章力系的简化

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力系的简化

力系的简化

力系向一点简化后的主矢和主矩在坐标轴上的投影
n
n
n
FR ( Fix )i ( Fiy ) j ( Fiz )k
i 1
i 1
i 1
Fx i Fy j Fz k
Z
MO Fz
FR
Mz
Fx M x O
Fy
My
MO Mxi M y j Mzk
Y
X
空间力系向一点简化的意义
1、 FR 0; M O 0
力系平衡
平衡条件对O 点成立,则对任意点成立。
首先,力系第一不变量,FR 0 对任意点成立;其次,主矢对任意两定点 之矩的关系
MO M A OA FR
于是
MA 0
其中 FR 0; M O 0
2、 FR 0; M O 0 力系简化为一个合力偶,力偶矩为Mo 可以证明上述结果与简化中心无关
O
Fi
ri r2
ri
r2 r1
r1
C
rC FR
F2 F1
证明:如图,依条件有
FR Fi 0 MC ri Fi 0
ri rC ri
力系对O点之矩
Fi
ri r2
ri
r2
r1
r1
C
O
rC
FR
MO ri Fi (ri rC ) Fi
边长为d的正方形作用五个力,方向如图 已知 S1 S2 S3 S , S4 S5 2S 求:力系的最简形式
z
S4
S1
O
d
x
S5
S3
y
S2
解:将各力向坐标轴上分解,有

理论力学复习第二章

理论力学复习第二章
17
理论力学· 静力学
例1:(i)求力系对A点的简化结果, (ii)力系对O点的力矩之和。
F1 F2 600N , M 400Nm, l 1m, b 0.5m
F Fi - F1 i - F2 j -600 i j N
i


l M A F1l - F2 - M k 0 3
FO MO ri FC ' rCO O ri MC C rCO FO
Fi


主矢与主矩的点积也是一个不 变量,与简化中心无关。
16
理论力学· 静力学
三、合力矩定理
Varignon(伐里农)合力矩定理
F1 Fi MO F
同一物理的两种思路
' ri Fi rO Fn MO M O M O ' ( F ) M O ' ( Fi )
MO -b i F 300k
Nm
18
理论力学· 静力学
四、空间力系简化的最终结果
1. F 0, MO 0 2. F 0, MO 0
[重点· 难点]
平衡力系 合力
(此时与简化中心有关,换个简化中 心,主矩不为零)
3. F 0, MO 0
4. F 0, MO 0
(1) F MO
合力偶 此时主矩与简化中心的位置无关。(?) F MO 0 F MO F // MO F MO 0 合力
F与MO 不平行也不垂直
19
理论力学· 静力学
M O F d , d
作用在刚体上力为滑移矢量 汇交力系 c F3 d F4 e

四川大学 理论力学 课后习题答案 第3周习题解答(第2章习题)

四川大学 理论力学 课后习题答案 第3周习题解答(第2章习题)

解:
S dxdy dx
S 0

π
y sin x
0
dy sin xdx 2
0

π

yC
π y sin x 1 1 π 2 π y d x d y d x y d y sin xdx 0 0 0 S S 2S 8
由对称性, xC

MO FR


0 , M O 0 ,原平面力系简化成通过简化中心 O 的合力。 3). FR 0 , M O 0 ,原平面力系可简化成一个合力。由于 O 位于力系平 4). FR M O 0 。在这种情况下,合力作用线距简化中心 O 的距离 面内,因此必有 FR
椭圆的面积为: π 3r
7 πr 2 0 πr 2 r r 2 2 7 πr πr 6 2 2 7 πr 0 πr r r 图形形心 y 坐标: 2 2 7 πr πr 6
图形形心 x 坐标:
四川大学 建筑与环境学院 力学科学与工程系 魏泳涛
静力学习题及解答—力系的简化
形心坐标 y mm 325 140 20
图形形心: yC
S y S
i i
i
193.06mm
将第二个平面图形分解成四部分。
四川大学 建筑与环境学院 力学科学与工程系 魏泳涛
静力学习题及解答—力系的简化

图形 1 图形 2 图形 3 图形 4
面积 Si mm 2 320000 208000 80000 -70685.8
2.10 将图示均质梯形薄板 ABCD 在点 C 挂起,设 AD a 。欲使 AD 边保持水平, BC 应等于多少。

理论力学-2-力矩的概念和力系的等效与简化

理论力学-2-力矩的概念和力系的等效与简化

力F对x、y、z轴之矩为: Mx (F) = 0
M y (F) = 0
4 M z (F) = − Fd 5
法2:根据力对轴定义 :
4 M z ( F ) = M z ( Fx ) = − Fd 5
2.1 力对点之矩与力对轴之矩
♣ 分布荷载专题
分布在较大范围内,不能看作集中力的荷载称分布荷 分布在较大范围内,不能看作集中力的荷载称分布荷 若分布荷载可以简化为沿物体中心线分布的平行力, 载。若分布荷载可以简化为沿物体中心线分布的平行力, 则称此力系为平行分布线荷载 简称线荷载 平行分布线荷载, 线荷载。 则称此力系为平行分布线荷载,简称线荷载。
2.1 力对点之矩与力对轴之矩
已知: 三角形分布载荷的q、 已知 : 三角形分布载荷的 、 梁长l, 合力、 梁长 , 求 : 合力 、 合力作用 线位置。 线位置。 l x 1 FR = ∫ qdx = ql 解:合力 0 l 2 设合力作用线距离A点距离为 点距离为d 设合力作用线距离 点距离为 y
B
问题: 如何用数学 问题 工具描述非共点力
F
A B
F
系对刚体的作用效
D
A
F
应?
第2章 力矩的概念和力系的等效与简化 章
2.1 力对点之矩与力对轴之矩
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2.1 力对点之矩与力对轴之矩
♣ 力对点之矩 ♣ 力对轴之矩 ♣ 合力矩定理 ♣ 分布荷载专题
2.1 力对点之矩与力对轴之矩
力对点之矩:力使物体绕某一点转动效应的度量 绕某一点转动效应的度量。 ♣ 力对点之矩:力使物体绕某一点转动效应的度量。
2l
3
l
3
q2
q1
l
第2章 力矩的概念和力系的等效与简化 章

《力系的简化》课件

《力系的简化》课件

力系简化的基本方法
力矩的概念
力矩是力与力臂 的乘积
力矩的方向与力 臂垂直
力矩的大小与力 的大小和力臂的 长度成正比
力矩的作用效果 是使物体产生转 动
力矩的合成与平衡
力矩的定义:力对 物体作用线到力作 用点的矢量
力矩的合成:平行 四边形法则
力矩的平衡:力矩 的代数和为零
力矩的平衡条件: 力矩的代数和等于 零,力矩的矢量和 为零
优化设计:通过力系简化,优 化结构设计,提高结构强度和 刚度
动力学问题
力系简化在动力 学问题中的应用
力系简化在运动 学问题中的应用
力系简化在静力 学问题中的应用
力系简化在动力 学问题中的注意 事项
静力学问题
力系简化:将复杂 的力系简化为简单 的力系,便于分析 和计算
应用领域:工程力 学、机械设计、建 筑结构等
力的平衡条件:力 的平衡条件是力系 简化的重要依据
力系简化的限制条件
力系简化必须保证力的平 衡
力系简化必须保证力的独 立性
力系简化必须保证力的线 性关系
力系简化必须保证力的可 加性
力系简化的实际应用场景
工程设计:在机 械设计、建筑设 计等领域,需要 对力系进行简化, 以便于分析和计 算。
科学研究:在物 理学、力学等领 域,需要对力系 进行简化,以便 于理解和分析物 理现象。
力矩的简化
力矩的定义:力对物体作用点的力矩等于力与力臂的乘积 力矩的简化方法:将力矩分解为两个或更多的力矩,使得每个力矩的力臂都尽可能小 力矩的合成:将多个力矩合成为一个力矩,使得合成后的力矩的力臂尽可能小 力矩的平衡:力矩的平衡是指力矩的合力为零,即力矩的合成结果为零
力系的合成与平衡
力系的合成:将多个力合成为一个力,简化力系 力系的平衡:力系中各力相互平衡,简化力系 力系的分解:将力系分解为多个力,简化力系 力系的平衡条件:力系中各力平衡,简化力系

第二章 力系的等效简化(陆)

第二章 力系的等效简化(陆)
B B
F
A
A
A
A
作用在刚体上的力,可以等效地平移到刚体上任一指定点, 但必须在该力与指定点所确定的平面内附加一个力偶,附加力偶 的力偶矩等于原力对指定点的力矩。
HOHAI UNIVERSITY
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§2-3
力系的简化
FR 3
一、 汇交力系的简化 1. 汇交力系合成的几何法
FR与MO同方向,则称为右手螺旋;如FR与MO方向相 反,则称为左手螺旋。
HOHAI UNIVERSITY
例2-4 将图所示的力系向O点简化,求主矢量和主矩。已知 F1=50N,F2=100N,F3=200N。图中长度单位为m。
解:为了下面计算方便,先将各力沿坐标轴分解:
F1 50 i F2 ( 3 / 45 ) 100 i ( 6 / 45 ) 100 k 44.7i 89.4k
2 2 2 R Rx Ry Rz Rx R R Ry R R Rz R R
y
FR
z
x
如果所研究的力系是 平面汇交力系,取力系所 在平面为平面,则该力系 的合力的大小和方向只需 将 FRz=0代入上式中便可 求得。
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例2-1 用解析法求图2-14所示平面汇交力系的合力。已知 F1=500N,F2=1000N,F3=600N,F4=2000N。
(2) 若FR≠0, MO≠0,而FR⊥MO , 表明力偶MO与FR在同一平面内,可进一步 简化为一个合力。 合力的位置必须满足: 合理矩定理:
M (F ) M
0 R
i0
M (F ) M
x R
ix
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力系简化的基础知识课件

力系简化的基础知识课件
学仿真等。
05
力系简化的实例分析
平面力系的简化
总结词
平面力系简化的目标是将其化简为单一 的合力或若干个相互独立的力,以便于 分析和计算。
VS
详细描述
平面力系简化的方法主要包括力的合成与 分解、力的平移等。通过这些方法,可以 将平面力系简化为一个或几个独立的力和 力矩,从而简化分析过程。
空间力系的简化
03
力系简化的应用
静力学平衡问题
01 02
静力学平衡问题
力系简化在静力学平衡问题中有着广泛的应用。通过将复杂的力系简化 为简单的形式,可以更容易地分析物体的平衡状态,并确定支撑反力和 约束反力。
静力平衡方程
在静力学平衡问题中,力系简化可以帮助建立静力平衡方程。通过将力 系简化为一个或多个力的平衡,可以求解未知的力或位移。
力矩
力与力臂的乘积。力矩的作用效果是使物体绕某点旋转或产生转动效应。
力的向心力和离心力
向心力
物体做圆周运动时,受到指向圆心的 合力,称为向心力。向心力的大小与 速度和半径有关,方向始终指向圆心 。
离心力
物体做圆周运动时,受到远离圆心的 合力,称为离心力。离心力的大小与 速度和半径有关,方向始终远离圆心 。
力系简化的基础知识 课件
目录
• 力系简化的基本概念 • 力系简化的方法 • 力系简化的应用 • 力系简化的注意事项 • 力系简化的实例分析
01
力系简化的基本概念
力系简化的定义
定义
力系简化是指将复杂的力系通过 一定的方法简化为简单的力系, 以便于分析、理解和计算。
解释
力系简化是力学分析中的重要步 骤,通过简化可以更好地理解力 的作用方式和效果,简化计算过 程,提高分析效率。

第二章 力系的简化

第二章  力系的简化

第二章 力系的简化将复杂力系等效地化为最简力系在理论分析和工程中都具有重要意义。

前一章将汇交力系和力偶系分别合成为一个力和一个力偶,是力系简化的例子。

力系简化的前提是等效。

等效力系是指不同力系对同一物体所产生的运动效应相同。

力系的简化是指用简单的力系等效地替换一个复杂力系。

力系简化而得到的最简单力系称为力系简化的结果,可以是平衡、一个力、一个力偶,或者一个力和一个力偶。

力系的简化结果可以导出力系平衡条件,将在下章中详细讨论。

力系简化并不局限于静力学。

例如,飞行中的飞机受到升力、牵引力、重力、空气阻力等分布在飞机不同部位力作用,为确定飞机运动规律可以先进行力系的简化。

因此,力系简化也是动力学分析的基础本章首先引入主矢和主矩两个力系的基本特征量,作为力系等效简化的依据。

然后讨论力系简化,力系简化的基础是力线平移,由此力系可向任意一点简化,并进而分析力系的几种最简形式。

最后,考虑平行力系的简化,并叙述重心、质心和形心的概念与计算公式。

§2.1 力系的基本特征量:主矢与主矩为讨论力系的等效和简化问题,引入力系的两个基本特征量:主矢和主矩。

设刚体受到力系F i (i=1, 2,…,n )作用,诸作用点相对固定点O 的矢径依次为r i (i=1, 2,…,n )。

力系F i 的矢量和,称为力系的主矢。

记为F R ,即∑==ni i 1R F F (2.1.1)主矢仅取决于力系中各力的大小和方向,而不涉及作用点,是一个自由矢量。

主矢通常不是力。

计算力系F i 对固定点O 的力矩的矢量和,称为力系对点O 的主矩。

记为M O ,即 ∑=⨯=ni iiO 1F r M (2.1.2)它不仅取决于力系中各力的大小、方向和作用点,还取决于矩心O 的选择。

因此,主矩是定位矢量。

利用动力学理论,可以证明,不同力系对刚体运动效应相同的条件是不同力系的主矢以及对相同点的主矩对应相等。

因此,主矢和主矩的引入为判断力系的等效提供了依据。

静力学第二章

静力学第二章

§2–3
空间力偶
1、力偶矩以矢量表示,力偶矩矢
空间力偶的三要素 (1) 大小:力与力偶臂的乘积; (2) 方向:转动方向; (3) 作用面:力偶作用面。
F1 F2 F1 F2
力偶矩矢 M rBA F (4–10)
2、力偶的性质
(1)力偶中两力在任意坐标轴上投影的代数和为零 . (2)力偶对任意点取矩都等于力偶矩,不因矩心改变而改变 。 力偶矩
B
A
A O
α
FAB
FBA
B
M1
M2 D
FO
M1 O
M2 D FD
解:杆AB为二力杆。 由于力偶只能与力偶平衡, 则AO杆与BD杆的受力如图所示。 分别写出杆AO和BD的平衡方程: Mi 0 由 得 M1 r ·AB cosα= 0 F

M2 + 2r · BA cosα= 0 F
则得
因为
三式与(2-3)式比较
比较(2-3)、(2-5)、(2-6)、(2-7)式可得
M o ( F ) yFz zFy M x ( F )
x
M o ( F ) zFx xF M y ( F )
y
M o ( F ) xFy yFz M z ( F )
FAB = FBA
M2 = 2 M1
例2-5 如图所示机构的自重不计。圆轮上的销子A放在摇杆BC上的光
滑导槽内。圆轮上作用一力偶,其力偶矩为M1=2 kN· , OA = r =0.5 m。 m
图示位置时OA与OB垂直,角α=30o , 且系统平衡。求作用于摇杆BC上的力偶 的矩 M2 及铰链O,B处的约束力。 先取圆轮为研究对象。 解:

工程力学(1)-第2章

工程力学(1)-第2章

力的平移定理:可以把作用在刚体上点 的力 平行移到任一 力的平移定理 可以把作用在刚体上点A的力 F 可以把作用在刚体上点 点B,但必须同时附加一个力偶。这个力偶 ,但必须同时附加一个力偶。 对新作用点B的矩 的矩。 的矩等于原来的力 F对新作用点 的矩。 [证] 力F 证 力系 F,F′, F′ ′
• 简化的含义
力系的简化
力系简化的基础是力向一点平移定理 力系简化的基础是力向一点平移定理。 力向一点平移定理。
力系的简化
♣ 力向一点平移定理
力系的简化
♣ 力向一点平移定理
力向一点平移
F :力; O :简化中心; α :F与O所在平面;
r
n :α 平面的法线; en :n 方向的单位矢。
F
力系的简化ห้องสมุดไป่ตู้
平面一般力系向一点简化
向一点简化 一般力系(任意力系) 汇交力系+力偶系 一般力系(任意力系) 汇交力系 力偶系 未知力系) 已知力系) (未知力系) (已知力系) 主矢) 作用在简化中心) 汇交力系 力 , R'(主矢 , (作用在简化中心 主矢 作用在简化中心 主矩) 作用在该平面上) 力偶系 力偶 ,MO (主矩 , (作用在该平面上 主矩 作用在该平面上
Ry Y −1 ∑ =tg Rx ∑X
简化中心 (与简化中心位置无关) [因主矢等于各力的矢量和]
大小: 大小 主矩M 主矩 O 方向: 方向
MO =∑mO (Fi )
方向规定 + —
(转动效应 转动效应) 简化中心: (与简化中心有关 转动效应 简化中心: 与简化中心有关 与简化中心有关) (因主矩等于各力对简化中心取矩的代数和) 因主矩等于各力对简化中心取矩的代数和)

静力学(第二章)

静力学(第二章)

A FC
C
B
W
①选研究对象; ②去约束,取分离体;③画上主动力;④画出约束反力。
例3 图示结构中各杆重力均不计,所有接触处均为光滑 接触。试画出:构件AO、AB和CD的受力图。
①选研究对象; ②去约束,取分离体;③画上主动力;④画出约束反力。
例4 画出下列各构件的受力图
说明:三力平衡必汇交 当三力平行时,在无限 远处汇交,它是一种特 殊情况。
改变原力系对刚体的作用。
只适于刚体!
静力学基本公理
推理1
力的可传性
作用在刚体上某点的力,可沿其作用线移动, 而不改变它对刚体的作用。
力对刚体的作用决定于:力的大小、方向和作用线。 力是有固定作用线的滑动矢量。
静力学基本公理
根据力的可传性,作D 的受力图, 此受力图是否正确?
分析整个系统平衡时,作用力 是否可沿其作用线移动?
刚体静力学模型
1.3 接触和连接方式的抽象和理想化
自由体:
-约束
其运动没有受到其它物体预加 的直接制约的物体
刚体静力学模型
约束:对非自由体运动起制约作用的周围物体 约束反力:约束作用于被约束物体的力
非自由体:
其运动受到其它物体预加的直接制约的物体
刚体静力学模型 约束反力的特点:
大小:常常是未知的 作用点:接触点 方向:总是与约束所能阻止的物体运动方向相反 F G
工程常见约束与约束反力
2.1 柔性约束
柔性约束只能承受拉力 约束反力: 沿柔索而背离被约束物体,作 用于连接点。
工程常见约束与约束反力
2.1 柔性约束
柔性约束只能承受拉力
约束反力: 沿柔索而背离被约束物体,作用于连接点。
链条约束与约束力

第2章—力系的简化—工程力学(静力学和材料力学)课后习题答案

第2章—力系的简化—工程力学(静力学和材料力学)课后习题答案

工程力学(静力学与材料力学)习题详细解答(第2章)习题2-2图第2章 力系的简化2-1 由作用线处于同一平面内的两个力F 和2F 所组成平行力系如图所示。

二力作用线之间的距离为d 。

试问:这一力系向哪一点简化,所得结果只有合力,而没有合力偶;确定这一合力的大小和方向;说明这一合力矢量属于哪一类矢量。

解:由习题2-1解图,假设力系向C 点简化所得结果只有合力,而没有合力偶,于是,有∑=0)(F C M ,02)(=⋅++−x F x d F ,dx =∴,F F F F =−=∴2R ,方向如图示。

合力矢量属于滑动矢量。

2-2 已知一平面力系对A (3,0),B (0,4)和C (-4.5,2)三点的主矩分别为:M A 、M B 和M C 。

若已知:M A =20 kN·m 、M B =0和M C =-10kN·m ,求:这一力系最后简化所得合力的大小、方向和作用线。

解:由已知M B = 0知合力F R 过B 点;由M A = 20kN ·m ,M C = -10kN ·m 知F R 位于A 、C 间,且CD AG 2=(习题2-2解图)在图中设OF = d ,则θcot 4=dCD AG d 2)sin 3(==+θ (1) θθsin )25.4(sin d CE CD −== (2)即θθsin )25.4(2sin )3(dd −=+ d d −=+93 3=d习题2-1图习题2-1解图R∴ F 点的坐标为(-3, 0)合力方向如图所示,作用线过B 、F 点; 34tan =θ 8.4546sin 6=×==θAG 8.4R R ×=×=F AG F M A kN 6258.420R ==F 即 )kN 310,25(R=F 作用线方程:434+=x y 讨论:本题由于已知数值的特殊性,实际G 点与E 点重合。

2-3三个小拖船拖着一条大船,如图所示。

力系的简化

力系的简化

R'
·M O
0
──右力螺旋,
R' ·M O 0 ──左力螺旋,
R '的作用线——力螺旋的中心轴
右力螺旋
左力螺旋
10
第一篇 静力学 第2章 力系的简化
② R' 与 MO 成任意角度,此为最一般情况。
分解:
MO
M
∥ O
M
O
其中
M
O∥=(R'
·M O)R' R'2
力系二不变量之积 第一不变量模之平方
主矢与主矩为:
n
R' Fi i 1
n
M O mO (Fi ) (代数量)
i 1
合力作用线方程:M O xRy yRx
14
第一篇 静力学 第2章 力系的简化
例2-3 已知b=18m,H=36m,α=70,W=9.0×103kN,P=4.5×103kN, Q=180kN,a=6.4m,h=10m,c=12m,求合力并校核重力坝稳定性(OE≤2/3 b)。(坝体取单位长)
②写出各力矢量及作用点矢径:
F1
F1
2
Fi
2
2
Fk
2
F2
2
Fj
2
2
Fk
2
A
rA
O
x
rA ai , rB 2aj
③求主矢与主矩:
2
R' Fi
i 1
2
F
(i
j
2k )
2
2 2
2
M O mO (Fi ) ri Fi
i 1
i 1
Fa(2i j ) 2
解:建立坐标系如图。选O为简化中心。主矢 和主矩为:

(静力学)-2-力系的简化修改

(静力学)-2-力系的简化修改


平面力系的简化
平面一般力系向一点简化


+
简化的结果,得到一个作用线都通过O点的力系,这 种由作用线处于同一平面并且汇交于一点的力所组成的力 系,称为平面汇交力系。
简化的结果,还得到由若干处于同一平面内的力偶所 组成的平面力偶系。

平面力系的简化
平面一般力系向一点简化
+

平面力系向一点简化 所得到的平面汇交力系和 平面力偶系,还可以分别 合成为一个合力和一个合 力偶。
固定端约束的约束力
固定端约束不仅限制了被约束构件的移动,还 限制了被约束构件的转动。因此,固定端约束力系 的简化结果为一个力与一个力偶,与其对构件的约 束效果是一致的。 分布约束力系 简化为一个力 和一个力偶
固定端约束的约束力
固定端约束力 FA 的方向以及约束力偶 MA 的转向 都不确定, FA分解成相互垂直的分力FA x 、FA y ,约束 力偶MA先假设为正向,实际方向根据计算结果确定。 平面分布约束 力简化结果 : FA x ; FA y ; MA
力系简化的最后结果,是指力系在向某一确定点简 化所得到的主矢、和对这一点的主矩,还可以进一步简 化(确定点以外的点),最后得到一个合力或合力偶 (特殊情况二者均为零)。
一般情形下的简化结果
MO 0 还可以再简化 FR 0,
MO =0 FR =0,
零力系(平衡力系) 合力偶 合 力
最终简化结果
i 1 n
n
FRx Fix
i 1
汇交力系合成的解析法
y
FRx Fx
FR
x FRy Fy
合力的大小: FR F F
2 Rx 2 Ry

力系的简化

力系的简化

j
k
MC(F) a·Sinθ a·CosθCosα a·Sinα =- a·CosθCosαi+FaSin θj
=
0
0
0
令CB=b 则CB =bSinαj + bSinαk
e CB CB
b sin j
sin j cos k
b2 sin 2 b2 cos2
故MC(F)在AB轴上得投影
MAB(F)=MC(F )eCB=FaSinαSinθ
三. 力系向一点的简化
(一). 空间汇交力系的简化(将其简化为一合力)
力的作用线在空间任意分布的力系成为空间任 意力系。各力作用线汇于一点的空间力系,成为空 间汇交力系。
空间汇交力系的合理等于各分力的矢量和(满足 平行四边形法则),合力作用线通过汇交点,即
FR=F1+F2+…… 又由于+FFni=xii+yij+zik
合力偶对各坐标轴得方向余弦:
cos(M,i)= Mx 0.6786 M cos(M,i)= M z 0.2811 M cos(M,i)= M z 0.6786 M
(三). 空间任意力系得简化
FacSinSin
a2 b2
例2.2 作用于手柄上的力F=100N,求①力F 对x轴的
矩 ②力F 对原点o的矩.
解:画出r , r =0.1i+0.4k
又有
z y
o
F = 100(Sin60°cos45°i+Sin60°sin45°j
-cos60°k)
x
100
2i 4
2 4
j
3k 4
0.4m
第二章 力系的简化
右手定则:

力系的等效与简化

力系的等效与简化
为 M=rBA × FA ,如图 2-6c 所示。 ′ 和力偶 M 与原来作用在 A 点的一个力 FA 等效。 于是,作用在 B 点的力 FA 读者不难发现,这一力偶的力偶矩等于原来作用在 A 点的力 FA 对 B 点之矩。 上述分析结果表明: 作用在刚体上的力可以向任意点平移, 平移后应为平移后的这一力 与一力偶所替代, 这一力偶的力偶矩等于平移前的力对平移点之矩。 这一结论称为力向一点 平移定理 (theorem of translation of a force) 。
M A ( F ) = M B ( F ) + rAB × F
7
(2-9)
图 2-8
力系对不同点的主矩关系的证明
【例 2-1】图 2-9 中所示为 F1 、F2 组成的空间力系,试求力系的主矢 FR 以及力系对 O 、
A 、 E 三点的主矩。
图 2-9
例 2-2 图
解 :令 i、j、k 为 x 、 y 、 z 方向的单位矢量,则力系中的二力可写成
2-1-1 力系的主矢和主矩
主矢:一般力系(F1,F2 ,…,Fn)中所有力的矢量和(图 2—1) ,称为力系的主矢量, 简称为主矢 (principal vecton
(2-1)
图 2-1 力系的主矢
其中 FR 为力系主矢;Fi 为力系中的各个力。式(2-1)的分量表达式为
6
图 2-6 力向一点平移定理
考察图 2-6a 所示之作用在刚体上 A 点的力 FA ,为使这一力等效地从 A 点平移至 B 点, ′ , 先在 B 点施加平行于力 FA 的一对大小相等、 方向相反、 沿同一直线作用的平衡力 F A ′′ 和 FA
′ 、 FA 如图 2-6b 所示。根据加减平衡力系原理,由 FA 、 FA ′′ 三个力组成的力系与原来作用 在 A 点的一个力 FA 等效。 ′′ 组成一力偶, 图 2-6b 中所示之作用在 A 点的力 FA 与作用在 B 点的力 FA 其力偶矩矢量

力系的简化和平衡

力系的简化和平衡
空间汇交力系可合成一合力F'R:
z MO O x F'R y
FR Fi Fi
力系中各力的矢量和称为空间力系的 主矢。主矢与简化中心的位置无关。
空间力偶系可合成为一合力偶, 其矩矢MO:
MO MO (Fi )
力系中各力对简化中心之矩矢的矢量和称为力系对简化 中心的主矩。主矩与简化中心的位置有关。
3.1.2 (空间任意)力系向一点的简化 结论: 空间力系向任一点O简化, 可得一力和一 力偶, 这个力的大小和方向等于该力系的主矢, 作用线通过简化中心O; 这个力偶的矩矢等于该 力系对简化中心的主矩。
空间任意力系向一点简化的结果可能出现四种情况: (1) F'R=0, MO≠0 ; (2) F'R ≠ 0, MO = 0 ; (3) F'R ≠ 0, MO≠0 ;
′ Fn
O Mn
3.1.2 (平面任意)力系向一点简化 平面一般力系中各力的矢量和称为平面一般力 系的主矢。主矢与简化中心的位置无关。
FR FRx + FRy Fx i Fy j
FR ( Fx ) 2 ( Fy ) 2
Fx cos( FR , i ) FR Fy cos( FR , j ) FR
A
m
B q C
FAy
FB
求得的FAx和FAy为负, 说明与图中 假设方向相反。
例: 求图示刚架的约束反力。
P
A
解: 以刚架为研究对象, 受力如图。
a
q b
Fx 0 : FAx qb 0
Fy 0 : FAy P 0
M A (F ) 0 :
1 2 M A Pa qb 0 2
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M LL = r × F ⋅ λ = r × (F1 + F2 ) ⋅ λ = r × F1 ⋅ λ + r × F2 ⋅ λ
S
Substitution of r×F2 · λ=F2d, where d is the perpendicular distance from O to the line of action of F2, yields
2.4 Moment of a Force About a Axis
力对轴之矩是一个力使一 个物体绕轴转动趋势的度量
a. Physical characteristic (l) Py is the only component that will rotate the door; (2) the door will be easier to rotate if the magnitude of Py is increased; (3) the door will be easier to open if the distance from the hinge axis to the doorknob is increased; (4) Py will cause the door to rotate in the direction as shown.
in vector form: mx(P+Q)= 28 i Nm
Sample problem 2.4 Determine the magnitude of the force F given that its moment about an axis directed from point B toward point C is 137.3 lb·ft. Solution:
R = R + R = 27.5
2 x 2 y
θ = tg
−1
Ry Rx
= 24.4°
Method 2 Vector
2.3 Moment of a Force About a Point
1.Definition The moment of a force F about a point O, called the moment center, is defined as A vector Mo= r×F where: r is the vector from the point O to any point on the line of action of F. Unit: N ⋅m. The magnitude of Mo is
vector calculation:
M
c. Characteristics: (1)a couple has no resultant force; (2)moment of a couple is the same about every point; (3)two couples that have the same moment are said to be equivalent.
4 3 F = −( )200i + ( )200 j 5 5 = −160i + 120 j Ib
2.Scalar solution: component of F at point B in vector form:
3. Scalar solution: component of F at point C
b.Definition The moment of F about the axis LL is the rectangular component of MO along the axis LL, where O is any point on LL. Letting λ be a unit vector parallel to LL, this definition gives
MLL=MO cosα
L
where α is the angle between MO and λ.
M LL = M O ⋅λ = r × F ⋅λ
具体计算时可利用:
(a) Principle of moment The moment of a force about a given axis is equal to the sum of the moments of its components about that axis. (b) Geometric interpretation
The equivalent scalar equations are:
Rx = ∑ Fx R y = ∑ Fy Rz = ∑ Fz
If the original forces lie in xy-plain, then ∑Fz=0, thus:
Rx = ∑ Fx R y = ∑ Fy
Example 2-1 Determine the resultant force for the forces shown in Fig.. Solution: Method 1 Scalar
3.Resultant force----the vector sum of all forces acting on the body. The line of action of R must pass through original point of concurrency, “O”.
R = ∑ F = F1 + F2 + F3
Therefore, if the moment of a force about an axis is to correctly describe the tendency of the force to rotate a body about that axis, we anticipate that its definition will include the following physical characteristics. 1. A force that is parallel to an axis has no moment about that axis. 2. A force that intersects an axis has no moment about that axis. 3. The moment of a force about a given axis depends on the magnitude of the force component that is perpendicular to the axis and on the distance of this component from the axis. 4. The direction of the moment of the force represents the direction of the rotational tendency of the force.
Chapter 2 Resultants of force systems
2.1 Introduction 2.2 Reduction of Concurrent Force Systems 1.Definition:各力作用线汇交于一点的力系---concurrent forces . 2.Reduction----replacing a system of concurrent forces with a single equivalent force.
M O = i (ry Fz − rz Fy ) − j(rx Fz − rz Fx ) + k (rx Fy − ry Fx )
Sample Problem 2.2 Determine the moment of the force F in Fig. about point A. 1.vector solution Writing vector F as following
3.Rectangular components Writing r and F in scalar form: r=rxi+ryj+rzk F=Fxi+Fyj+Fzk
i M O = r × F = rx Fx j ry Fy k rz Fz

Expanding the determinant gives
For MLL=Mo·λ ∴ Mx=Mo·i; My=Mo·j; ∴ Mo= Mxi+ Myj+ Mzk Mz=Mo·k
Sample problem 2.3
Solution: From principle of moments:
mx(P) = mx(Pz)+mx(Px) = 0.4×120=48 Nm + mx(Q) = -0.4 × 50 = -20 Nm ∴ + mx(P+Q) = 48-20 = 28 Nm +
3. Moving the couple to a parallel position in its plane
4. Moving the couple to a parallel plane
以上四种变化均不会改变力偶对物体的作用效果
因此, 对图(a)原力偶的表示可简化为(b)or(c).
A couple is a free vector. d. The addition and resolution of couples
MLL=F2d
C. Rectangular components Writing r and F in rectangular representations: r=rxi+ryj+rzk F= Fxi+Fyj+Fzk rx ry rz M LL = r × F ⋅ λ = Fx Fy Fz λx λ y λz
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