理论力学3空间力系课件

3.1 空间汇交力系yxzFFxFyFzikj若已知力与正交坐标系Oxyz三轴间夹角，则用直接投影法cos(,)cos(,)cos(,)xyzFFFFFFF iF jF k1 力在直角坐标轴上的投影yxzFFxFyFzFxyjg当力与坐标轴Ox、Oy间的夹角不易确定时，可把力F先投影到坐标平面Oxy上，得到力Fxy，然后再把这个力投影到x、y轴上，这叫间接投影法。sincossinsincosxyzFFFFFFgjgjg3.1 空间汇交力系3.1 空间汇交力系例3-1 已知：,nF 求：力 在三个坐标轴上的投影.nFsinnzFFcosnxyFFsincossinnxyxFFFcoscoscosnxyyFFF解：（1）合成将平面汇交力系合成结果推广得：R12ni FFFFF合力的大小和方向为：222R()()()xyzFFFF RRRRRRcos(,),cos(,),cos(,)yxzFFFFFFFiFjFk2 空间汇交力系的合成与平衡RxyzFFF Fijk或3.1 空间汇交力系（2）平衡空间汇交力系平衡的必要与充分条件是：该力系的合力等于零。R0i FF以解析式表示为：000 xyzFFF空间汇交力系平衡的必要与充分条件是：该力系中所有各力在三个坐标轴上的投影的代数和分别等于零。3.1 空间汇交力系3.1 空间汇交力系例3-3已知：物重P=10kN，CE=EB=DE；030求：杆受力及绳拉力解：画受力图，列平衡方程0 xF045sin45sin21FF0yF030cos45cos30cos45cos30sin21FFFA0zF030cos30sin45cos30sin45cos21PFFFA123.54kNFF8.66kNAF 3.2 力对点的矩和力对轴的矩1 力对点的矩以矢量表示力矩矢MO(F)xyzOFrA(x,y,z)hB空间力对点的矩的作用效果取决于：力矩的大小、转向和力矩作用面方位。这三个因素可用一个矢量MO(F)表示，如图。其模表示力矩的大小；指向表示力矩在其作用面内的转向(符合右手螺旋法则)；方位表示力矩作用面的法线。由于力矩与矩心的位置有关，所以力矩矢的始端一定在矩心O处，是定位矢量。以r表示力作用点A的矢径，则()O MFrF以矩心O为原点建立坐标系，则xyzxyzFFF rijkFijkxyzOFMO(F)rA(x,y,z)hBjik3.2 力对点的矩和力对轴的矩()()()()OxyzzyxzyxxyzFFFyFzFzFxFxFyF ijkMFrF=ijk3.2 力对点的矩和力对轴的矩()()()()OxyzMFrFxiyjzkF iF jF k()()()()OxyzMFrFxiyjzkF iF jF k()()()()OxyzzyxzyxxyzFFFyFzFzFxFxFyF ijkMFrF=ijk力矩矢MO(F)在三个坐标轴上的投影为()()()OxzyOyxzOzyxyFzFzFxFxFyF MFMFMFxyzOFMO(F)rA(x,y,z)hBjik3.2 力对点的矩和力对轴的矩力F对z 轴的矩定义为：()()2zOxyxyOabMMF hA FF力对轴的矩是力使刚体绕该轴转动效果的度量，是一个代数量，其绝对值等于力在垂直于该轴平面上的投影对于轴与平面交点的矩。2 力对轴的矩xyzOFFxyhBAab符号规定：从z轴正向看，若力使刚体逆时针转则取正号，反之取负。也可按右手螺旋法则确定其正负号。3.2 力对点的矩和力对轴的矩3.2 力对点的矩和力对轴的矩由定义可知：(1)当力的作用线与轴平行或相交(共面)时，力对轴的矩等于零。(2)当力沿作用线移动时，它对于轴的矩不变。()()zOxyxyMFMFFh 3.2 力对点的矩和力对轴的矩例3-4已知：,alF求：,xyzMFMFMFco sxMFFla co syMFF l sinzMFFla 解：把力 分解如图F3 力对轴的矩的解析表达式xyzOFFxFyFzA(x,y,z)BFxFyFxyabxy()()()()zOxyOxOyyxMMMMxFyF FFFF设力F沿三个坐标轴的分量分别为Fx、Fy、Fz。力作用点A的坐标为(x、y、z)，则同理可得其它两式。故有()()()xzyyxzzyxMyFzFMzFxFMxFyF FFF3.2 力对点的矩和力对轴的矩比较力对点的矩和力对轴的矩的解析表达式得：即：力对点的矩矢在通过该点的某轴上的投影，等于力对该轴的矩。4 力对点的矩与力对过该点的轴的矩的关系()()()()()()OxxOyyOzzMMM MFFMFFMFF3.2 力对点的矩和力对轴的矩3.3 空间力偶1 1、力偶矩以矢量表示力偶矩矢、力偶矩以矢量表示力偶矩矢1212FFFF空间力偶的三要素空间力偶的三要素（1 1）大小：力与力偶臂的乘积；大小：力与力偶臂的乘积；（3 3）作用面：力偶作用面。作用面：力偶作用面。（2 2）方向：转动方向；方向：转动方向；BAMrF3.3 空间力偶(,)()()OOOABMF FMFMFrFrF(,)()OABMF FrrFM 2 2、力偶的性质、力偶的性质FF（2 2）力偶对任意点取矩都等于力偶矩，不因矩心的改）力偶对任意点取矩都等于力偶矩，不因矩心的改 变而改变。变而改变。(1(1）力偶中两力在任意坐标轴上投影的代数和为零）力偶中两力在任意坐标轴上投影的代数和为零 .3.3 空间力偶（3 3）只要保持力偶矩不变，力偶可在其作用面内）只要保持力偶矩不变，力偶可在其作用面内 任意移转，且可以同时改变力偶中力的大小任意移转，且可以同时改变力偶中力的大小 与力偶臂的长短，对刚体的作用效果不变与力偶臂的长短，对刚体的作用效果不变.1212111(,)()(,)RRBARBABABABAM FFrFrFFrFrFrFM F F=3.3 空间力偶(4)(4)只要保持力偶矩不变，力偶可从其所在平面移至只要保持力偶矩不变，力偶可从其所在平面移至另一与此平面平行的任一平面，对刚体的作用效果不另一与此平面平行的任一平面，对刚体的作用效果不变变.211FFF332FFF=3.3 空间力偶(5)(5)力偶没有合力，力偶只能由力偶没有合力，力偶只能由力偶来平衡。力偶来平衡。力偶矩相等的力偶等效力偶矩相等的力偶等效力偶矩矢是自由矢量力偶矩矢是自由矢量3.3 空间力偶 由力偶的性质可知：力偶的作用效果取决于力偶矩的大小、力偶转向和作用面方位。因此可用一矢量M表示：选定比例尺，用M的模表示力偶矩的大小；M的指向按右手螺旋法则表示力偶的转向；M的作用线与力偶作用面的法线方位相同。如图所示。M称为力偶矩矢。力偶矩矢为一自由矢量。空间力偶的等效条件是：两个力偶的力偶矩矢相等。FMF3 3、力偶的矢量表示、力偶的矢量表示4 4、空间力偶等效定理、空间力偶等效定理3.3空间力偶5 5、力偶系的合成与平衡条件、力偶系的合成与平衡条件111222,.,nnnMrF MrFMrF=iMMM为合力偶矩矢，等于各分力偶矩矢的矢量和为合力偶矩矢，等于各分力偶矩矢的矢量和.3.3 空间力偶222()()()xyzMMMM6 6、合力偶矩矢的大小和方向余弦、合力偶矩矢的大小和方向余弦,xxyyzzMMMMMM3.3 空间力偶MMkMMMjMMMiMzyx),cos(),cos(),cos(空间力偶系可以合成一合力偶，所以空间力偶系平衡的必要与充分条件是：合力偶矩矢等于零。即：0 iMM因为：222()()()xyzMMMM 所以：000 xyzMMM上式即为空间力偶系的平衡方程。7 7、空间力偶系的平衡、空间力偶系的平衡3.3空间力偶例3-5 已知：在工件四个面上同时钻5个孔，每个孔所受切削力偶矩均为80Nm.求：工件所受合力偶矩在x、y、z轴上的投影。解：把力偶用力偶矩矢表示，平行移到点A.mN1.19345cos45cos543MMMMMixxmN802MMMiyymN1.19345cos45cos541MMMMMizz3.3空间力偶求:轴承A,B处的约束力.例3-6已知：两圆盘半径均为200mm，AB=800mm，圆盘面O1垂直于z轴，圆盘面O2垂直于x轴，两盘面上作用有力偶，F1=3N，F2=5N，构件自重不计.解：取整体，受力图如图所示.0 xM24008000AzFF0zM14008000AxFFN5.1BxAxFFN5.2BzAzFF3.3空间力偶 空间力系向点O简化得到一空间汇交力系和一空间力偶系，如图。()(1,2,)iiiOiin FFMMF3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩FnF1F2yzxOF1FnF2MnM2M1zyxOMOFROxyz1 空间任意力系向一点的简化空间汇交力系与空间力偶系等效代替一空间任意力系。空间汇交力系可合成一合力FR：Rii FFF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。MOFROxyz空间力偶系可合成为一合力偶，其矩矢MO：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。()OOi MMF3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩()()()OxyzMMF iMF jMF k由力对点的矩与力对轴的矩的关系，有空间力系向任一点空间力系向任一点O简化，可得一力简化，可得一力和一力偶，这个力的大小和方向等和一力偶，这个力的大小和方向等于该力系的主矢，作用线通过简化于该力系的主矢，作用线通过简化中心中心O；这个力偶的矩矢等于该力系；这个力偶的矩矢等于该力系对简化中心的主矩。对简化中心的主矩。空间力系向一点的简化结论空间力系向一点的简化结论3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩2 空间任意力系的简化结果分析空间任意力系向一点简化的结果可能出现四种情况：3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩(1)FR0，MO0;(2)FR 0，MO 0;(3)FR 0，MO0;(4)FR0，MO 0 1)空间任意力系简化为一合力偶的情形FR0，MO0FR 0，MO 02)空间任意力系简化为一合力的情形3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩简化结果为一个与原力系等效的合力偶，其合力偶矩矢等于对简化中心的主矩。此时力偶矩矢与简化中心位置无关。这时得一与原力系等效的合力，合力的作用线过简化中心O，其大小和方向等于原力系的主矢。这时亦得一与原力系等效的合力，其大小和方向等于原力系的主矢，合力的作用线离简化中心O的距离为ROdFM FR 0，MO0，且FR MOMOFROFRFRFROOdFROO3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩()()OROROMdFMFMF合力矩定理：合力对某点(轴）之矩等于各分力对同一点（轴）之矩的矢量和。FR 0，MO0，且FR MOMOFROOFR3)空间任意力系简化为力螺旋的情形3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩此时无法进一步合成，这就是简化的最后结果。这种力与力偶作用面垂直的情形称为力螺旋。FR与MO同方向时，称为右手螺旋；FR与MO反向时，称为左手螺旋。图示为一右手螺旋。FR 0，MO0，同时两者既不平行，又不垂直，此时可将MO分解为两个分力偶MO和MO，它们分别垂直于FR和平行于FR，则MO和FR可用作用于点O的力FR来代替，最终得一通过点O 的力螺旋。MOFROMOFROMOFROOMO3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩4)空间任意力系简化为平衡的情形当空间任意力系向一点简化时出现 主矢FR0，主矩MO 0，这是空间任意力系平衡的情形。3.4 空间力系向一点的简化主矢与主矩3.5 空间任意力系的平衡方程1 空间任意力系的平衡方程空间任意力系平衡的必要与充分条件为：力系中各力在三个坐标轴上投影的代数和等于零，且各力对三个轴的矩的代数和也等于零。上式即为空间任意力系的平衡方程。空间任意力系平衡的充要条件：000 xyzFFF000 xyzMMM该力系的主矢、主矩分别为零.000zxyFMM空间平行力系的平衡方程3.5 空间任意力系的平衡方程2 空间约束类型3.5 空间任意力系的平衡方程3.5 空间任意力系的平衡方程3.5 空间任意力系的平衡方程例3-7 已知：P=8kN,P1=10KN，各尺寸如图，求：A、B、C 处约束力。解：研究对象：小车列平衡方程0zF01DBAFFFPP 0FMx10.21.220DPPF 0FMy06.02.16.08.01DBFFPP5.8kN,7.777kN,4.423kNDBAFFF3.5 空间任意力系的平衡方程0yF例3-8 已知：,2000NF,212FF,60,30各尺寸如图，求：F1、F2及A、B处的约束力。解：研究对象，曲轴列平衡方程0 xF 060sin30sin21BxAxFFFF003.5 空间任意力系的平衡方程 0zF060cos30cos21BzAzFFFFF 0FMx040020020060cos20030cos21BxFFFF 0FMy0212FFDRF 0FMz12(sin30sin60)2004000BxFFF3.5 空间任意力系的平衡方程,6000,300021NNFF,9397,1004NNAzAxFF,1799,3348NNBzBxFF3.5 空间任意力系的平衡方程例3-9 已知：4.25N,xF 6.8N,yF 17N,zF,36.0FFr50mm,R 30mmr 各尺寸如图求：（2）A、B处约束力（3）O 处约束力,rF F(1)3.5 空间任意力系的平衡方程 0 xF0 xAxBxFFFF 0yF0yByFF 0zF0zAzBzFFFF 0FMx48876763880BzzFFF 0FMy0rFRFz 0FMz7648876303880rBxyxFFFF解：研究对象1：主轴及工件，受力图如图3.5 空间任意力系的平衡方程又：,36.0FFr,2.10 kNF3.67,rF kN,64.15kNAxF,87.31kNAzF,19.1kNBxF,8.6 kNByF,2.11 kNBzF研究对象2：工件受力图如图列平衡方程0 xF0 xOxFF0yF0yOyFF0zF0zOzFF3.5 空间任意力系的平衡方程 0FMx0100 xZMF 0FMy030yZMF 0FMz030100zyxMFFkNkNkN17,8.6,25.4OzOyOxFFFmkNmkNmkN22.0,51.0,7.1zyxMMM3.5 空间任意力系的平衡方程DByzFBzFByFFAzFzFyAyz平面ByxDAFByFBxFrFAxFxFyxy平面yz平面xy平面xz平面xzFrxzFFzFxFAx+FBxFAz+FBzxz平面平面解法平面解法3.5 空间任意力系的平衡方程附例1.一等边三角形板边长为a,用六根杆支承成水平位置如图所示.若在板内作用一力偶其矩为M。求各杆的约束反力。ABC16425330o30o30oABCM解:取等边三角形板为研究对象画受力图。ABC16425330o30o30oABCMS1S2S3S4S5S66()033022BBMMaSFaMS346433()0,022CCMMaSFaMS344533()0022AAMMaSFaMS3453.5 空间任意力系的平衡方程3.5 空间任意力系的平衡方程14()03310222BCMa SaSFaMS32125331()00222ACMa SaSFaMS32236331()00222ABMa SaSFaMS323ABC16425330o30o30oABCMS1S2S3S4S5S63.5 空间任意力系的平衡方程xm3m2m3m2ABCD60604545GHyzP附例2.扒杆如图所示，立柱AB用BG和BH两根缆风绳拉住，并在A点用球铰约束，A、H、G三点位于 xy平面内，G、H两点的位置对称于y轴，臂杆的D端吊悬的重物重P=20kN；求两绳的拉力和支座A的约束反力。解：以立柱和臂杆组成的系统为研究对象，受力如图，建立如图所示的坐标。列平衡方程：3.5 空间任意力系的平衡方程 ABCD60604545GHyzPAXAYAZGTHT045sin60cos45sin60cos:0GHATTXX045cos60cos45cos60cos:0GHATTYY060sin60sin:0PTTZZGHA05545cos60cos545cos60cos:0)(PTTFmGHx0545sin60cos545sin60cos:0)(GHyTTFm联立求解得：kNTTHG3.280AXkNYA20kNZA69附例3：已知：铅直力F，板和杆重不计。求各杆的内力。546321F500mm1000mmD CBADC B A 1000mm500mm1000mm3.5 空间任意力系的平衡方程3.5 空间任意力系的平衡方程解:以平板ABCD为研对，画出受力图S5S4S6S3S2S1F500mm1000mmD CBADC B A()0DDmF02S()0BBmF04S()0CCmF06S()0BCmF()0ABmF05005001FSFS10100010005FSFS5()0ADmF050050053SSFS 33.5 空间任意力系的平衡方程xyzABCDE3030G附例4.均质长方形板ABCD重G=200N，用球形铰链A和碟形铰链B固定在墙上，并用绳EC维持在水平位置，求绳的拉力和支座的反力。xyzABCDE3030GAXAYAZTBXBZ030sin:0)(21ABGABZABTFmBx030sin:0)(21ADTADGFmy0:0)(ABXFmBz 解：以板为研究对象，受力如图，建立如图所示的坐标。3.5 空间任意力系的平衡方程xyzABCDE3030GAXAYAZTBXBZ030sin30cos:0TXXXBA030cos:02TYYA030sin:0GTZZZBA解之得：0BBZXNT200NXA6.86NYA150NZA1001平行力系中心平行力系中心是平行力系合力通过的一个点。平行力系合力作用点的位置仅与各平行力的大小和作用点的位置有关，而与各平行力的方向无关。称该点为此平行力系的中心。3.6 重心F1FRF2yzxOACBr1rCr2i iCiFFrr,iiiiiiCCCiiiF xF yF zxyzFFF根据合力矩定理，有nncRrFrFrFrF2211同理，有 重力是地球对物体的吸引力，如果将物体由无数的质点组成，则重力便构成空间汇交力系。由于物体的尺寸比地球小得多，因此可近似地认为重力是个平行力系，这力系的合力就是物体的重量。不论物体如何放置，其重力的合力的作用线相对于物体总是通过一个确定的点，这个点称为物体的重心。2 重心3.6 重心1122.CnniiP xP xP xP xP xiiCPxxP1122.CnniiP yP yPyPyP y iiCPyyP 3.6 重心1122.CnniiP zP zP zP zP z iiCPzzP计算重心坐标的公式为计算重心坐标的公式为iiCPzzPiiCPxxPiiCPyyP对均质物体，均质板状物体，有对均质物体，均质板状物体，有iiCVxxViiCV yyVi iCVzzViiCAxxAiiCAyyAi iCAzzA称为重心或形心公式称为重心或形心公式3 确定物体重心的方法（1）简单几何形状物体的重心如果均质物体有对称面，或对称轴，或对称中心，则该物体的重心必相应地在这个对称面，或对称轴，或对称中心上。简单形状物体的重心可从工程手册上查到。3.6 重心3.6 重心（2）用组合法求重心如果一个物体由几个简单形状的物体组合而成，而这些物体的重心是已知的，那么整个物体的重心可由下式求出。1）分割法,iiiiiiCCCiiiPxPyPzxyzPPP3.6 重心例3-12 已知：均质等厚Z字型薄板尺寸如图所示.求：其重心坐标则用虚线分割如图，为三个小矩形，其面积与坐标分别为解:厚度方向重心坐标已确定，只求重心的x,y坐标即可.mm151xmm451y21300mmAmm52xmm302y22400mmAmm153xmm53y23300mmAmm2321332211AAAxAxAxAAxAxiiCmm27321332211AAAyAyAyAAyAyiiC2）负面积法若在物体或薄板内切去一部分（例如有空穴或孔的物体），则这类物体的重心，仍可应用与分割法相同的公式求得，只是切去部分的体积或面积应取负值。3.6 重心3.6 重心12344(),033Rrbyyy 由iiCAyyA222123,(),22AR Ar bAr0Cx由对称性，有解：用负面积法，为三部分组成.例4-13已知：等厚均质偏心块的求：其重心坐标.mmmmmm13,17,100brR得mm01.40321332211AAAyAyAyAyC3.6 重心附例6.求图示均质板重心的位置。解一：（组合法）建立如图坐标：aaaaaaAAxAxAxC652212221221132aaaaaaAAyAyAyC65223221221221132解二：（负面积法）aaaaaaaAAxAxAxC65222322212211)(4)(4aaaaaaaAAyAyAyC65222322212211)(4)(4 x y a a a a C1 C2 O x a a a a C2 C1 O y4 用实验方法测定重心的位置1）悬挂法3.6 重心2）称重法3.6 重心1CP xF l1CFxlP则则有有2CFxlP22211CFFzrlHPH cosllcossinCCxxhsinHl22coslHl