平面一般力系

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章,平面一般力系,平面一般力系,各个力的作用线在同一平面内，但不汇交于一点，也不都平行的力系称为平面一般（任意）力系,3,1,力对点之矩,3,3,力的平移定理,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,3,6,平面平行力系的平衡,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,第,三,章,平,面,任,意,力,系,3,7,物体系统的平衡 与静不定问题的概念,3-2,力偶及其性质、力偶系的合成与平衡,O,A,d,B,F,一、力矩的定义,力,F,的大小乘以该力作用线到某点,O,间距离,d,，并加上适当正负号，称为力,F,对,O,点的矩。简称力矩。,3,1,力对点之矩,二、力矩的表达式,:,三、力矩的正负号规定：按右手规则，当有逆时针转动的趋向时，力,F,对,O,点的矩取正值。,四、力矩的单位：与力偶矩单位相同，为,N.m,。,五、力矩的性质：,1,、力沿作用线移动时，对某点的矩不变,2,、力作用过矩心时，此力对矩心之矩等于零,3,、互成平衡的力对同一点的矩之和等于零,3,1,力对点之矩,4,、力偶中两力对面内任意点的矩等于该力偶的力偶矩,六、力矩的解析表达式,y,x,O,x,y,A,B,3,1,力对点之矩,力对某点的矩等于该力沿坐标轴的分力对同一点之矩的代数和,3-2,力偶及其性质,F,1,F,2,d,一、 力偶和力偶矩,1,、力偶,大小相等的二反向平行力。,、作用效果：引起物体的转动。,、力和力偶是静力学的二基本要素。,力偶特性二：,力偶只能用力偶来代替（即只能和另一力偶等效），因而也只能与力偶平衡。,力偶特性一：,力偶中的二个力，既不平衡，也不可能合成为一个力。,工程实例,3-2,力偶及其性质,2,、力偶臂,力偶中两个力的作用线,之间的距离。,3,、力偶矩,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。,F,1,F,2,d,力偶矩正负规定：,若力偶有使物体逆时针旋转的趋势，力偶矩取正号；反之，取负号。,量纲：力,长度，牛顿,米（,N,m,）,.,3-2,力偶及其性质,二、力偶的等效条件,1.,同一平面上力偶的等效条件,3-2,力偶及其性质,F,d,F,d,因此，以后可用力偶的转向箭头来代替力偶。,=,作用在刚体内同一平面上的两个力偶相互等,效的充要条件是二者的力偶矩代数值相等。,例题,2-6,图示的铰接四连杆机构,OABD,，在杆,OA,和,BD,上分别作用着矩为,l,1,和,l,2,的力偶，而使机构在图示位置处于平衡。已知,OA,=,r,，,DB,= 2,r,，,= 30,，不计杆重，试求,l,1,和,l,2,间的关系。,D,l,2,B,N,D,S,BA,O,l,1,N,O,S,AB,A,O,B,D,l,1,l,2,A,解：,杆,AB,为二力杆。, 3-2,力偶及其性质,力偶系的合成与平衡,分别写出杆,AO,和,BD,的平衡方程：,D,l,2,B,N,D,S,BA,O,l,1,N,O,S,AB,A, 3-2,力偶及其性质,力偶系的合成与平衡,力对点的矩与力偶矩的区别：,相同处：力矩的量纲与力偶矩的相同。,不同处：力对点的矩可随矩心的位置改变而改,变，但一个力偶的矩是常量。,联 系：力偶中的两个力对任一点的之和是常,量，等于力偶矩。, 3-2,力偶及其性质,力偶系的合成与平衡,3,2,F,A,O,d,F,A,O,d,l,A,O,=,=,把力,F,作用线向某点,O,平移时，须附加一个力偶，此附加力偶的矩等于原力,F,对点,O,的矩。,证明：,一、力的平移定理：,3,3,力的平移定理,二、几个性质：,1,、当力线平移时，力的大小、方向都不改变，但附加力偶的矩的大小与正负一般要随指定,O,点的位置的不同而不同。,2,、力线平移的过程是可逆的，即作用在同一平面内的一个力和一个力偶，总可以归纳为一个和原力大小相等的平行力。,3,、力线平移定理是把刚体上平面任意力系分解为一个平面共点力系和一个平面力偶系的依据。,3,2,力线平移定理,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,A,3,O,A,2,A,1,F,1,F,3,F,2,l,1,O,l,2,l,3,L,O,O,=,=,应用力线平移定理，可将刚体上平面任意力系中各个力的作用线全部平行移到作用面内某一给定点,O,。从而这力系被分解为平面共点力系和平面力偶系。这种变换的方法称为力系向给定点,O,的简化。点,O,称为简化中心。,一、力系向给定点,O,的简化,共点力系,F,1,、,F,2,、,F,3,的合成结果为一作用点在点,O,的力,R,。这个力矢,R,称为原平面任意力系的主矢。,附加力偶系的合成结果是作用在同平面内的力偶，这力偶的矩用,L,O,代表，称为原平面任意力系对简化中心,O,的主矩。,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,结论：,平面任意力系向面内任一点的简化结果，是一个作用在简化中心的主矢；和一个对简化中心的主矩。,推广：,平面任意力系对简化中心,O,的简化结果,主矩：,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,主矢：,二、几点说明：,1,、平面任意力系的主矢的大小和方向与简化中心的位置无关。,2,、平面任意力系的主矩与简化中心,O,的位置有关。因此，在说到力系的主矩时，一定要指明简化中心。,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,方向余弦：,2,、主矩,L,o,可由下式计算：,三、主矢、主矩的求法：,1,、主矢可接力多边形规则作图求得，或用解析,法计算。,3,4,平面任意力系的简化,主矢与主矩,=,=,L,O,O,O,R,L,o,A,O,R,L,o,A,1,、,R,=0,，而,L,O,0,，原力系合成为力偶。这时力系主矩,L,O,不随简化中心位置而变。,2,、,L,O,=0,，而,R,0,，原力系合成为一个力。作用于点,O,的力,R,就是原力系的合力。,3,、,R,0,，,L,O,0,，原力系简化成一个力偶和一个作用于点,O,的力。这时力系也可合成为一个力。,说明如下：,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,简化结果的讨论,综上所述，可见：,4,、,R,=,0,，而,L,O,=,0,，原力系平衡。,、平面任意力系若不平衡，则当主矢主矩均不为零时，则该力系可以合成为一个力。,、平面任意力系若不平衡，则当主矢为零而主矩不为零时，则该力系可以合成为一个力偶。,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,平面任意力系的合力对作用面内任一点的矩，等于这个力系中的各个力对同一点的矩的代数和。,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,合力矩定理,y,x,O,x,y,A,B,F,1,F,2,F,3,F,4,O,A,B,C,x,y,2m,3m,30,60,例题,3-1,在长方形平板的,O,、,A,、,B,、,C,点上分别作用着有四个力：,F,1,=1kN,，,F,2,=2kN,，,F,3,=,F,4,=3kN,（如图），试求以上四个力构成的力系对点,O,的简化结果，以及该力系的最后的合成结果。,解：,取坐标系,Oxy,。,1,、求向,O,点简化结果：,求主矢,R,：,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,R,O,A,B,C,x,y,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,F,1,F,2,F,3,F,4,O,A,B,C,x,y,2m,3m,30,60,求主矩,：,（,2,）、求合成结果：合成为一个合力,R,，,R,的大小、方向与,R,相同。其作用线与,O,点的垂直距离为：,R,/,O,A,B,C,x,y,L,o,R,d,3,4,平面任意力系简化结果的讨论,.,合力矩定理,F,1,F,2,F,3,F,4,O,A,B,C,x,y,2m,3m,30,60,平衡方程其他形式：,A,、,B,的连线不和,x,轴相垂直。,A,、,B,、,C,三点不共线。,平面任意力系平衡的充要条件：,力系的主矢等于零 ，又力系对任一点的主矩也等于零。,平衡方程：,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,解：,1,、取伸臂,AB,为研究对象,2,、受力分析如图,y,T,P,Q,E,Q,D,x,B,A,E,C,D,F,Ay,F,Ax,a,c,b,B,F,A,C,Q,D,Q,E,l,例题,3-2,伸臂式起重机如图所示，匀质伸臂,AB,重,P,=2200N,，吊车,D,、,E,连同吊起重物各重,Q,D,=,Q,E,=4000N,。有关尺寸为：,l,= 4.3m,，,a,= 1.5m,，,b,= 0.9m,，,c,= 0.15m,=25,。试求铰链,A,对臂,AB,的水平和垂直反力，以及拉索,BF,的拉力。,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,3,、选列平衡方程：,4,、联立求解，,可得：,T,= 12456 N,F,Ax,= 11290 N,F,Ay,= 4936 N,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,y,T,P,Q,E,Q,D,x,B,A,E,C,D,F,Ay,F,Ax,解：,1,、取梁,AB,为研究对象。,2,、受力分析如图，其中,Q,=,q,.,AB,=1003=300N,；作用在,AB,的中点,C,。,B,A,D,Q,N,Ay,N,Ax,N,D,C,M,y,x,B,A,D,1m,q,2m,M,例题,3-3,梁,AB,上受到一个均布载荷和一个力偶作用，已知载荷集度,q,= 100N/m,，力偶矩大小,M = 500 N,m,。长度,AB,= 3m,，,DB,=1m,。求活动铰支,D,和固定铰支,A,的反力。,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,3,、列平衡方程：,4,、联立求解：,N,D,= 475 N,N,Ax,= 0,N,Ay,= -175 N,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,B,A,D,Q,N,Ay,N,Ax,N,D,C,M,y,x,2580,2083,770,A,B,C,T,Q,解：,1,、取机翼为研究对象。,2,、受力分析如图,.,Q,N,Ay,N,Ax,M,A,B,C,T,A,例题,3-4,某飞机的单支机翼重,Q,=7.8 kN,。飞机水平匀速直线飞行时，作用在机翼上的升力,T,= 27 kN,，力的作用线位置如图示。试求机翼与机身连接处的约束力。,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,4,、联立求解：,M,A,=-38.6 kN,m (,顺时针）,N,Ax,=,0,N,Ay,=-19.2 kN,（向下）,3,、列平衡方程：,3,5,平面任意力系的平衡条件和平衡方程,Q,N,Ay,N,Ax,M,A,B,C,T,A,且,A,、,B,的连线不平行于力系中各力。,由此可见，在一个刚体受平面平行力系作用而平衡的问题中，利用平衡方程只能求解二个未知量。,平面平行力系平衡的充要条件：,力系中各力的代数和等于零 ，以这些力对任一点的矩的代数和也等于零。,平面平行力系的平衡方程：,3,6,平面平行力系的平衡,G,N,A,Q,W,P,N,B,A,B,3.0,2.5,1.8,2.0,解：,1,、取汽车及起重机为研究对象。,2,、受力分析如图。,例题,3-5,一种车载式起重机，车重,Q,= 26kN,，起重机伸臂重,G,= 4.5kN,，起重机的旋转与固定部分共重,W,= 31kN,。尺寸如图所示，单位是,m,，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重量,P,max,。,3,6,平面平行力系的平衡,4,、联立求解：,3,、列平衡方程：,5,、不翻条件：,N,A,0,故,最大起重重量为,P,max,= 7.5 kN,3,6,平面平行力系的平衡,G,N,A,Q,W,P,N,B,A,B,3.0,2.5,1.8,2.0,一、几个概念：,1,、物体系,由若干个物体通过约束组成的系统,2,、外 力,物体系以外任何物体作用于该系统的力,3,、内 力,物体系内部各物体间相互作用的力,二、物体系平衡方程的数目：,由,n,个物体组成的物体系，总共有不多于,3,n,个独立,的平衡方程。,3,7,物体系的平衡与静不定问题的概念,静定,静不定,静不定,静不定,三、静定与静不定概念：,1,、静定问题,当系统中未知量数目等于或少于独立平衡方程数目时的问题。,2,、静不定问题,当系统中未知量数目多于独立平衡方程数目时，不能求出全部未知量的问题。,3,7,物体系的平衡与静不定问题的概念,解：,1,、取,AC,段研究，受力分析如图。,例题,3-6,三铰拱桥如图所示，由左右两段借铰链,C,连接起来，又用铰链,A,、,B,与基础相联结。已知每段重,G,=40 kN,，重心分别在,D,、,E,处，且桥面受一集中载荷,P,=10 kN,。设各铰链都是光滑的，试求平衡时，各铰链中的力。尺寸如图所示，单位是,m,。,物体系的平衡问题,P,3,D,E,A,B,C,N,Cy,N,Cx,N,Ay,N,Ax,D,A,C,列平衡方程：,2,、再取,BC,段研究，受力分析如图。,列平衡方程：,物体系的平衡问题,P,B,C,E,N,Cy,N,Cx,N,Ay,N,Ax,D,A,C,联立求解：可得,N,Ax,= -N,Bx,= N,Cx,=,9.2 kN,N,Ay,=,42.5 kN,N,By,=,47.5 kN,N,Cy,=,2.5 kN,N,Cx,和,N,Cx,、,N,Cy,和,N,Cy,是二对作用与反作用力。,物体系的平衡问题,解：,1,、取,CE,段为研究对象，受力分析如图。,P,l,/8,q,B,A,D,L,C,H,E,l,/4,l,/8,l,/4,l,/4,L,Q,1,3,l,/8,C,E,H,l,/8,N,C,N,E,例题,3-7,组合梁,AC,和,CE,用铰链,C,相连，,A,端为固定端，,E,端为活动铰链支座。受力如图所示。已知：,l,=8 m,，,P,=5 kN,，均布载荷集度,q,=2.5 kN/m,，力偶矩的大小,L,= 5kN,m,，试求固端,A,、铰链,C,和支座,E,的反力。,物体系的平衡问题,列平衡方程：,2,、取,AC,段为研究对象，受力分析如图。,联立求解：可得,N,E,=2.5 kN,（向上）,N,C,=2.5 kN,（向上）,Q,2,P,L,A,l,/4,A,C,H,l,/8,l,/8,N,A,L,Q,1,3,l,/8,C,E,H,l,/8,N,C,N,E,物体系的平衡问题,列平衡方程：,联立求解：可得,L,A,= 30 kN,m,N,A,= -12.5 kN,Q,2,P,L,A,l,/4,A,C,H,l,/8,l,/8,N,A,物体系的平衡问题,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,1,、桁架,一种由若干杆件彼此在两端用铰链连接而成，受力后几何形状不变的结构。,如图分别是普通屋顶桁架和桥梁桁架。,一、概念：,2,、平面桁架,所有杆件都在同一平面内的桁架。,3,、节 点,桁架中杆件的铰链接头。,4,、杆件内力,各杆件所承受的力。,5,、静定桁架,如果从桁架中任意抽去一根杆件，则桁架失去形状的固定性。,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,1,、桁架中的杆件都是直杆，并用光滑铰链连接。,二、桁架计算的常见假设：,三、桁架结构的优点：,可以充分发挥材料的作用，减轻结构的重量，,节约材料。,2,、桁架受的力都作用在节点上，并在桁架的平面内。,3,、桁架的自重忽略不计，或被平均分配到杆件两端,的节点上，这样的桁架称为理想桁架。,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,四、计算桁架杆件内力的方法：,1,、节点法,-,应用共点力系平衡条件，逐一研究桁,架上每个节点的平衡。,2,、截面法,-,应用平面任意力系的平衡条件，,研究桁架由截面切出的某部分的平衡。,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,a,a,a,a,P,1,A,D,C,B,E,F,P,2,解法,1:,（节点法）,1,、取整体为研究对象,受力分析如图,.,列平衡方程：,例题,3-8,如图平面桁架，求各杆内力。已知铅垂力,P,1,=4 kN,，水平力,P,2,=2 kN,。,联立求解：,N,B,=2kN,N,Ay,=2kN,N,Ax,=-2kN,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,列平衡方程：,2,、取节点,A,，受力分析如图。,联立求解：,N,Ax,N,Ay,A,S,2,S,1,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,N,B,=2kN,N,Ay,=2kN,N,Ax,=-2kN,列平衡方程：,3,、取节点,F,，受力分析如图。,S,4,S,1,S,3,F,联立求解：,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,4,、取节点,D,，受力分析如图。,列平衡方程：,S,3,S,2,P,D,D,S,6,S,5,联立求解：,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,列平衡方程：,5,、取节点,C,，受力分析如图。,S,7,S,6,C,S,9,解得：,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,列平衡方程：,6,、取节点,B,，受力分析如图。,联立求解：,N,B,B,S,9,S,8,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,解法,2:,（截面法）,1,、取整体为研究对象，受力分析如图。,列平衡方程：,联立求解,N,B,=2 KN,N,Ax,=-2kN,N,Ay,=2 KN,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,列平衡方程：,2,、取左部分为分离体，受力分析如图。,联立求解：,a,a,P,1,A,D,F,N,Ay,N,Ax,S,5,S,4,S,6,3,8,平面静力学在工程中的应用举例,P,2,a,a,a,a,P,1,A,B,C,D,E,F,N,Ay,N,B,N,Ax,小结,1,、掌握平面任意力系向一点简化的方法。会用解,析法求主矢和主矩。熟知力系简化的结果,2,、深入理解平面任意力系的平衡条件及平衡方程,的几种形式,3,、调熟练计算在平面任意力系作用下物体和物体,系的平衡问题,4,、理解简单桁架的简化假设，掌握计算其应力的,节点法和截面法,作业,3,1ae,、,3,、,7,、,8,、,21,、,25,、,26b,