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1、建筑力学电子课件建筑力学电子课件2023/1/191第1页，共48页，编辑于2022年，星期六第三章力系简化的基础知识3-1 平面汇交力系的合成与平衡条件平面汇交力系的合成与平衡条件3-2 力对点之矩力对点之矩3-3 力偶力偶力偶矩力偶矩3-4 平面力偶系的合成与平衡条件平面力偶系的合成与平衡条件3-5 力的等效平移力的等效平移第2页，共48页，编辑于2022年，星期六本章主要内容：l汇交力系（平面汇交力系）合成与平衡条件l力对点之矩（力矩）l力偶与力偶矩l力偶系及平衡条件l力的等效平衡第3页，共48页，编辑于2022年，星期六（一）汇交力系：作用在物体上的各个力，如果其作用线交汇于同一点，则
2、称该力系为汇交力系。l平面汇交力系：作用在刚体上的各个力，其作用线位于同平面内，且交汇于同一点，则称该力系为平面汇交力系。F1F2F3A A3-1 平面汇交力系的合成与平衡条件平面汇交力系的合成与平衡条件第4页，共48页，编辑于2022年，星期六l图示平行四边形法则(三角形法则)YXF1F2RRF1F2RF1F2第5页，共48页，编辑于2022年，星期六1、二力汇交的合成：平行四边形法则（三角形法则）：作用在物体上同一点的二个力可以合成为一个合力；反之，一个合力可以分解成任意二个方向的分力。只要知道一个分力的大小、方向，即可根据平形四边形法则确定另一个分力的大小方向。l三角形法则：将两分力按其
3、方向及大小首尾相连，则始点到终点的连线即为合力。该法则也称为三角形法则。第6页，共48页，编辑于2022年，星期六2、平面汇交力系的合成力多边形法则（几何法）l各分力的矢量和为合力矢R FRFRF12F23F1F2F3F4F1F2F3F4力的平行四边形法则：力的平行四边形法则：汇交力系的几何法合成：力的多边形法则汇交力系的几何法合成：力的多边形法则第7页，共48页，编辑于2022年，星期六第8页，共48页，编辑于2022年，星期六l3、力的投影：力在轴上的投影（一般在X、Y方向），来源于平行光照射下物体影子的概念。为了便于代数运算，一般选择正交的坐标轴X、Y方向投影。力的投影是代数量，与坐标轴
4、正方向相同为正。xx ABab第9页，共48页，编辑于2022年，星期六l力在坐标轴上的投影的定义：线段ab的长度并冠以适当的符号，称为力在轴上的投影，记为Fx。投影为正：从a到b的指向与投影轴x正向一致。投影为负：从a到b的指向与投影轴x正向相反。关于投影的数学定义：l Fx=F Fn nx（X=Fcos）l n nx：是轴x的方向矢量l合力投影定理：力系的合力在任一轴上的投影等于力系中各力在同一轴上的投影的代数和。这个定理可以由力的多边形法则直接导出（教材图37）可证：F1、F2、F3、F4的矢量和为AE，分别的投影为ab、bc、cd、de，其代数和为AE的投影ae。第10页，共48页，编
5、辑于2022年，星期六第11页，共48页，编辑于2022年，星期六xyF1FnF2FixyRyRxR4、平面汇交力系的合成与平衡，解析法：（1）合成：平面汇交力系可以合成为一个合力，合力作用在该力系的汇交点上，合力的大小和方向由各个分力分别在两个不平行方向上（x轴与y轴）投影之和来确定。Rx=Fix=Xi Ry=Fiy=Yi 第12页，共48页，编辑于2022年，星期六R=Rx2+Ry2=（Fix）2+（Fiy）2COS=COS=RxRRRx（2）平衡（解析法）：平面汇交力系平衡的必要与充分条件是：该力系的合力为零，即力系的矢量和为零。合力在任意两个不平行方向上投影同时为零，或各力矢量分别在该
6、二方向上的投影的代数和同时为零。平面汇交力系平衡平面汇交力系平衡 Fx=0 Fy=0R=R=F Fi i=0=0第13页，共48页，编辑于2022年，星期六l平面汇交力系有两个独立的平衡方程，可以求解两个未知量。l平面汇交力系平衡的几何条件是：该力系的力多边形是自身封闭的力多边形。l例题3-1、3-2P22-23F1F2FiFn第14页，共48页，编辑于2022年，星期六l例3-1求图示平面汇交力系的合力。已知：F1=3kN，F2=5kN，F3=6kN，F4=4kN。xyF145F230F4F360Rx=3cos45+5cos30-6cos60-4=-0.549kNRy=3sin45-5sin
7、30-6cos60-0=-3.379kNR=(-0.549)2+(-3.379)2=3.423kN=arc cos(-0.549)/3.423=260.8(R指向第三象限）第15页，共48页，编辑于2022年，星期六第16页，共48页，编辑于2022年，星期六第17页，共48页，编辑于2022年，星期六3-2 力对点的之矩力对点的之矩 ：G GF F第18页，共48页，编辑于2022年，星期六力力F F对对O O点点的的矩矩 ：d为O点到力F作用线的（垂直）距离如教材图313所示：记为 mO（F F）=Fr cos，单位：Nm（牛顿米）；其中，为位矢r的垂直方向的夹角，即r与d之间的夹角；P2
8、5矩心O力臂d位矢rABF2023/1/1919第19页，共48页，编辑于2022年，星期六矩心O力臂d位矢rABF力矩的性质：力矩的性质：力通过矩心，其矩为零；力沿作用线移动，不改变其矩；等值、反向、共线的两力对同一点矩之和为零；相对于矩心作逆时针转动的力矩为正；反之为负。力矩的数学定义：m m O O（F F）=r F=r Fm m O O（F F）=2OAB2OAB面积面积2023/1/1920第20页，共48页，编辑于2022年，星期六l合力矩定理：平面汇交力系的合力对力系平面内任一点的矩，等于力系中各力对同一点之矩的代数和。数学形式：例：按图中给定的条件，计算力F对A点的矩。a FA
9、abmA（F）=Fa sin-Fb cos 空间：Mo（R）=r R =r （Fi）=rFi =Mo（Fi）平面：平面：MO(R)=MO(Fi)第21页，共48页，编辑于2022年，星期六力偶定义：由大小相等、方向相反且不共线的两个平行力组成力偶。对物体产生转动效应，为一新物理量。l如司机两手转动方向盘，产生转动的作用。l记号：m（F，F）=mFFd3-3 力偶与力偶矩力偶与力偶矩第22页，共48页，编辑于2022年，星期六l性质1：l 无合力，故不能与一个力等效在任一轴上投影的代数和均为零；l 非平衡力系，不共线的相反平行力产生转动效果。l所以，力偶与力分别是力学中的两个基本要素。l力偶矩力
10、偶对物体转动效果度量，平面力偶为一个代数量，其绝对值等于力与力偶臂的乘积；其正负号表示力偶的转向，规定逆时针转向为正，反之为负。m=F*dl力偶的作用效果取决于三个因素：构成力偶的力、力偶臂的大小、力偶的转向。对应于式中的：F、d（二力作用线的矩）、号（定义逆时针转为正）第23页，共48页，编辑于2022年，星期六l性质2.：力偶作用的转动效果与矩心位置无关，完全由力偶矩确定。mo（F F）+mo（F F）=F*（d+x）-F*x=F*d=ml推理1：力偶可以在其作用面内任意移动，不会改变它对刚体的作用效果。力偶矩的大小及转向：大小等于组成力偶的两个力对任一点之矩的代数和；转向由代数值的符号确
11、定，逆时针为正。FFdOx第24页，共48页，编辑于2022年，星期六l推论2：力偶矩大小只与乘积Fd有关，按比例任意改为nF*d/n=Fd，乘积不变。l教材图317中的三种力偶表示，均为相同的力偶作用力偶矩相等。10N1m=2m5N=m=10Nm第25页，共48页，编辑于2022年，星期六l力偶等效定理：第26页，共48页，编辑于2022年，星期六l平面力偶系的合成：平面力偶系可合成为合力偶，合力偶矩等于平面各分力偶矩的代数和。lM1+m2+mn=mi=m3-4 平面力偶系合成与平衡条件平面力偶系合成与平衡条件第27页，共48页，编辑于2022年，星期六l力偶系平衡条件与汇交力系平衡相类似，
12、力偶系的平衡即为力偶系的作用不能使物体发生变速转动，物体处于平衡状态，其合力偶矩等于零，即力偶系中各力偶的代数和等于零。m=mi=0l平面力偶系平衡的充要条件：各力偶的力偶矩代数和等于零。mi=0第28页，共48页，编辑于2022年，星期六第29页，共48页，编辑于2022年，星期六思考题：思考题：带有不平行二槽的矩形平板带有不平行二槽的矩形平板上作用一力偶上作用一力偶m。今在槽内插。今在槽内插入两个固定于地面的销钉，入两个固定于地面的销钉，若不计摩擦则若不计摩擦则 。A 平板保持平衡平板保持平衡;B 平板不能平衡平板不能平衡;C 平衡与否不能判断。平衡与否不能判断。刚体作平面运动刚体作平面运
13、动N NA A和和N NB B不能够成力偶与主动力偶不能够成力偶与主动力偶构成平衡力偶系构成平衡力偶系ABmN NA AN NB B槽槽2023/1/1930第30页，共48页，编辑于2022年，星期六l力的等效平移定理是力系简化的基础。l力的平移定理：P30 在同一刚体上A点的力F可以等效地平移到任意一点B。但必须附加一个力偶，其力偶矩等于F对作用点B的之矩。如图所示：3-5 力的等效平移力的等效平移第31页，共48页，编辑于2022年，星期六F附加力偶m作用在刚体上A点的力F F可以等效地平移到此刚体上的任意一点B，但必须附加一个力偶m，且：m=MB(F)=Fd。FA刚体B BA刚体B B
14、d d2023/1/1932第32页，共48页，编辑于2022年，星期六（2）附加力偶的力偶矩等于原来的F对新的作用点B的矩。力向一点平移表明，一个力向任一点平移，得到与之等效的一个力和一个力偶。反之，作用在同一个刚体内的一个力和一个力偶，也可以合成为作用于某一点的一个力。力的可传性：作用于刚体上的力，其作用点沿作用线移动，而不会改变力对刚体的作用效应，称为l推论1、平移的可逆，一个力和一个力偶平移可以等效为作用在某个点的一个力。l推论2、.若B在F的作用线上，m=0力的可传性。第33页，共48页，编辑于2022年，星期六例例2 图示门式刚架，已知：图示门式刚架，已知：P=20KN，不计刚架自
15、重，求：支座，不计刚架自重，求：支座A、D的的约束反力。约束反力。PBACDDPBAC8m4mFDFAPFDFA解：解：1选取研究对象：选取研究对象：“刚架刚架”画受力图画受力图 2选取适当的比例尺，作封闭的力多边形选取适当的比例尺，作封闭的力多边形10KNabc3求解未知量：可由图中直接量取求解未知量：可由图中直接量取:FA=22.5KN,FD=10KN；亦可由亦可由几何关系计算出未知量：几何关系计算出未知量：tgtg=1/2=1/2，coscos=2/5=2/5FD=P tg=20/2=10kN，FA=P/cos=20/（2/5）=22.4kN2023/1/1934第34页，共48页，编辑
16、于2022年，星期六PBACDFDFA选取适当的坐标轴选取适当的坐标轴列平衡方程列平衡方程 Fx=0 P-FAcos=0 Fy=0 FD-FAsin=0DPBAC8m4m注意：注意：应使所选坐标轴与尽可能多的未知量相垂应使所选坐标轴与尽可能多的未知量相垂直，若所选坐标轴为水平或铅直方向，则在受力直，若所选坐标轴为水平或铅直方向，则在受力图中不用画出，否则，一定要画出。图中不用画出，否则，一定要画出。2023/1/1935第35页，共48页，编辑于2022年，星期六例例3 已知：机构如图所示，各构件自重不计，主动力偶已知：机构如图所示，各构件自重不计，主动力偶M1为已为已知，求：支座知，求：支座
17、A、B的约束反力及主动力偶的约束反力及主动力偶M。ABCDEMM1450a解：解：“BD”BDEM1FEFB M=0M1-FE a=0 FB=FE =M1/aFBFA“系统系统”系统受力偶作用，又只在系统受力偶作用，又只在E、B两点受力，则该两点的力必形两点受力，则该两点的力必形成一力偶。成一力偶。FA=FB =M1/a槽槽2023/1/1936第36页，共48页，编辑于2022年，星期六例例4 连杆机构连杆机构OABC受铅直力受铅直力P和水平力和水平力F作用而在图示位置平衡。作用而在图示位置平衡。已知已知P=4kN，不计连杆自重，求力，不计连杆自重，求力F的大小。的大小。AFPBOC6001
18、200AFPB解：解：“B”FABBFBCBFABAFAOAy Fy=0FABB=P“A”Fx=0F=FABAcos300F=Pcos300 P cos600-FABBcos600=0FABAcos300-F=0=FABBcos300X XX X2023/1/1937第37页，共48页，编辑于2022年，星期六0.6m0.4mCBAF300例例4、已知：机构如图，、已知：机构如图，F=10kN，求：求：MA(F)=?dFxFy解解:方法一方法一:MA(F)=-Fd =-10 0.6 sin600方法二方法二:MA(F)=-Fcos300 0.6+0 =-10 0.6 cos300Fx=Fcos
19、300 MA(Fx)Fy=-Fsin300 MA(Fy)=0MA(F)=MA(Fx)+MA(Fy)2023/1/1938第38页，共48页，编辑于2022年，星期六 M=0M1-FB 0-M=0 M =M1ABCDEMM1450aFBFA槽槽2023/1/1939第39页，共48页，编辑于2022年，星期六例例例例5 5：已知：已知：已知：已知:结构受力如图所示结构受力如图所示,图中图中M,r均为已知均为已知,且且l=2r.试试:画出画出AB和和BDC杆的受力图杆的受力图;求求A,C二处的约束力二处的约束力.2023/1/1940第40页，共48页，编辑于2022年，星期六 受力分析受力分析受
20、力分析受力分析:1.1.1.1.ABAB杆为二力杆杆为二力杆杆为二力杆杆为二力杆;讨论讨论讨论讨论 怎样确定怎样确定怎样确定怎样确定B B、C C二处的约束力二处的约束力二处的约束力二处的约束力 2.2.2.2.BDCBDC杆的杆的杆的杆的B B、C C二处受二处受二处受二处受力必形成有力偶，才能和力必形成有力偶，才能和力必形成有力偶，才能和力必形成有力偶，才能和主动力偶相平衡。主动力偶相平衡。主动力偶相平衡。主动力偶相平衡。2023/1/1941第41页，共48页，编辑于2022年，星期六已知杆已知杆AB和杆和杆CD的自重不计，的自重不计，且在且在C处光滑接触，若作用在杆处光滑接触，若作用在
21、杆AB上的上的力偶的矩为力偶的矩为m1，则欲使系统保持平衡，则欲使系统保持平衡，作用在作用在CD杆上的力偶的矩的杆上的力偶的矩的m2 转向如转向如图示，其矩为图示，其矩为 。A：m2 =m1;B：m2 =4 m1/3;C：m2 =2 m1。am1ADB60600 0Cm2aA A2023/1/1942第42页，共48页，编辑于2022年，星期六 铰接四连杆机构铰接四连杆机构O1ABO2在图示位置平衡。已知在图示位置平衡。已知O1A=40cm,O2B=60cm，作用在杆，作用在杆O1A上的力偶的力偶上的力偶的力偶矩矩m1=1Nm。试求杆。试求杆AB所受的力所受的力S和力偶矩和力偶矩m2的大小。的
22、大小。各杆重量不计。各杆重量不计。BAm1O1O2m23002023/1/1943第43页，共48页，编辑于2022年，星期六力系简化要点力系简化要点:1力的分解与合成l几何法：力的平行四边形法则；三角形法则；力多边形法则。l解析法：合力投影定理2汇交力系的平衡条件3、力对点之矩的计算，逆时针为正。第44页，共48页，编辑于2022年，星期六4力偶与力是力学中的两个基本要素力偶不能与一个力等效5力偶矩为力偶对物体转动效应的度量，与矩心位置无关。6合力偶 7力偶系的平衡条件第45页，共48页，编辑于2022年，星期六8几个基本等效：（1）平行四边形法则 二个分力F1、F2等效一个力（2）力偶等效
23、 大小相等、方向相反、相距d的一对力F等效于一个力偶：m=Fd（3）力向一点平移及力的可传性平移：AB，应有F及m当B在F作用线上时，附加力偶m=0，称为力的可传性。第46页，共48页，编辑于2022年，星期六四、作业习题分析四、作业习题分析1习题311（1）求铰B的支座反力：（2）求铰A的支座反力：2.习题314（1）求铰B的支座反力：（2）求铰A的支座反力：第三章习题：3-5、39a、b、c、d、e、f，311，314第47页，共48页，编辑于2022年，星期六A AB BC CD DE Ea am ma aa a3-14.3-14.图示结构受一已知力偶的作用，试求铰图示结构受一已知力偶的作用，试求铰A A和铰和铰E E的约束的约束反力。反力。解（解（1 1）取）取ECEC和和CDCD为分离体为分离体C CD DE Em mN NE E4545 N ND D4545 m mi i=0=0，N NE Eacos45-m=0acos45-m=0 N ND D=N=NE E=2m/a=2m/a（2 2）取整体为分离体）取整体为分离体m mi i=0=0，N NA A*2a-m=0*2a-m=0N NA A=N=NB B=m/=m/（2a2a）N NA AN NB B第48页，共48页，编辑于2022年，星期六