理论力学2-平面汇交力系与平面力偶系.ppt

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1、第2章 平面汇交力系2.1 平面汇交力系合成与平衡的几何法2.1.1 平面汇交力系合成的几何法、力多边形法则F3F2F1F4AF1F2F3F4FRabcdeabcdeF1F2F4F3FR各力矢与合力矢构成的多边形称为力矢多边形。力矢多边形中表示合力矢量的边称为力多边形的封闭边。用力矢多边形求合力的几何作图规则称为力的多边形法则。作图方法称为几何法。2.1.1 平面汇交力系合成的几何法、力多边形法则结论：平面汇交力系合成的结果是一个合力，合力的作用线通过各力作用线的汇交点，其大小和方向可由力矢多边形的封闭边来表示，即等于各力矢的矢量和(几何和)，合力的作用线通过汇交点。用矢量式表示为：如果一力与

2、某一力系等效，则此力称为该力系的合力。在平衡的情形下，力多边形中最后一力的终点与第一力的起点重合，此时的力多边形称为封闭的力多边形。于是，平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：该力系的力多边形自行封闭，这是平衡的几何条件。2.1.2 平面汇交力系平衡的几何条件平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：力矢多边形自行封闭或该力系的合力等于零。用矢量式表示为：例例1 已知压路机碾子重已知压路机碾子重P=20kN,r=60cm,欲拉过欲拉过h=8cm的障碍物。的障碍物。求：在中心作用的水平力求：在中心作用的水平力F的大小和碾子对障碍物的压力。的大小和碾子对障碍物的压力。选碾子为研究对象选碾子为研究对象取分离

3、体画受力图取分离体画受力图解：解：当碾子刚离地面时当碾子刚离地面时NA=0,拉力拉力F最大最大,这时拉力这时拉力F和自重及支反力和自重及支反力NB构成一平衡力系。构成一平衡力系。由平衡的几何条件，力多边形封闭，故由平衡的几何条件，力多边形封闭，故由作用力和反作用力的关系，碾子对障碍物的压力等于由作用力和反作用力的关系，碾子对障碍物的压力等于23.1kN23.1kN。此题也可用力多边形方法用比例尺去量。此题也可用力多边形方法用比例尺去量。F=11.5kN,NB=23.1kN所以所以又由几何关系又由几何关系：2.2 平面汇交力系合成与平衡的解析法 力在坐标轴上的投影FxyXYabO力在某轴的投影力

4、在某轴的投影=力的大小力的大小力与坐标轴正向之间夹力与坐标轴正向之间夹角的余弦。角的余弦。力的投影时代数量（标量），正负号由夹角决定。力的投影时代数量（标量），正负号由夹角决定。2.2.2 力的正交分解与力的解析表达式FFxFyxyijO力在轴上的投影是代数量，沿坐标轴方向的分解为矢力在轴上的投影是代数量，沿坐标轴方向的分解为矢量。若平面上的两坐标轴不垂直时，两者大小不同。量。若平面上的两坐标轴不垂直时，两者大小不同。2.2.3 合力投影定理平面汇交力系的合力在某轴上的投影，等平面汇交力系的合力在某轴上的投影，等于力系中各个分力在同一轴上投影的代数和。于力系中各个分力在同一轴上投影的代数和。2

5、.2.4 平面汇交力系合成的解析法合力投影定理：合力在某轴上的投影等于合力投影定理：合力在某轴上的投影等于其分力在同一轴上投影的代数和。其分力在同一轴上投影的代数和。适用于力矢也适用于其他矢量。适用于力矢也适用于其他矢量。合矢量在某轴上的投影，各等于其分矢量合矢量在某轴上的投影，各等于其分矢量在同一轴上投影的代数和。在同一轴上投影的代数和。2.2.4 平面汇交力系的平衡方程上式称为上式称为平面汇交力系的平衡方程平面汇交力系的平衡方程。平平面面汇汇交交力力系系平平衡衡的的解解析析条条件件是是：各各分分力力在在两两个个坐坐标标轴上投影的代数和等于零轴上投影的代数和等于零。例例2 已知已知 P=2k

6、N 求求SCD,RA解解:1.取取ABAB杆为研究对象杆为研究对象2.2.画画ABAB的受力图的受力图3.3.列平衡方程列平衡方程由由EB=BC=0.4mEB=BC=0.4m，解得：解得：；4.4.解方程解方程2.3 平面力对点之矩的概念及计算MO(F)OhrFAB 力对点之矩（力矩）力F与点O位于同一平面内，点O称为矩心，点O到力的作用线的垂直距离h称为力臂。力对对点之矩是一个代数量，它的绝对值等于力的大小与力臂的乘积，它的正负可按下法确定：力使物体绕矩心逆时针转动时为正，反之为负。力矩的单位常用Nm或kNm。2.3.2 合力矩定理与力矩的解析表达式平面汇交力系的合力对于平面内任一点之矩等于

7、所有各分力对于该点之矩的代数和。FFxFyxyOqxyA(1)合力矩定理(2)力矩的解析表达式例1已知F1400 N,r60 mm,a20，求力Fn对O点的矩。FnFrFtFn2.4 平面力偶由两个大小相等、方向相反且不共线的平行力组成的力系，称为力偶，记为(F,F)。力偶的两力之间的垂直距离d称为力臂，力偶所在的平面称为力偶作用面。力偶不能合成为一个力，也不能用一个力来平衡。力和力偶是静力学的两个基本要素。力偶与力偶矩2.4.1 力偶与力偶矩FFdDABC力偶是由两个力组成的特殊力系，它的作用只改变物体的转动状态。力偶对物体的转动效应用力偶矩来度量。平面力偶对物体的作用效应由以下两个因素决定

8、：(1)力偶矩的大小；(2)力偶在作用面内的转向。平面力偶可视为代数量，以M或M(F,F)表示，平面力偶矩是一个代数量，其绝对值等于力的大小与力偶臂的乘积，正负号表示力偶的转向：一般以逆时针转向为正，反之则为负。力偶的单位与力矩相同。2.4.2 同平面内力偶的等效定理定理定理：在同平面内的两个力偶，如果力偶矩相等，则两力偶彼此等效。推论：(1)任一力偶可以在它的作用面内任意移转，而不改变它对刚体的作用。因此，力偶对刚体的作用与力偶在其作用面内的位置无关。(2)只要保持力偶矩的大小和力偶的转向不变，可以同时改变力偶中力的大小和力偶臂的长短，而不改变力偶对刚体的作用。2.4.2 同平面内力偶的等效定理定理力偶的臂和力的大小都不是力偶的特征量，只有力偶矩才是力偶作用的唯一量度。今后常用如图所示的符号表示力偶。M为力偶的矩。M1(F1,F1)，M2(F2,F2)在同平面内的任意个力偶可以合成为一个合力偶，合力偶矩等于各个力偶矩的代数和。2.4.3 平面力偶系的合成2.4.4 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，即例例4 图示结构，已知图示结构，已知M=800N.m，求，求A、C两点的约束反力。两点的约束反力。