静力平衡

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制(SI)中,力的单位为牛[顿](N)或千牛[顿](KN)。 (2) 力的方向。通常包含力的方位和指向两个含义。例如
重力的方向是“铅垂向下”,“铅垂”是指力的方位;“向下” 是说力的指向。
(3) 力的作用点。力的作用点是指力在物体上作用的位置。
力系:物体所受的一群力总称为力系。
力是一矢量,用数学上的矢量记号来表示,如图。
2.1.3 力的分解与合成
平面汇交力系是简单力系,是研究复杂力系的基础。平面 汇交力系的合成有两种方法。
1、几何法—用力的三角形法则或力的多边形法制求合力的 方法,是一种定性的粗略的计算方法。
(1)两个汇交力的合成
(2) 多个共点力的合成
R
F2
R
F1
O
F1
O
a) 平行四边形法则 b) 力三角形
F4 F5
② 若三力平衡,其合力 R=0,则三力所构成力之三角形必自行封闭。
2.3.2 力系的平衡方程
1)平面任意力系之平衡方程
设平面任意力系 F1、F2、…Fn ,当该力系平衡时,则有
R0
X 0 (各分力在 x 轴上投影之代数和为零) Y 0 (各分力在 y 轴上投影之代数和为零)
M 0
mO(F) 0(各分力对任意点 O 之矩代数和为零)
即,合力为原两力的矢量和。
矢量表达式:R= F1+F2
A
F2
R
F1
四、三力平衡汇交定理
一刚体受不平行的三力作用而平衡时,此三力 的作用线必共面且汇交于一点。
五、作用力和反作用力定律
两个物体间的相互作用的一对力,总是大小相等, 方向相反,作用线相同,并分别而且同时作用于这 两个物体上。
[例] 吊灯
(F, F)为一力偶
力偶矩为 m
结论:
F Fm 且
m mB(F) F d
力之平移定理
牛腿柱
2.3 力系的平衡
2.3.1 力系之平衡条件
刚体 平衡
不能平动 不能转动
R=0(合力为零) 刚体平衡之必 M=0(合力矩为零) 要且充分条件
(1)二力之平衡
两个力 F1、F2
刚体 必要且充分条件 平衡
X 0: XA 0
YA
1 (9 32
q
M
2P)
mB(F) 0 : YA 4kN ( )
1 (9 4 6 212) 4kN ( )
32
mA (F) 0 :
9 3RB 5P 2 q M 0
Y 0 : YA RB 3q P 0 RB 3q P YA
()
RB
1 (512 9 4 6) 28kN
基 本
X 0 Y 0
式 mO (F ) 0
求解
独立的平衡方程数 = 3
三个未知量
2)平面汇交力系之平衡方程
设平面汇交力系 F1、F2、…Fn 交于 O 点,此时只能合成一个合力,不可能存在
合力偶。若取汇交点 O 为矩心,则 mO (F) 0 自然满足。当该力系平衡时,有
基 本 式
X 0 Y 0
物体受力分析
步骤: (1)取研究对象,简称取体; (2)标力:主动力照搬,约束反力按类型来画。
要求:(1)熟练掌握; (2)绝对正确: ① 不少画(先画主动力,后画约束反力); ② 不多画(每个力应找到施力体); ③ 不错画(约束反力的作用点为接触点,方向由约束类型确定。)
【例4】一端为固定铰链,另一端为可动铰链的梁称之为简支梁,其上作用有 一均匀分布的荷载 q(简称均布荷载),试画出梁的受力图。
用单位为 KN·m 。
力偶的图例
力偶特性一: 力偶的转动效应与转动中心的位置
无关,所以力偶在作用平面内可任意移 动。
力偶特性二: 力偶的合力为零,所以力偶的效应
只能与转动效应平衡,即只能与力偶或 力矩平衡,而不能与一个力平衡。
力偶系的合成 作用在一个物体上的一组力偶称为一个力偶
系。力偶系的合成结果为一个合力偶M。
F
2.1.2 静力学基本公理 一、二力平衡公理
作用于刚体上的两个力平衡的充分与必要 条件是这两个力大小相等、方向相反、作用线 在一条直线上。
二力体:只在两个力作用下平衡的刚体叫二力体。
二力杆
二、加减平衡力系公理
在作用于刚体上的已知力系上,加上或减 去任意一个平衡力系,不会改变原力系对刚体 的作用效应。
Y 0 : YA YE 0 YA YE 30kN
X 0 : XA XE 40kN
(A)
2.取 CDE 刚架为研究对象,受力如图所示,则
mC(F) 0 : 2YE 4X E 0 XE YE 2 15kN
由(A)式 XA 40 XE 25kN
3.验算(略)
2.3.4 求支座反力的简易法
(1)固定铰支座
YC XC
约束特点:只能限制物体上下、左右的平动,而不能限制物体的转动(双向约束)。
反力方向:方位是两分力正交(如 X C、YC,或X A、YA等);指向可以假设。
(2)可动铰支座
NA
约束特点:只能限制物体沿法线方向的平动(单向约束)。 反力方向:方位为沿其法线,指向可以假设。
3)固定端支座 构件的一端被牢固地嵌住而不能动
推论 (力在刚体上的可传性)
作用于刚体上某点的力,可沿其作用线移动 到刚体内任意一点,而不改变该力对刚体的作用 效应。
F
=
= B
F1
F F2
B
F1
A
A
A
三、力的平行四边形法则
作用于物体上同一点的两个力可合成为作用于同 一点的一个合力。合力的大小与方向由原两力为 邻边而作出的平行四边形的对角线来确定。
独立的平衡方程数 = 2 求解 二个未知量
2.3.3 平衡方程的应用 【例1】试求简支梁 A、B 两处的约束反力。
【解】1.研究对象:AB 梁
X 0: XA 0
2.受力分析:A 处(XA,YA ) , B 处YB。
mB(F) 0 :
(ql) l 2
YAl
0
均布荷载 q , (q、XA、YA、YB) 平面任意力系
3
2


34 12 4 28kN
4.验算:把已知的各力对A点取矩,
验算: Y YA RB 3q P
看是否满足 mA (F) 0
4 28 12 12 0
【例5】如图所示三铰刚架,试求 A、E 处的支座反力。
【解】1.取整体为研究对象,受力如图所示,则
mA (F) 0 : 4YE 403 0 YE 30kN
车刀
P XA
P
mA YA
约束特点:既限制物体的平动,又限制物体的转动。
反力方向:限制平动,用约束反力( 如 XA 、YA )表示,指向可以假设; 限制转动,用约束反力偶(如 mA )表示,转向可以假设。
2.1.4 物体的受力分析 —— 画受力图
非自由体
解除约束 代之以约束反力
自由体(主动力+约束反力)
mA (F)
0 : YBl
(ql )
l 2
0
YA
1 ql 2
YB
1 2
ql
3.列式求解: (1)基本式
校核:
Y 0:
YA
YB
ql
ql 2
ql 2
ql
0
X 0: XA 0
mB (F )
0:
(ql )
l 2
YAl
0
YA
1 2
ql
Y 0 : YA YB ql 0
YB
1 2
ql
(2)二矩式
【例2】已知外伸梁的 M = 6KN·m,q = 4KN/m,P =12KN,求 A、B 支座反力。
等值(F1=F2) 反向、共线
刚体
(2)三力之平衡 若刚体在三力F1、F2、F3作用下平衡,且 F1、F2 汇交 于O 点,则 F3 必过 O点。 三力平衡汇交定理
三个不平行之力
移 F1、F2 至 O 点
F1、F2 合为 R1-2
F3 与 R1-2 必共线
注意:
① 三个共点力并非一定是平衡力系,故三力平衡条件并非充分;
2.2.2 力偶和力偶矩 力偶 —— 大小相等的二个反向平行力称之为一
个力偶。
力偶的作用效果是引起物体的转动,和力 矩一样,产生转动效应。
力偶的转动效应用力偶矩表示,它等于力偶
中任何一个力的大小与力偶臂d 的乘积,加上适
当的正负号,即
式中:F 是力的大小; d 是力偶臂,是力偶中两
个力的作用线之间的距离; 正负号规定与力矩统一。常
第2章 静力平衡
1.1 力的基本概念 1.2 力矩与力偶 1.3 力系的平衡 1.4 重心与形心
2.1 力的基本概念
2.1.1 力和力系的概念
力是物体之间的相互作用,其效果使物体运动状态和形状 大小发生改变。
实践证明,力对物体的作用效应取决于以下三个要素: (1) 力的大小。指物体间相互作用的强弱程度。国际单位
式中:FP 是力的数值大小,d 是力臂,力矩的 正负号规定——只要在同一问题中统一即可, 习惯上力矩的正负号往往以顺时针方向为正, 逆时针方向为负。常用单位是 KN-m 。力矩用 带箭头的弧线段表示。
集中力引起的力矩直接套用公式进行计算; 对于均布线荷载引起的力矩,先计算其合力,再 套用公式进行计算。
即: M M1 M 2 M n M
力偶系的平衡
显然来自百度文库当物体平衡时,合力偶必须为零,
即:
M 0
上式称为力偶系的解析平衡条件。
2.2.3 力之平移定理
作用在 A 点的力 F ,是否可以平行移动至 B 点变成 F ?
问题:力在刚体上可沿其作用线滑动,但能否平行搬动?
在B点加一平衡力
F F△ F
XA
YA
YB
【解】1.研究对象:梁AB。
2.画受力图 —— 标力。
(1)主动力:均布荷载 q(照搬) ① 固定铰链 A:XA、YA (指向可设); (2)约束反力: (按约束类型来画)
② 可动铰链 B:YB(指向可设)。 【例5】试画出悬臂梁的受力图,梁的自重不计。
F XA
mA YA
2.2 力矩与力偶 2.2.1力矩
【解】 1.研究对象:外伸梁。 2. 受力分析:如图示。 3. 列式求解:
mA
3
(F) 28
3RB 5P 512 9 4
9q 2 6
M
2
84 60 18 6 0 故计算正确无误。
X 0: XA 0
讨论:若用二矩式,则情况如何?
mB (F )
0
:
(3q)
3 2
M
P
2
YA
3
0
O
F3
F2 F1
c) 汇交力系
F3 F5
F4
R
F2
F1
O d) 力多边形
用几何法求汇交力系合力时,应注意分力首尾相接, 合力是从第一力的箭尾指向最后一力的箭头。
2、解析法—定量计算合力的大小和方向的方法
(1)力的分解
X F cos
Y
F
sin
——力 F 与 x 轴所夹之锐角; —— 正负号之规定:
FRx
Fx F1 cos 90o F2 cos 0o F3
3 32 42

3
0 40kN + 50kN 10kN

5
FRy
Fy F1 sin 90o F2 sin 0o F3
4 32 42
20kN + 0 50kN 4 20kN
5
2.1.4 支座的约束与反力
在力的作用下,物体将发生移动和转动。力 的转动效应用力矩来衡量,即力矩是衡量力转动 效应的物理量。
讨论力的转动效应 时,主要关心力矩的大 小与转动方向,而这些 与力的大小、转动中心 (矩心)的位置、动中 心到力作用线的垂直距 离(力臂)有关。
力的转动效应——力矩 M 可由下式计算:
M = ± FP ·d
① 若 a b ,与 x 轴同向, X 取正;反之取负;
② 若 a b,与 y 轴同向, Y 取正;反之取负。
(2)力的合成: 若已知 X 和 Y ,则力 F的大小和方位角为:
F
X 2 Y2
tg Y
X
(3)合力投影定理:合力在任一轴上的投影等于各分 力在该轴上之投影的代数和。
由合力投影定理有: Rx=X1+X2+…+Xn=X Ry=Y1+Y2+…+Yn=Y
合力:
R Rx2 Ry2
X 2 Y 2
tan Ry Y Rx X
表示合力R与 x轴所夹的锐角, 合力的指向由∑X、∑Y的符号判定。
【例1】 试分别求出图2-6中各力的合力在x轴和y轴上投影。已知
F1 20N F2 40N F3 50N ,各力方向如图所示。
【解】 可得出各力的合力在x、y轴上的投影为
力矩的特性 1、力作用线过矩心,力矩为零; 2、力沿作用线移动,力矩不变。
合力矩定理 一个力对一点的力矩等于它的两个分力对
同一点之矩的代数和。
例 1 求图中荷载对A、B两点之矩
(a)
(b)
解:
图(a):
MA = - 8×2 = -16 kN ·m MB = 8×2 = 16 kN ·m
图(b):
MA = - 4×2×1 = -8 kN ·m MB = 4×2×1 = 8 kN ·m
例 2 求图中力对A点之矩
解:将力F沿X方向和Y方向 等效分解为两个分力,由 合力矩定理得:
M A Fxd x Fyd y
由于 dx = 0 ,所以:
M A Fyd y 20
2 2 28.28kN m 2
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