工程力学-3平面力系的平衡问题
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工程力学3—力系的平衡条件和平衡方程
Fyi 0 M O ( Fi ) 0 Fxi 0
即：平面任意力系平衡的解析条件是：力系中所有各 力在其作用面内两个任选的坐标轴上投影的代数和分 别等于零，所有各力对任一点之矩的代数和等于零。 上式称为平面任意力系的平衡方程。
例1 求图示刚架的约束反力。
解：以刚架为研究对象，受力如图。
2 平面力偶系的平衡条件
所谓力偶系的平衡，就是合力偶的矩等于零。因此， 平面力偶系平衡的必要和充分条件是：所有各力偶矩 的代数和等于零，即 n
M
i 1
i
0
思考： 从力偶理论知道，一
M
O R
力不能与力偶平衡。图示轮 子上的力 P 为什么能与 M 平 衡呢？
P
[例3] 在一钻床上水平放置工件,在工件上同时钻四个等直径 的孔,每个钻头的力偶矩为 m1 m2 m3 m4 15Nm ,求工件的 总切削力偶矩和A 、B端水平反力?
解: 各力偶的合力偶矩为
M m1 m2 m3 m4 4( 15) 60Nm
由力偶只能与力偶平衡的性质， 力NA与力NB组成一力偶。
根据平面力偶系平衡方程有: N B 0.2 m1 m2 m3 m4 0
N B
60 300N 0.2
N A N B 300 N
解： ①选碾子为研究对象
②取分离体画受力图 ∵当碾子刚离地面时NA=0,拉力F最大,
这时拉力F和自重及支反力NB构成一平衡力系。
由平衡的几何条件，力多边形封闭，故
F Ptg
NB P cos
r 2 (r h) 2 0.577 又由几何关系： tg r h
所以
F=11.5kN , NB=23.1kN
工程力学力系平衡
D
FC
l
A B
l
FP
D
第 三 种 情 形
l
C FA A l FCy l B l FP D
FCx
C
FA A
l
B
l
FP
D
第 三 种 情 形
FCy
FCx C
E
MA ( F ) = 0 : FCx l -FP 2l = 0 MC ( F ) = 0 : -FA l - FP 2l = 0 ME ( F ) = 0 : -FCy 2l -FA l = 0
A
F ＝0
x
l －FQ －FW x FTB lsin＝0 2 l FP x＋FQ 2 ＝ 2 FW x F FTB＝ Q lsin l
F ＝0
y
FAx FTB cos＝0 FQ 2 FW x FQl FW FAx＝ x cos30 ＝ 3 l 2 l FAy－FQ－FP＋FTB sin＝0
例题
均质方板由六根杆支 撑于水平位臵，直杆 两端各用球铰链与扳 和地面连接。板重为 P，在A 处作用一水 平 力 F ， 且 F=2P ， 不计杆重。求各杆的 内力。
简单的刚体系统平衡问题
前面实际上已经遇到过一些简单刚体系统 的问题，只不过由于其约束与受力都比较简单， 比较容易分析和处理。 分析刚体系统平衡问题的基本原则与处理 单个刚体的平衡问题是一致的，但有其特点， 其中很重要的是要正确判断刚体系统的静定性 质，并选择合适的研究对象
平衡方程
根据平衡的充要条件
F1 M1 O
z
F2
M2
y Mn
FR ＝0 ， MO＝0
工程力学教学课件 第3章 平面任意力系
A
MA
FAx
A
简 化
2021/7/22
FAy
11
一、简化结果分析
3.2
平
面 任
F1
A1
F2
O A n A2
M O FR'
O
意
Fn
力
系 的 简 化
1 . F R ' 0 ,M o 0
2 . F R ' 0 ,M O 0
结 果
3 . F R ' 0 ,M O 0 4 . F R ' 0 ,M O 0
的 简 化
此时主矩与简化中心的位置无关。
3、主矢不等于零，主矩等于零 (F R ' 0 ,M O 0 )
结 果
此时平面力系简化为一合力，作用在简化
中心，其大小和方向等于原力系的主矢，即
FRF
2021/7/22
13
一、简化结果分析
3.2 4、主矢和主矩均不等于零 (F R ' 0 ,M O 0 )
平
此时还可进一步简化为一合力。
面
任
FR'
FR'
FR
FR
意 力
O M O O
O
d
O
O
O
d
系 的 简 化
FR'' M O m O ( F R ) F R d F R 'd 于是
d M
F
由主矩的定义知：M O m O (F i)
O ' R
结 所以：
m O (F R ) m O (F i)
果 结论：平面任意力系的合力对作用面内任一点之矩
杆所受的力。
A
45
简述平面力系平衡问题的求解步骤
平面力系平衡问题是工程力学中的一个重要内容，它主要研究平面内各点的受力情况，以及力的平衡条件。
在工程实践中，平面力系平衡问题的求解能够帮助工程师更好地设计和分析结构，保证其稳定性和安全性。
本文将围绕平面力系平衡问题的求解步骤展开，以便读者能够全面理解这一主题。
一、确定力的作用点和作用线在解决平面力系平衡问题时，首先需要确定力的作用点和作用线。
力的作用点是指力作用的具体位置，而作用线则是指力的作用线路。
这些确定下来之后，我们才能准确地分析和计算受力物体的平衡情况。
二、绘制受力图绘制受力图是解决平面力系平衡问题的重要步骤之一。
通过绘制受力图，可以清晰地展示各个受力物体的受力情况，包括作用力的大小、方向和作用线的位置。
这为后续的计算和分析提供了重要的基础。
三、应用平衡条件在确定了力的作用点和作用线、绘制了受力图之后，接下来需要应用力的平衡条件进行求解。
根据力的平衡条件，当一个物体处于静止或匀速直线运动时，它受到的合力和合力矩均为零。
可以通过平衡条件，求解出未知力的大小和方向，以及受力物体的平衡状态。
四、检验平衡条件在使用平衡条件求解出未知力后，需要进行检验以确保计算的准确性。
通过检验，可以验证所得结果是否符合平衡条件，以及受力物体的真实情况。
如果计算结果不符合平衡条件，需要重新检查和修正。
以上就是简要的平面力系平衡问题的求解步骤，读者可以通过以上步骤全面了解平面力系平衡问题的求解过程。
在工程实践中，我们经常会遇到各种复杂的受力情况，因此掌握平面力系平衡问题的求解方法对于工程师而言至关重要。
通过不断的练习和学习，我们可以更加灵活和准确地应用这些方法，为工程实践提供有力的支持。
平面力系平衡问题是工程力学中的一个重要内容，它主要研究平面内各点的受力情况，以及力的平衡条件。
在工程实践中，平面力系平衡问题的求解能够帮助工程师更好地设计和分析结构，保证其稳定性和安全性。
本文将围绕平面力系平衡问题的求解步骤展开，以便读者能够全面理解这一主题。
工程力学-平面任意力系平衡方程
大小与简化中心的选择无关。
4）FR=0 Ｍ0=0 力系处于平衡状态。
例3-1 图示物体平面A、B、C三点构成一等边三角形，三点分别作
用F力，试简化该力系。
解：1.求力系的主矢
F x F F cos60o F cos60o 0
Fy 0 F sin 60o F sin 60o 0
y
C
F M0 F
上作用F力，集中力偶M0=Fa，=45°，试求杆件AB的约束力。
A
M0=Fa
C
B
F
解：1.取AB杆为研究对象画受力图
2.列平衡方程求约束力
Da a
FAx
A
M0=Fa
C
FAy FC
B F
aa
M A (F ) 0 : FC sin 45 a F 2a M 0 0
FC
2Fa a
Fa 2/2
MC (F) 0:
FAx
2
3a 3
F
a
M0
0
FAy 0 FAx 3F
C aa
一 矩
MA(F) 0: Fx 0 :
二 矩
MA(F) 0: MB(F) 0:
三 矩
MA(F) 0: MB(F) 0:
2 3a
式 Fy 0 :
式 Fx 0 :
式 M C (F8) 0 :
3
本课节小结
A F
B x
FR ( Fx )2 ( Fy )2 0
2.选A点为简化中心，求力系的主矩
M0
M A (F)
F
sin 60
AB
F
AB 2
简化结果表明该力系是一平面力偶系。
4
二、平面任意力系的平衡方程
4）FR=0 Ｍ0=0 力系处于平衡状态。
例3-1 图示物体平面A、B、C三点构成一等边三角形，三点分别作
用F力，试简化该力系。
解：1.求力系的主矢
F x F F cos60o F cos60o 0
Fy 0 F sin 60o F sin 60o 0
y
C
F M0 F
上作用F力，集中力偶M0=Fa，=45°，试求杆件AB的约束力。
A
M0=Fa
C
B
F
解：1.取AB杆为研究对象画受力图
2.列平衡方程求约束力
Da a
FAx
A
M0=Fa
C
FAy FC
B F
aa
M A (F ) 0 : FC sin 45 a F 2a M 0 0
FC
2Fa a
Fa 2/2
MC (F) 0:
FAx
2
3a 3
F
a
M0
0
FAy 0 FAx 3F
C aa
一 矩
MA(F) 0: Fx 0 :
二 矩
MA(F) 0: MB(F) 0:
三 矩
MA(F) 0: MB(F) 0:
2 3a
式 Fy 0 :
式 Fx 0 :
式 M C (F8) 0 :
3
本课节小结
A F
B x
FR ( Fx )2 ( Fy )2 0
2.选A点为简化中心，求力系的主矩
M0
M A (F)
F
sin 60
AB
F
AB 2
简化结果表明该力系是一平面力偶系。
4
二、平面任意力系的平衡方程
工程力学第三章-力系的平衡
将上式两边向x、y、z 轴投影，可得平衡方程
F F F
可以求解3个未知量。
x y
z
0 0 0
• 2.平面汇交力系
力系的平衡
• 力偶系的平衡方程 • 1.空间力偶系
平衡的充要条件（几何条件） M Mi 0 将上式两边向x、y、z 轴投影，可得平衡方程
M M M
可以求解3个未知量。
ix iy iz
0 0 0
• 2.平面力偶系
力系的平衡
• 平衡的充要条件:力偶系中各力偶矩的代数和等于零.
m 0
i
• 任意力系的平衡方程 空间任意力系： • 平衡的充要条件:力系的主矢和对任一点的主矩均为零。
FR 0
MO 0
G3 a
e
G 3(a b) FNAb G1e G 2L 0 G 3(a b) G1e G 2L FNA 2 b
由(1)、(2)式 得：
G1 G2 L
G1e G 2L G3 ab
3
A FN A b
B FN B
(2)空载时
不翻倒条件：FNB≥0 (4) 由 mA 0 得：
FAB = 45 kN
600
y B TBC 15 15 30 TBD
0 0 0
x
C
D
150
B
300
TBD=G E
A
E
FAB G
解题技巧及说明：
1、一般地，对于只受三个力作用的物体，且角度特殊时用 几 何法（解力三角形）比较简便。 2、一般对于受多个力作用的物体，且角度不特殊或特殊， 都用解析法。 3、投影轴常选择与未知力垂直，最好使每个方程中只有一 个未知数。
工程力学第三章静力平衡问题
6
平面一般力系平衡方程还可表达为下列二种形式：
M
Fx A(F )
0
0
M B (F ) 0
M M
A B
(F (F
) )
0 0
MC (F ) 0
二力矩式
三力矩式
（AB不垂直于x轴) (A、B、C三点不共线)
注意：平衡方程中，投影轴和矩心可任意选取，可 写出无数个平衡方程。但只要满足了其中一组，其 余方程均应自动满足，故独立平衡方程只有三个。
矩心取在二未知力交点A 解处：，1力）矩画方整程体中受只力有图一。个未 知量F注C，意可B直C为接二求力解杆。。 2）取坐标，列平衡方程。
Fx=FAx-FCcos30=0
Fy=FAy+FCsin30-F-Fq=0
MA(F)=FCL/2-1.5F-FqL/2=0
FC
y
C
Fq=2q=1 kN
FAy
x
FAx 30
26
讨论：判断下述分析的正误。
FACy FAy
FACx
2a
M
3a
P
F
aA
MA
FAyFAx
FAx
B
B FABy
FABx
C
CP
A
FAx FAy
P
A
FFABAyy
A
FFAABxxFFAACyy
FACxx
FAx =F ; FAy =P ;
MA = M ？
MA = M+Fa-2Pa
固定铰的约束力作用于销钉上。 多杆用同一销钉连接，讨论某杆时， 须考虑各杆与销钉间作用的不同。
5
平面力系的平衡条件
平面一般力系处于平衡，充分和必要条件为力系
平面一般力系平衡方程还可表达为下列二种形式：
M
Fx A(F )
0
0
M B (F ) 0
M M
A B
(F (F
) )
0 0
MC (F ) 0
二力矩式
三力矩式
（AB不垂直于x轴) (A、B、C三点不共线)
注意：平衡方程中，投影轴和矩心可任意选取，可 写出无数个平衡方程。但只要满足了其中一组，其 余方程均应自动满足，故独立平衡方程只有三个。
矩心取在二未知力交点A 解处：，1力）矩画方整程体中受只力有图一。个未 知量F注C，意可B直C为接二求力解杆。。 2）取坐标，列平衡方程。
Fx=FAx-FCcos30=0
Fy=FAy+FCsin30-F-Fq=0
MA(F)=FCL/2-1.5F-FqL/2=0
FC
y
C
Fq=2q=1 kN
FAy
x
FAx 30
26
讨论：判断下述分析的正误。
FACy FAy
FACx
2a
M
3a
P
F
aA
MA
FAyFAx
FAx
B
B FABy
FABx
C
CP
A
FAx FAy
P
A
FFABAyy
A
FFAABxxFFAACyy
FACxx
FAx =F ; FAy =P ;
MA = M ？
MA = M+Fa-2Pa
固定铰的约束力作用于销钉上。 多杆用同一销钉连接，讨论某杆时， 须考虑各杆与销钉间作用的不同。
5
平面力系的平衡条件
平面一般力系处于平衡，充分和必要条件为力系
工程力学 第3章 力系的平衡
6
解 ：1. 受力分析, 确定平衡对象 圆弧杆两端 A 、 B 均为铰链，中间无外力作用，因此圆弧杆为二力杆。 A 、 B 二处的 约束力 FA 和 FB 大小相等、 方向相反并且作用线与 AB 连线重合。 其受力图如图 3－6b 所示。 若 以圆弧杆作为平衡对象，不能确定未知力的数值。所以，只能以折杆 BCD 作为平衡对象。 ' 折杆 BCD ， 在 B 处的约束力 FB 与圆弧杆上 B 处的约束力 FB 互为作用与反作用力， 故 二者方向相反； C 处为固定铰支座，本有一个方向待定的约束力，但由于作用在折杆上的 ' 只有一个外加力偶，因此，为保持折杆平衡，约束力 FC 和 FB 必须组成一力偶，与外加力 偶平衡。于是折杆的受力如图 3－6c 所示。 2．应用平衡方程确定约束力 根据平面力偶系平衡方程（3－10） ，对于折杆有 M + M BC = 0 （a） 其中 M BC 为力偶（ FB , FC ）的力偶矩代数值
图 3－8 例 3－3 图
解 ：1. 选择平衡对象 本例中只有平面刚架 ABCD 一个刚体（折杆） ，因而是唯一的平衡对象。 2 受力分析 刚架 A 处为固定端约束， 又因为是平面受力， 故有 3 个同处于刚架平面内的约束力 FAx、 FAy 和 MA 。 刚架的隔离体受力图如图 3－8b 所示。 其中作用在 CD 部分的均布荷载已简化为一集中 力 ql 作用在 CD 杆的中点。 3. 建立平衡方程求解未
习 题
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2
第 3 章 力系的平衡
§３－１ 平衡与平衡条件
３－１－１ 平衡的概念
物体静止或作等速直线运动，这种状态称为平衡。平衡是运动的一种特殊情形。
平衡是相对于确定的参考系而言的。例如，地球上平衡的物体是相对于地球上固定参 考系的， 相对于太阳系的参考系则是不平衡的。 本章所讨论的平衡问题都是以地球作为固定 参考系的。 工程静力学所讨论的平衡问题，可以是单个刚体，也可能是由若干个刚体组成的系统， 这种系统称为刚体系统。 刚体或刚体系统的平衡与否，取决于作用在其上的力系。
工程力学第3章
1第三章力系的平衡§3–1 平面力系的平衡方程§3–2 空间力系的平衡方程§3–3 物体系统的平衡方程§3–4 静定与静不定的基本概念§3-1 平面力系的平衡方程由于=0 为力平衡M O =0 为力偶也平衡所以平面任意力系平衡的充要条件为：力系的主矢F R 和主矩M O 都等于零，即：)()(22=+=∑∑Y X F R 0)(==∑i O O F m M 1、平面任意力系的平衡方程R F=∑X 0)(=∑i A F m 0)(=∑i B F m ②二矩式条件：x 轴不AB连线⊥0)(=∑i A F m 0)(=∑i B F m 0)(=∑i C F m ③三矩式条件：A ,B ,C 不在同一直线上上式有三个独立方程，只能求出三个未知数。
=∑X 0=∑Y 0)(=∑i O F m ①一矩式①平面汇交力系=∑xF 0=∑yF2、平面特殊力系的平衡方程②平面力偶系=∑M ③平面平行力系=∑y F 0)(=∑F M O 0)(=∑F MB0)(=∑F M A AB 不x 轴⊥[例] 已知：P , a , 求：A 、B 两点的支座反力？解：①选AB 梁研究②画受力图（以后注明解除约束，可把支反力直接画在整体结构的原图上）)(=∑i A F m 由32 ,032PN a N a P B B =∴=⋅+⋅-0=∑X 0=A X 0=∑Y 3,0PY P N Y A B B =∴=-+解除约束,0==∑A X X 由022;0)(=⋅-+⋅⋅+⋅=∑a P m aa q a R F m B A 0=∑Y 0=--+∴P qa R Y B A )kN (122028.01628.02022=⨯+-⨯-=+--=P a m qa R B )kN (24128.02020=-⨯+=-+=B A R qa P Y [例] 已知：P =20kN, m =16kN·m, q =20kN/m, a =0.8m求：A 、B 的支反力。
XXX《2021年工程力学平面力系的平衡》形考作业(一)参考答案
XXX《2021年工程力学平面力系的平衡》形考作业(一)参考答案形考作业1平面力系的平衡1、平面任意力系向一点简化的一般结果是（）。
A.一个力B.一个力偶C.一个力和一个力偶D.一个力或一个力偶正确答案：C2、平面任意力系平衡的必要和充分条件也可以用三力矩式平衡方程∑MA(F)=0,∑MB(F)=0,∑MC(F)=0表示，欲使这组方程是平面任意力系的平衡奈件，其附加条件为()。
A.投影轴z轴不垂直于A、B或B、C连线B.投影轴y轴不垂直于A、B或B、C连线C.投影轴z轴垂直于y轴D.A、B、C三点不在同一直线上。
正确答案：D3、共点力可合成一个力，一个力也可分解为两个相交的力。
一个力分解为两个相交的力可以有()解。
A.1个B.2个1C.几个D.无限多个正确答案：D4、若某刚体在平面任意力系作用下处于平衡，则此力系中各分力对刚体()之矩的代数和必为零。
A.特定点B.重心C.任意点D.坐标原点正确答案：C5、使用平面汇交力系的均衡前提，最多能求解()未知量。
A.1个B.2个C.3个D.无数个正确谜底：B6、一个平面任意力系只能列出一组三个独立的均衡方程，解出三个未知数。
A.正确2B.错误正确答案：B7、在求解平面任意力系的平衡问题时，所用的力矩方程的矩心一定要取在两投影轴的交点处。
A.正确B.错误正确谜底：B8、用剖析法求平面汇交力系的合力时，若选用分歧的直角坐标系，则所求得的合力分歧。
A.正确B.错误正确答案：B9、平面汇交力系平衡时，力多边形各力应首尾相接，但在作图时力的顺序可以不同。
A.正确B.错误正确答案：A10、无论平面汇交力系所含汇交力的数目是多少，都可用力多边3形法则求其合力。
A.正确B.错误正确答案：A11、平面力偶系合成的结果为一合力偶，合力偶矩与各分力偶矩的代数和相等。
A.正确B.错误正确答案：A12、一力作平行移动后，新点上的附加力偶一定()。
A.存在且与平移距离无关B.存在且与平移间隔有关C.不存在D.无法计算正确答案：B13、力偶对坐标轴上的任意点取矩为()。
工程力学 第2版 第3章 平面力系的平衡方程及其应用
3.2 物系的平衡问题
物体系统:由若干个物体通过约束联系所组成的系统，简称为 物系。
系统平衡：当整个系统平衡时，组成该系统的每个物体也都 平衡。因此研究这类问题时，既可以取系统中的某一个物体为 分离体，也可以取几个物体的组合或者取整个系统为分离体。
1 静定和超静定问题
独立方程数目≥未知数数目时，是静定问题（可求解） 独立方程数目<未知数数目时，是静不定问题（超静定问题）
注意：不能漏画固定端的约束反力偶MA，力偶只参与力矩方程，将力偶矩的大小直接代入方程， 而不参与投影方程。
在需同的样不求建要的平的一的立指矩衡，样结平定心方求，果矩位程解但是衡心置是过最一方，列不程终样程不出一也所，时，的在们的不正结这 要 选 同 确果个 意 择 ， 的就过 识 所 但 道是程 到 经 只 路正中 ， 历 要 ，确同 不 的 选 最的学 同 就 择 后。
Fx 0
Fy
0
➢ 平面平行力系的平衡方程
Fx 0( Fy 0)
M0(F) 方程组，皆可解与其平衡方程数对 应的未知数。应用力系平衡方程可以确定工程中构件在平衡时 的未知力。
2 平面力系平衡方程的应用
步骤
1）确定研究对象，画受力图 2）建立直角坐标系，确定各力与坐标轴的夹角 3）确定该平面力系的种类，列出相应的平衡方程求解未知力。
第3章 平面力系的平衡方程及其应用
平面力系的平衡方程及其应用
单个物体的平衡问题 物系的平衡问题
考虑摩擦时物体的 平衡问题
3.1 单个物体的平衡问题 1 平面力系的平衡条件
平面力系平衡的充要条件是：合力为零
➢ 平面一般力系的平衡方程 ➢ 平面汇交力系的平衡方程
Fx 0 Fy 0
M O (F ) 0
工程力学03章静力学平衡问题
FP
l
l
FP
l
l
M
q
M
q
2l l
2l l
A
FAx A MA
解：1.选择研究对象。
FAy
2 受力分析,画出受力图如图所示。
8
2l l
FP
l
l
M
FAx
A MA
FAy
3. 建立平衡方程求解未知力 应用平衡方程
Fx = 0, FAx ql 0
q Fy = 0, FAy FP 0
MA= 0，
B
C
M1
A 60o
M2
60o D
20
解: 取杆AB为研究对象画受力图。
杆AB只受力偶的作用而平衡且C处为光滑面约束，则A 处约束反力的方位可定。
B
B FA = FC = F,
M1
A 60o
C
C AC = a
FC
Mi = 0
M2 M1
60o D A
FA
a F - M1 = 0
M1 = a F (1)
的各坐标轴上投影的代数和及所有力对
各轴之矩的代数和均等于零
Fx 0 Fy 0 Fz 0
M M
x y
(F ) (F )
0 0
M
z
(F
)
0
26
§3-3 简单的刚体系统平衡问题
一、刚体系统静定与静不定的概念
1、静定问题：一个静力平衡问题，如果系统中未知量 的数目正好等于独立的平衡方程数，单用平衡方程就 能解出全部未知量。
y
4. 联立求解，得
FAB 54.5KN FBC 74.5KN
工程力学3-力系的平衡条件和平衡方程
平衡方程的推导
根据力的平衡条件，可以列出平衡方程。对于一个物体，在X轴和Y轴上的力可以表示为F1、F2、F3、F4等，根 据平衡条件，可以列出两个平衡方程：F1X+F2X+F3X+F4X=0和F1Y+F2Y+F3Y+F4Y=0。
平衡方程的分类
平面力系的平衡方程
对于平面力系，可以列出三个平衡方程，分别表示X轴、Y轴 和Z轴上的力的平衡。
• 总结词：平面力系的平衡方程是用来求解未知力的数学工具，一般形式为 ∑X=0和∑Y=0。
• 详细描述：平面力系的平衡方程是根据平衡条件建立的数学方程，一般形式为 ∑X=0和∑Y=0，其中X和Y表示力在两个相互垂直的方向上的投影。通过解平衡 方程，可以求出未知力的值。
空间力系的平衡条件和平衡方程
• 总结词：空间力系中，力的合成与分解遵循平行六面体法则，平衡条件是力系 中所有力在三个相互垂直的方向上的投影之和为零。
• 详细描述：在空间力系中，力的合成与分解遵循平行六面体法则，即一个力可 以分解为三个相互垂直的分力。平衡条件是指力系中所有力在三个相互垂直的 方向上的投影之和为零，即合力矩为零。满足平衡条件的力系不会产生相对运 动或相对运动趋势。
• 总结词：空间力系的平衡方程是用来求解未知力的数学工具，一般形式为 ∑X=0、∑Y=0和∑Z=0。
跨学科融合
力系的平衡条件和平衡方程将与其它学科进行更紧密的融合，如计算机科学、人工智能 等，为解决复杂问题提供更高效的方法。
实际应用
力系的平衡条件和平衡方程在实际应用中将更加注重与工程实践的结合，提高解决实际 问题的效率。
力系平衡条件和平衡方程的实际应用
工程设计
在工程设计中，力系的平衡条件和平衡方程被广泛应用于结构分析 和优化设计，以确保结构的稳定性和安全性。
根据力的平衡条件，可以列出平衡方程。对于一个物体，在X轴和Y轴上的力可以表示为F1、F2、F3、F4等，根 据平衡条件，可以列出两个平衡方程：F1X+F2X+F3X+F4X=0和F1Y+F2Y+F3Y+F4Y=0。
平衡方程的分类
平面力系的平衡方程
对于平面力系，可以列出三个平衡方程，分别表示X轴、Y轴 和Z轴上的力的平衡。
• 总结词：平面力系的平衡方程是用来求解未知力的数学工具，一般形式为 ∑X=0和∑Y=0。
• 详细描述：平面力系的平衡方程是根据平衡条件建立的数学方程，一般形式为 ∑X=0和∑Y=0，其中X和Y表示力在两个相互垂直的方向上的投影。通过解平衡 方程，可以求出未知力的值。
空间力系的平衡条件和平衡方程
• 总结词：空间力系中，力的合成与分解遵循平行六面体法则，平衡条件是力系 中所有力在三个相互垂直的方向上的投影之和为零。
• 详细描述：在空间力系中，力的合成与分解遵循平行六面体法则，即一个力可 以分解为三个相互垂直的分力。平衡条件是指力系中所有力在三个相互垂直的 方向上的投影之和为零，即合力矩为零。满足平衡条件的力系不会产生相对运 动或相对运动趋势。
• 总结词：空间力系的平衡方程是用来求解未知力的数学工具，一般形式为 ∑X=0、∑Y=0和∑Z=0。
跨学科融合
力系的平衡条件和平衡方程将与其它学科进行更紧密的融合，如计算机科学、人工智能 等，为解决复杂问题提供更高效的方法。
实际应用
力系的平衡条件和平衡方程在实际应用中将更加注重与工程实践的结合，提高解决实际 问题的效率。
力系平衡条件和平衡方程的实际应用
工程设计
在工程设计中，力系的平衡条件和平衡方程被广泛应用于结构分析 和优化设计，以确保结构的稳定性和安全性。
工程力学03-工程构件的静力学平衡问题
相应的结构——超静定结构
《工程力学》
Bengbu college . The Department of Mechanical and Electronical Engineering .w.p_chen
3.2 简单的刚体系统问题
3.2.1 刚体系统静定与超静定的概念
MO O1
B F
A
A
B
C
D
O2
3.1 平面力系的平衡条件与平衡方程
3.1.1 平面一般力系的平衡条件与平衡方程 当力系的主矢和对任一点的主矩同时为零时， 力系既不能使物体发生移动，也不能使物体发生转 动——物体处于平衡状态 1）力系的平衡条件 力系平衡的充分与必要条件是： 力系的主矢和对任一点的主矩同时等于零。 即：
FR = SFi = 0
该式使用条件：A、B、C三点不能在同一条直线上
《工程力学》
Bengbu college . The Department of Mechanical and Electronical Engineering .w.p_chen
应用举例 例3-5 图示结构，A、C、D三处均为铰链约束。横 梁AB的B端受一集中力F。尺寸如图，若F、l为 已知，求：撑杆CD的受力和A处的约束力 l l 2 F 2 解： 取AB研究对象,画受力图 A B C 建立坐标系，列平衡方程(三矩式） 45° SMA (F) = 0 l - F×l + FRC× 2 sin45°= 0 D l y l 2 F SMC (F) = 0 2 FAy A l l Bx – F× 2 –FAy× 2 = 0 FAx C 45° FRC SMD (F) = 0 l –F×l –FAx× 2 = 0 D # 解得：FAx= – 2F FAy= –F FRC= – 2 2 F
《工程力学》项目3 力系的平衡
• 求解空间力系作用下的平衡问题，其步骤与求解平面力系的平衡问题 一样：首先选取研究对象，进行受力分析，画受力图；其次建立合适 的坐标系，根据力系的特点选择对应的方程组，列方程，求出未知量 。需要指出的是，要根据力系的特点建立坐标系，尽可能地使方程中 的未知量最少，以方便计算，另外根据实际问题的需要，方程组中的 方程可以不必都列出，只要求出所有未知量即可。
项目三 力系的平衡
• 【项目目标】 • 【知识目标】：
• 1．掌握平面力系的平衡方程及应用。 • 2．掌握空间力系的平衡平衡方程及应用。 • 3．理解摩擦的概念及应用。 • 4．了解摩擦角、自锁的概念。
• 【能力目标】：
• 1．能进行平面平衡力系分析计算。 • 2．能进行空间平衡力系的计算。 • 3．能正确区分摩擦的类型。
3.1 平面汇交力系的平衡方程及应用
平衡力系是工程实际中较为常见的一种力系。许多结构和构件都处于 平衡状态，例如，建筑物、桥梁、机器构架等处于静力平衡状态；以 一定速度运转的转轴则处于动平衡。本章只研究在力系作用下的平衡 方程及其应用。
3.1.1平面汇交力系平衡的几何条件
由项目2的讨论可知，平面汇交力系的简化结果是一个合力。当这一 合力等于零时，刚体处于平衡状态，所以平面汇交力系平衡的充分必 要条件是：该力系的合力等于零。即
• 【解】（1）此题要求解的未知量共有六个，最少需要选择两个研究 对象。
• 【提示】【例 3-6】中的均布荷载作用在梁的两跨上，当梁拆开时， 荷载也被分成两部分，当取其中的一部分为研究对象时，就只考虑作 用在其上的均布荷载，而不能考虑整个均布荷载。
• 【提示】通过前面的学习，可总结出应用平衡方程求解问题的步骤： • （1）确定研究对象，且画出其隔离体。 • （2）对研究对象受力分析并画受力图。 • （3）根据力系的类型及特点确定坐标系及矩心位置。坐标轴最好与
项目三 力系的平衡
• 【项目目标】 • 【知识目标】：
• 1．掌握平面力系的平衡方程及应用。 • 2．掌握空间力系的平衡平衡方程及应用。 • 3．理解摩擦的概念及应用。 • 4．了解摩擦角、自锁的概念。
• 【能力目标】：
• 1．能进行平面平衡力系分析计算。 • 2．能进行空间平衡力系的计算。 • 3．能正确区分摩擦的类型。
3.1 平面汇交力系的平衡方程及应用
平衡力系是工程实际中较为常见的一种力系。许多结构和构件都处于 平衡状态，例如，建筑物、桥梁、机器构架等处于静力平衡状态；以 一定速度运转的转轴则处于动平衡。本章只研究在力系作用下的平衡 方程及其应用。
3.1.1平面汇交力系平衡的几何条件
由项目2的讨论可知，平面汇交力系的简化结果是一个合力。当这一 合力等于零时，刚体处于平衡状态，所以平面汇交力系平衡的充分必 要条件是：该力系的合力等于零。即
• 【解】（1）此题要求解的未知量共有六个，最少需要选择两个研究 对象。
• 【提示】【例 3-6】中的均布荷载作用在梁的两跨上，当梁拆开时， 荷载也被分成两部分，当取其中的一部分为研究对象时，就只考虑作 用在其上的均布荷载，而不能考虑整个均布荷载。
• 【提示】通过前面的学习，可总结出应用平衡方程求解问题的步骤： • （1）确定研究对象，且画出其隔离体。 • （2）对研究对象受力分析并画受力图。 • （3）根据力系的类型及特点确定坐标系及矩心位置。坐标轴最好与
工程力学 第三章 平面任意力系
M O FR d
合力矩定理：
M o ( FR ) M O M O ( Fi )
3.1.5 平面任意力系的简化结果分析 ⑶平衡的情形
FR 0 M O 0
平衡
与简化中心的位置无关
例3-1 已知作用在梁AB上的 两力a=3m，求合力大小及作 用线位置。 解：
⑴大小： FR=30KN ⑵方向： 铅垂向下 ⑶作用线位置： A
Fy 0 F1 sin F2 sin F3 sin 0
平面平行力系的方程为两个，有两种形式：
Fy 0 M A 0
各力不得与投影轴垂直
M A 0 M B 0
两点连线不得与各力平行
例3-10已知： P 700kN, P2 200kN, AB=4m； 1
3.2.1 平面任意力系的平衡条件 平面任意力系平衡的充要条件是：
力系的主矢和对任意点的主矩都等于零
FR 0 M O 0
3.2.2 平面任意力系的平衡方程
FR ( Fx ) ( Fy )
2
2
M O M O ( Fi )
Fx 0 Fy 0 M O 0
d.方程要标准
例3-4 已知： AC=CB= l，P=10kN;求：铰链A和DC杆 受力。
解：取AB梁，画受力图.
Fx 0 FAx FC cos 45 0 Fy 0 FAy FC sin 45 P 0 M A 0 FC cos 45 l P 2l 0 解得： FC 28.28kN, FAx 20kN, FAy 10kN
例 3-5 已知： 1 4kN, P2 10kN, 尺寸如图； P 求：BC杆受力及铰链A受力。
平面一般力系的平衡条件与平衡方程
解得：
y MA
q
P
a
FAx A
l
Bx
FAy
(b)
6
三、平面平行力系的平衡方程
平面平行力系:各力的作用线在同一平面内且相互平行的力系
平面平行力系的平衡方程为： 一矩式
y
O
F2
F1
F3
Fn x
二矩式
（由平面一般力系的平衡方程，
其中投影方程
为恒等
式而自然满足，亦可得到平面平行 条件：AB 连线不能平行
力系平衡方程。）
工程力学
平面一般力系的平衡条件与平衡方程
一、平衡的必要与充分条件
由于 F'R=0 作用于简化中心的合力FRO=0，则汇交力系平衡； 由MO=0 则力偶矩MO=0 ，因此附加力偶系也平衡。 所以平面一般力系和主矩 MO 都等于零，即： （1） （2）
平面一般 必要
G
P
12m
A
B
NA
NB
2m 2m
[例] 已知：P=20kN, M=16kN·m, q=20kN/m, a=0.8m。求：
A、B的支反力。
解 ① 研究AB梁；② 受力如图b；③ 取Axy直角坐标；④ 列平衡方
程求解：
q
M
A
B
C
P
2a
2a
(a)
q
M
B
A
C
FAy
P
2a
FB 2a
(b)
工程力学
以上每式中只有三个独立的平衡方程，只能解出三个 未知量。
3
[例] 已知：P=20kN, M=16kN·m, q=20kN/m, a=0.8m。求：
A、B的支反力。
工程力学__第3章力系的平衡习题解
sin ( ) 3 cos )
即 3 sin cos sin cos cos sin
习题 3－4 图
即 2 tan tan
1
O
2
注：在学完本书第 3 章后，可用下法求解： Fx 0 ， FRAG sin 0
Fy 0 ， FRBG cos 0
M A (F ) 0
，G
l s3in(
)
FRB
l
解：（a），CD 为二力杆； 图（c）— 力偶系
ΣMi = 0
FRA FRC M 2 M
2
d
d
2
习题 3－11 图
— 11 —
（b）AB 为二力杆
图（d）：ΣMi = 0， FRC FD M ，
d
FRA FD M d
FD
D
A
45
D BM
M
FRA
FRC
C
FRC
FRA
A
FD' B
D
(d)
(e)
(c)
F
q
5 (6 2l) 340l 0
3
l = 1m 即 lmax = 1m
C 6 l (a)
D FR D
l
3－18 木支架结构的尺寸如图所示，各杆在 A、D、E、
F 处均以螺栓连接，C、D 处用铰链与地面连接，在水平杆 AB
的 B 端挂一重物，其重 W = 5kN。若不计各杆的重，试求 C、
G、A、E 各点的约束力。
3－10 试求图示结构中杆 1、2、3 所受的力。 解：杆 3 为二力杆 图（a）：
ΣMi = 0
F3 dM 0 M
F3 d
F = F3 （压） 图（b）：
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4．求解。校核和讨论计算结果。
11
——平面力系平衡方程 • 应用举例
工 程 力 学
• 例1：一种车载式起重机，车重P1= 26 kN，起重机伸 臂重P2 = 4.5 kN，起重机的旋转与固定部分共重P3 = 31 kN。尺寸如图所示。设伸臂在起重机对称面内，且放 在图示位置，试求车子不致翻倒的最大起吊重量Pmax。
(2)考虑左半部，受力分析如图
1 M 0 F a P a FAy a 0 C Ax 2 这里不需列全部方程，只需有针对性地列出必要的方程！
4个方程，4个未知量，可解。
25
——刚体系统的平衡
工 程 力 学
1 3 1 FAx ( P Q ), FAy P Q 4 4 4 1 1 FBx (3Q P ), FBy ( P Q) 4 4
21
——刚体系统的平衡
分析方法：
整体
求解刚体系统的平衡问题，主要依据前 面给出的平衡理论。
工 程 力 学
局部
先以系统整体为研究对象，列出平衡方程，这样的方 程中不包含内力，未知量较少，解出部分未知量后，再选 择合适的单个物体为研究对象，列出平衡方程，直到求出 所有的未知量为止。
以系统的每一个物体为研究对象，列出全部的平衡方程，
1 2 P1 2.5P2 5.5P 3.8
不翻倒的条件是：FA≥0。
1 2 P1 2.5P2 7.5 kN 因此，得到 P 5.5
13
——平面力系平衡方程 • 应用举例
工 程 力 学
• 例2：如图所示是汽车制动 机构的一部分。已知司机踩 到制动蹬上的力 F=212 N ， θ = 45 。当平衡时， DA铅 直， BC 水 平 ，试求拉杆 BC 所受的力。已知EA=24 cm， DE=6 cm点E在铅直线DA上 ，又B ，C ，D都是光滑铰 链，机构的自重不计。
工 程 力 学
主 讲：谭宁 副教授 办公室：教1楼北305
平面力系平衡方程
工 程 力 学
刚体系统的平衡
静定、静不定问题 作业题
2
——平面力系平衡方程
• 平面任意力系平衡方程
工 程 力 学
平面力系向作用面内任选一点O简化，一般可得一个力 和一个力偶，这个力等于该力系的主矢，作用于简化中心 O；这个力偶的矩等于该力系对于O点的主矩。
工 程 力 学
24
——刚体系统的平衡
解：(1)考虑整体,受力如图所示， 列平衡方程如下：
FAx FAy
FCy
FCx
FBx FBy
工 程 力 学
F
x
0 FAx FBx Q 0
1 1 M 0 F 2 a Q a P a0 A By 2 2 3 1 M 0 F 2 a P a Q a0 B Ay 2 2
工 程 力 学
解: (1)取AB梁，画受力图.
Q
D
此处，把分布力简化成 集中力Q，作用在D点
FAx FAy
Q q 2a
AD a
FB
17
——平面力系平衡方程
• 应用举例
• 例3：已知 P, q, a, M pa; 求支座A、B处的约束力.
工 程 力 学
(2) 列平衡方程
Fx 0 F y 0 M A ( F ) 0
12
——平面力系平衡方程 • 应用举例
解：取汽车及起重机为研究 对象，受力分析如图。 FA
工 程 力 学
FB
列平衡方程如下：
F 0 M B F 0
FA
FA FB P P 1P 2 P 3 0
P1 2 P(2.5 3 ) P2 2.5 FA (1.8 2 ) 0
M
B
( Fi ) 0 ，则该力系合成结果或者是作用线通过A、B
两点的一个合力，或者是平衡。 （3）又若该力系又同时满足 Fx 0, ，而x轴不得垂直于AB连线时，显然力系 不可能有合力。这就表明，只要满足以上三个方程及附加条件，该力系必平衡
6
——平面力系平衡方程
• 平面任意力系平衡方程
5
——平面力系平衡方程
• 平面任意力系平衡方程
平衡方程其他形式
工 程 力 学
二矩式
M A (F ) 0 M B (F ) 0 Fx 0
x轴不得垂直于A、B的连线。
（1）若力系已满足了
M
A
(Fi ) 0，则表明力系不可能简化为一力偶，只可能是
作用线通过A点的一个合力，或者是平衡。 （2）若该力系同时满足
14
——平面力系平衡方程 • 应用举例
解： (1).取制动蹬ABD作为研究 对象，画出受力图。
y
A
F
工 程 力 学
应用三力平衡汇交的条件得到 (2) 列平衡方程
F F
O
x
0 ， F F cos q F cos 0 B D y 0 ， FD sin F sin q 0
26
——刚体系统的平衡
求解方法二
工 程 力 学
（1）选取研究对象：左刚架， 受力分析如图所示。
FCy
列平衡方程：
Fx 0 Fy 0 M C 0
FCx
FAx FCx 0 FAy FCy P 0 FAx a FAy a P a 0 2
27
——刚体系统的平衡 FCy′
求解方法二
FCx′
工 程 力 学
（1）选取研究对象：右刚架， 受力分析如图所示。
列平衡方程：
Fx 0 Fy 0 M C 0 Q 0 FBx FCx 0 FBy FCy FBx a FBy a Q a 0 2
正确识别出二力杆，对解题有很大帮助。
31
——刚体系统的平衡
例三
已知：四连杆机构 ABCD 受力 P、 Q 作用。 求 : 机构平衡时P、Q 的关系。
工 程 力 学
32
——刚体系统的平衡
解：以整体为研究对象，受力分 析如图所示。
工 程 力 学
AD、BC均为二力杆
列平衡方程
33
——刚体系统的平衡
A ， B ， C ， D 处均为光滑铰链，物块重为 P ，通过 例四 绳子绕过滑轮水平地连接于杆AB的E点，各构件自重不 计，试求B处的约束力。
FAx
FAy
Q
D
FB
1 3 FAx 0 FAx 0 , FAy P qa , 4 2 FAy FB P Q 0 1 1 FB P qa 4 2 FB 4a M P 2a Q a 0
18
——刚体系统的平衡
• 刚体系统：由若干个刚体连接而成的系统。
然后求解。
22
——刚体系统的平衡
研究刚体系统的平衡问题需要注意以下几点： • • 分清内力和外力。 灵活选取研究对象和列写平衡方程。
工 程 力 学
• 如系统由n个物体组成，而每个物体在平面力系作用下 平衡，则有3n个独立的平衡方程，可解3n个未知量。
23
——刚体系统的平衡
例一
已知：a、P、Q。求A、B 的约束反力。
解：该系统中，BC为二力杆。 以AB为研究对象，作出受力图
l
FP
MA ( F ) = 0 :
FBC d - FP 2l = 0 Fy = 0 :
工 程 力 学
l
A
C FAy
B
FBC 2 2FP
FAy - FP + FBC sin45 = 0
FAx A d
l
B
FBC
l
FP
FAy= - FP
平衡方程其他形式
工 程 力 学
三矩式
M A (F ) 0 M B (F ) 0 M C (F ) 0
A、B、C三点不得共线。 为什么呢？
7——平面力系平衡方程• 平面平行力系的平衡方程 此时，
Fx 0
自然满足。
工 程 力 学
则平面平行力系平衡方程为
FBx FBy
, FCy FCy FCx FCx
6个方程可解出6 个未知量
思考：法一和法二的不同之处在哪里？哪种方法简单？ 总结两种方法的特点。
28
——刚体系统的平衡
例二
图示结构，Fp和 l 均已知，分别求两种情况下的 约束力。
工 程 力 学
29
——刚体系统的平衡 第一种情 形 l
工 程 力 学
20
——刚体系统的平衡
系统平衡的特点：
(1)系统整体是平衡的；
工 程 力 学
(2)物系中每个单体也是平衡的。每个单体可列3个平 衡方程，整个系统可列3n个方程（设物系中有n个 物体,每个物体都受有平面一般力系作用） (3)由n个刚体组成的物系，其中n1个刚体为二力体或 受有平面力偶系作用，n2个刚体受有平面汇交力系 或平行力系作用，n3个刚体受有平面一般力系作用， 且：n = n1+n2+n3 ，则整个系统可列出m个独立的 平衡方程，且 m = n1+2n2+3n3 ，可求解m个未知量。
DE 1 OE 4
q
F
B
B
x
FD
D
已知 sin
FB 750N
15
——平面力系平衡方程 • 应用举例
• 例3：已知 P, q, a, M pa; 求支座A、B处的约束力.
工 程 力 学
16
——平面力系平衡方程 • 应用举例