1
2
平面汇交力系,
各力的作用线都在同一平面内且汇交于一点的力系。
引 言
① 平面汇交力系平面力系 ②平面平行力系 (平面力偶系是其中的特殊情况 )
③ 平面一般力系 (平面任意力系 )
研究方法:几何法,解析法。
例:起重机的挂钩。
力系分为:平面力系、空间力系平面特殊力系:指的是平面汇交力系、平面力偶系和平面平行力系。
3
§ 2–1 平面汇交力系合成和平衡的几何法
§ 2–2 平面汇交力系合成和平衡的解析法
§ 2–3 力矩,力偶的概念及其性质
§ 2–4 平面力偶系的合成与平衡
§ 2–5 平面平行力系的合成与平衡第二章 平面特殊力系
4
§ 2-1 平面汇交力系合成与平衡的几何法一、合成的几何法
c os2 212221 FFFFR
)180s i n (s i n 1 R
F
2,任意个共点力的合成为力多边形
1.两个共点力的合成合力方向由正弦定理:
由余弦定理:
c o s)1 8 0c o s (由力的平行四边形法则作,
也可用力的三角形来作。
5
结论,即:
即:平面汇交力系的合力等于各分力的矢量和,合力的作用线通过各力的汇交点。
二、平面汇交力系平衡的几何条件
FR4321 FFFFR
在上面几何法求力系的合力中,合力为零意味着力多边形自行封闭。所以平面汇交力系平衡的必要与充分的几何条件是:
平面汇交力系平衡的充要条件是:
0FR
力多边形自行封闭或力系中各力的矢量和等于零
6
[例 ]已知压路机碾子重 P=20kN,r=60cm,欲拉过 h=8cm的障碍物。求:在中心作用的水平力 F的大小和碾子对障碍物的压力。
5 7 7.0)(tg 22 hr hrr?
又由几何关系:
① 选碾子为研究对象
② 取分离体画受力图解:
∵ 当碾子刚离地面时 NA=0,拉力 F最大,这时拉力 F和自重及支反力 NB构成一平衡力系。
由平衡的几何条件,力多边形封闭,故
tg PF?co sPN B?
7
由作用力和反作用力的关系,碾子对障碍物的压力等于 23.1kN。
此题也可用力多边形方法用比例尺去量。
F=11.5kN,NB=23.1kN所以几何法解题步骤:①选研究对象;②作出受力图;
③作力多边形,选择适当的比例尺;
④求出未知数几何法解题不足,①精度不够,误差大 ②作图要求精度高;
③不能表达各个量之间的函数关系。
下面我们研究平面汇交力系合成与平衡的另一种方法:
解析法 。
8
F
F
F
X xc os
F
F
F
Y yc o s
22
yx FFF
§ 2-2 平面汇交力系合成与平衡的解析法一、力在坐标轴上的投影
X=Fx=F·cos?,
Y=Fy=F·sin?=F ·cos?
9
二、合力投影定理 由图可看出,各分力在 x轴和在 y
轴投影的和分别为:
XXXXR x 421
YYYYYR y 4321
YR y XR x
合力投影定理:合力在任一轴上的投影,等于各分力在同一轴上投影的代数和。
即:
10
合力的大小:
方向:
作用点:
2222 YXRRR
yx
x
y
R
R
tg?

X
Y
R
R
x
y 11 tgtg?

为该力系的汇交点三、平面汇交力系合成与平衡的解析法从前述可知: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,00
22
yx RRR


0
0
YR
XR
y
x 为平衡的充要条件,也叫平衡方程
11
解,①研究 AB杆
②画出受力图
③列平衡方程
④解平衡方程
0X
0Y
045co sco s 0 CDA SR?
045s i ns i n 0 CDA SRP?
[例 ]已知 P=2kN 求 SCD,RA
由 EB=BC=0.4m,
3
1
2.1
4.0tg
AB
EB?解得:
kN 24.4tg45c o s45s in 00PS CD kN 16.3c o s45c o s 0CDA SR;
12
[例 ] 已知如图 P,Q,求平衡时 =? 地面的反力 ND=?
解,研究球受力如图,
选投影轴列方程为
PP-TN D 3Q60s i n2Qs i n-Q 02
由②得
060
212c o s 21 PPTT?
由①得
0 X
0Y
0c os 12 TT?
0Qs i n2 DNT?


13
又:
co sFN?
)2(1)(co s
22
hRhRR hRR
)2( hRh
RFN


[例 ]求当 F力达到多大时,球离开地面?已知 P,R,h
解,研究块,受力如图,
解力三角形:
14
再研究球,受力如图:
作力三角形解力三角形:
s in NP?
R hRs i n?又
NN
R hRhRh RFNP )2(s i n? )2( )( hRh hRFP
hR
hRhPF
)2(
时球方能离开地面当 hR hRhPF )2(
NB=0时为球离开地面
15
1、一般地,对于只受三个力作用的物体,且角度特殊时用 几 何法(解力三角形)比较简便。
解题技巧及说明:
3、投影轴常选择与未知力垂直,最好使每个方程中只有一个未知数。
2、一般对于受多个力作用的物体,且角度不特殊或特殊,都用解析法。
16
5、解析法解题时,力的方向可以任意设,如果求出负值,说明力方向与假设相反。对于二力构件,
一般先设为拉力,如果求出负值,说明物体受压力。
4、对力的方向判定不准的,一般用解析法。
17
① 是代数量。)(FM
O
当 F=0或 d=0时,=0。)(FM O
③ 是影响转动的独立因素。)(FM O
⑤ =2⊿ AOB=F?d,2倍 ⊿ 形面积。)(FM O
力对物体可以产生 移动效应 --取决于力的大小、方向转动效应 --取决于力矩的大小、方向
§ 2-3 力矩、力偶的概念及其性质
-+dFFM
O)(
一、力对点的矩说明:
② F↑,d↑ 转动效应明显。
④ 单位 N?m,工程单位 kgf?m。
18
定理,平面汇交力系的合力对平面内任一点的矩,等于所有各分力对同一点的矩的代数和即:
二、合力矩定理由合力投影定理有:
证毕现 )()()( 21 FmFmRm ooo
[证 ]
n
i
iOO FmRm
1
)()(
od=ob+oc
oboAo A BFM o 2)( 1
ocoAo A CFM o 2)( 2
odoAo A DRM o2)(
又 ∵
19
[例 ]已知:如图 F,Q,l,求,和解,①用力对点的矩法
②应用合力矩定理
)(FmO )(Qmo
s in)(
lFdFFm
O
lQQm o)(
c t g)( lFlFFm yxO
lQQm o)(
20
① 两个同向平行力的合力 大小,R=Q+P
方向:平行于 Q,P且指向一致作用点,C处确定 C点,由合力距定理
)()( QmRm BB? QPR又
ABQCBR
代入CBACAB Q
P
CB
AC?整理得三、平面力偶及其性质力偶,两力大小相等,作用线不重合的反向平行力叫力偶。
性质 1:力偶既没有合力,本身又不平衡,是一个基本力学量。
合力距为 0
21
② 两个反向平行力的合力 大小,R=Q-P
方向:平行于 Q,P且与较大的相同作用点,C处 (推导同上)
P
Q
CA
CB?
性质 2:力偶对其所在平面内任一点的矩恒等于力偶矩,而与矩心的位置无关,因此力偶对刚体的效应用力偶矩度量。
力偶 无合力 R=F'-F=0
1' FFCACB? CACB
CBdCBCB 必有成立若,
处合力的作用点在无限远 d
22
0)( Rm O 0)'()( FmFm OO
为有限量证明 0)( Rm O
xFdxFFmFm OO ')()'()(?
)( RmdF O
说明:① m是代数量,有 +,-;
② F,d 都不独立,只有力偶矩 是独立 量;
③ m的值 m=± 2⊿ ABC;
④单位,N? m
dFm
由于 O点是任取的
dFm —+
d
23
性质 3:平面力偶等效定理作用在同一平面内的两个力偶,只要它的力偶矩的大小相等,
转向相同,则该两个力偶彼此等效。
[证 ] 设物体的某一平面上作用一力偶 (F,F')
现沿力偶臂 AB方向加一对平衡力 (Q,Q'),
Q',F'合成 R',
再将 Q,F合成 R,
得到新力偶 (R,R'),
将 R,R'移到 A',B'点,则 (R,R'),取 代了原力偶 (F,F' )
并与原力偶等效。
24
② 只要保持力偶矩大小和转向不变,可以任意改变力偶中力的大小和相应力偶臂的长短,
而不改变它对刚体的作用效应。
由上述证明可得下列 两个推论,
比较 (F,F')和 (R,R')可得
m(F,F')=2△ ABD=m(R,R')
=2 △ ABC
即△ ABD= △ ABC,
且它们转向相同。
① 力偶可以在其作用面内任意移动,而不影响它对刚体的作用效应。
25;111 dFm
222 dFm
dPm 11?又
dPm 22
'21 PPR A
2'1 PPR B
21'21'21 )( mmdPdPdPPdRM A 合力矩
§ 2-4 平面力偶系的合成与平衡平面力偶系,作用在物体同一平面的许多力偶叫平面力偶系设有两个力偶
d d
26
平面力偶系平衡的充要条件是,所有各力偶矩的代数和等于零。
n
i
in mmmmM
1
21?
即 0
1

n
i
im
结论,
平面力偶系合成结果还是一个力偶,其力偶矩为各力偶矩的代数和 。
27
[例 ] 在一钻床上水平放置工件,在工件上同时钻四个等直径的孔,每个钻头的力偶矩为求工件的总切削力偶矩和 A,B端水平反力?
mN154321 mmmm
mN60)15(4
4321

mmmmM
02.0 4321 mmmmN B
N3002.060 BN N 300 BA NN
解,各力偶的合力偶距为根据平面力偶系平衡方程有,
由力偶只能与力偶平衡的性质,
力 NA与力 NB组成一力偶。
28
§ 2-5 平面平行力系的合成和平衡平面平行力系,各力的作用线在同一平面内且相互平行的力系一、平面平行力系的合成设在刚体上作用一平面平行力系,现求其合成结果。
321?FFF,、
29
)()()()()()()( 4325121 FmFmFmFmFmRmRm ooooooo
)( io Fm
,511 FFR )()()( 511 FmFmRm ooo
根据两个平行力合成理论可知,力 与 合成一个合力
5 1 FF 1R
iFFFFFFRR )()( 4325121所以
,4322 FFFR )()()()( 4322 FmFmFmRm oooo同理
30
⑴,当 时,原力系的合成结果是一个合力当力系平行于 y轴时:
21 RR
iFRRR 21
ii YFR
合力作用线的位置,由
)()()()( 21 ioooo FmRmRmRm
iiR xFxFxFxFxR 552211,?即

i
iiii
R F
xF
R
xFx
⑵ 当 时 (即 时 ),原力系合成结果是一合力偶
21 RR 0 iF
iiio xFFmm )(
31
由平面平行力系合成分析过程可知,平面平行力系总可以与两个平行力 和 等效,由公理 1,二力 和 平衡的充要条件是:等值、反向、共线,即 ( ) 和平面平行力系平衡的充要条件为:
力系中各力的代数和等于零,同时,各力对平面内任一点的矩的代数和也等于零 。即:
1R 2R 2R1R
21 RR 0 iF
)()(0)( 21 RmRmFm ooio
二、平面平行力系的平衡条件同时满足。因此,


0)(
0
io
ii
Fm
YF
平面平行力系的平衡方程
32
平面平行力系的平衡方程也可用两矩式表示,即
0)( iA Fm
0)( iB Fm
其中,A,B两点的连线必须不与各力线平行
[例 ]已知:塔式起重机 P=700kN,
W=200kN (最大起重量 ),尺寸如图。求:①保证满载和空载时不致翻倒,平衡块 Q=? ②当
Q=180kN时,求满载时轨道 A,B
给起重机轮子的反力?
33
0)( Fm B
0)22()212(2)26( ANWPQ
0?AN
kN 75?Q
限制条件,
解得解,⑴ ①首先考虑满载时,起重机不向右翻倒的最小 Q为:
② 空载时,W=0 由 0)( Fm
A 0)22(2)26( BNPQ
限制条件 为,0?BN 解得 kN 350?Q
因此保证空、满载均不倒 Q应满足如下关系,
kN 3 5 0kN 75 Q
34
04)212(2)26( BNWPQ 0)( Fm A
,0iF 0 BA NNWPQ
kN 870
,kN 210
B
A
N
N
⑵ 求当 Q=180kN,满载 W=200kN时,NA,NB为多少由平面平行力系的平衡方程可得:
解得:
35