2022年工程力学电子教案第三章 .pdf
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1、学习必备欢迎下载第一章平面任意力系第一节 平面任意力系向作用面内一点简化教学时数: 2 学时教学目标:1、 掌握平面任意力系向一点简化的方法2、 会应用解析法求主矢和主矩3、 熟知平面任意力系简化的结果教学重点:1、平面任意力系向作用面内任一点的简化2、力系的简化结果教学难点:主矢和主矩的概念教学方法:板书 PowerPoint教学步骤:一、概述各力的作用线分布在同一平面内的任意力系称为平面任意力系,简称平面力系。 平面力系的研究不仅在理论上而且在工程实际应用上都具有重要意义。首先,平面力系是工程中常见的一种力系。另外许多工程结构和构件受力作用时,虽然力的作用线不都在同一平面内,但其作用力系往
2、往具有一对称平面,可将其简化为作用在对称平面内的力系。下面介绍的方法是力系向一点简化的方法。这种方法不但简便,易于分析简化结果,而且可以扩展到空间力系中去,力的平移定理是力系向一点简化的理论基础。1、力的平移定理FFFOdOOdFF0MO精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 22 页学习必备欢迎下载(3)(2) (1) 定理:可以把作用在刚体上点O 的力平移到任一点O,但必须同时附加一个力偶,这个附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点O的力矩 . 证明:设一个力F作用于刚体上的O点,如图(1) 所示在刚体上任取一点O , 此点到力
3、F作用线的距离为d,在 O 点加上大小相等、方向相反而且与力F平行的两力FF,,并使FFF, 根 据 加 减 平 衡 力 系 公 理 , 显 然 力 系),()(FFFF。 但 在 力 系),(FFF中力F与F构成了力偶,于是原作用在O点的力F,被一个作用在O点的力F和一个力偶),(FF所代替。 而且F的大小和方向与原力F相同, 因此可以把作用于O 的力平移到O 点,但必须同时附加一个力偶。因此力F对 O点的力矩dFFMo)(。所以附加力偶的力偶矩dFFMMo)(,又注意到O点的任意性,于是定理得证。2.平面力系向平面内一点简化.o1F2FnFF.o0M.o1F2FnF1M2MnM设在刚体上作
4、用一平面力系),(21nFFF,各力的作用点如图所示。O称简化中心iOiFMM主矢iFF22iyixFFFFFixcosFFiycos主矩iOOFMM结论:平面力系向作用面内任一点简化,一般可得到一个力和一个力偶,该力通过简化中心,其大小和方向等于力系的主矢,主矢的大小和方向与简化中心无关;该力偶的力偶矩等于力系对简化中心的主矩,主矩的大小和转向与简化中心相关。3固定端约束(插入端约束)概念;物体的一部分固嵌于另一物体中所构成的约束。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 22 页学习必备欢迎下载实例:电线杆。(a)(b)(c)
5、(d).AA.AYFAMAXFAMAFA.当主动力为一平面力系时,物体在固嵌部分所受的力系也是一个平面力系,一般比较复杂,但可向点简化为一力和一力偶,力的大小和方向都是未知的,用如图d 所示表示。4平面力系简化的最后结果1)简化结果(1)0, 0OMF平面力系平衡(2)0, 0OMF平面力系简化为一合力偶,力偶矩的大小和转向由主矩决定,与简化中心无关。(3)0, 0OMF平面力系简化为一合力,此合力过简化中心,大小和方向由主矢确定。(4)0,0OMF平面力系简化为一合力,合力F的作用线在点O的哪一侧, 应使得F对O之矩与主矩OM的转向相同。图中FMdOFFFOdOOdFF0MO2)合力矩定理i
6、OOOFMMFddFFM即平面力系的合力对作用面内任一点的矩等于力系中各力对同一点矩的代数和,称为平面力系的合力矩定理。3)合力作用线方程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 22 页学习必备欢迎下载xyFFO(x,y)OoM由平面内力对点之矩的解析表达式可知OxyOMyFxFFM其中是yx,合力作用线上任一点。例 4.1 求如图a,b所示的作用在AB梁上的分布载荷的合力的大小和作用线位置。1)梁上作用一均布载荷,载荷集度为mNq2)梁上作用一线形分布载荷,左端的载荷集度为零,右端的载荷集度为mNq02L2LABq(a)0qA
7、BxdxL(b)2L2LABq(c)Fcx0qABxdxL(d)F解:1)“均布载荷” 的合力可当作均质杆的重力处理,所以合力的大小为qlF, 作用在AB梁的中心,如图a3)当载荷不均匀分布时,可以通过积分来计算合力的大小和作用线位置。在梁上离A端x处取微元dx,由于载荷线性分布,在x处的集度lxqq01,于是在dx上作用力的大小为:ldxxqdxqdF01精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 22 页学习必备欢迎下载合力的大小为20000lqdxlxqdFFll利用合力矩定理计算合力作用线的位置。设合力F的作用线离A端的距离
8、为cx,有LcxdFFx0321020dxlxqFxlc例2已知:矩形板的四个顶点上分别作用四个力及一个力偶如图a所示。其中KNF21,KNF32,KNF43,KNF24力偶矩mKMM10,转向如图所示,图中长度单位为m。试分别求 :1)力系向点B简化结果2)力系向点C简化结果3)力系简化的最后结果xy12ABCD451F2F3F4FMxyABCDBMxFyFFxyFABCDCMxyABCD(-3,0)F解: 1 计算力系的主矢F:KNFFFFixx245cos24KNFFFFFiyy145sin431所以KNFFFyx52255252cosFFx5551c o sFFyF的解析式jiF122
9、 向B点简化的主矩mKNFMFFMB32245sin145cos344即平面力系向点B简化得到一力和一力偶,该力过点B,其大小和方向与力系的主矢F相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 22 页学习必备欢迎下载同。该力偶的力偶矩等于主矩BM,如图b3、向C点简化的主矩利用两点之矩的关系计算FMMMCBCKNFy523平面力系向点C简化仍得到一力和一力偶,该力过点C,其大小和方向仍与力系的主矢相同,该力偶的力偶矩等于主矩cM,如图c4 力系简化的最后结果因为主矢0F,所以力系简化的最后结果为一合力F,其大小和方向与主矢F相同,作
10、用线方程为:32yx合力F为轴x的交点坐标为(-3,0) 。课堂小结:关于主矢和主矩,需弄清楚以下几点:1、 主矢不是力,主矩不是力偶。主矢和主矩是描述平面任意力系对物体作用效果的量。2、 主矢是自由矢量,只有大小和方向,描述平面任意力系使物体平动的作用效果;平面任意力系的主矩是代数量,只有大小和正负,描述平面任意力系使物体绕某点转动的作用效果。3、主矢与简化中心的选择无关。从这个意义上讲,主矢是力系的一个不变量。而主矩与简化中心的选择有关。作业布置:1、某平面力系向 A、B 两点简化的主矩皆为零, 此力系简化的最终结果可能是一个力吗?可能是一个力偶吗?可能平衡吗?2、课本习题 3-1,3-2
11、。教学后记:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 22 页学习必备欢迎下载第二节 平面任意力系的平衡条件和平衡方程教学时数: 2 学时教学目标:1、 深入理解平面任意力系的平衡条件及平衡方程的三种形式2、 能够熟练解决平面任意力系的平衡问题教学重点:1、平面任意力系平衡的解析条件2、平衡方程的各种形式教学难点:平面任意力系平衡的解析条件教学方法:板书 PowerPoint教学步骤:1 平面力系的平衡方程1)基本形式:平面力系是平面汇交力系和平面力偶系的组合,因而平面力系平衡的必要条件是0F,00M解析式为:000OiyixMF
12、F即平面力系平衡的必要与充分的解析条件是:力系中各力在作用面内两个直角坐标轴上投影的代数和等于零,力系中各力对于平面内任意点之矩的代数和也等于零。2)二力矩式000ixiBiAFFMFM且x轴不垂直于A、B两点连线。证明:必要性,若平面力系平衡,则0F,0OM易知成立。充分性:反证法,假定成立,而力系不平衡,则由前两式知力系不能简化为合力偶,所以必为一合力,且此合力必过A ,B两点,由0ixF知此合力必垂直于x轴,与已知矛盾,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 22 页学习必备欢迎下载所以 (4.11)成立,必有力系平衡。3
13、)三力矩式000iCiBiAFMFMFM且A、B、C不共线例:平面平行力系的平衡方程。基本形式:00iOiyFMF二力矩式:00iBiAFMFM2、应用例 1:图a所示结构中,DCA,三处均为铰链约束。横杆AB在B处承受集中载荷1F,结构各部分尺寸均示于图中,若已知1F和l,试求撑杆CD的受力以及A处的约束力。2l1F2l2lABCD45AXFAYF1FBCF解:研究对象:ACB杆1受力分析:易知CD是二力杆,所以点C受力如图2列平衡方程求解:3研究对象:ACB杆4受力分析:易知CD是二力杆,所以点C受力如图5.列平衡方程求解:(1)基本方程:0ixF045cosBCAxFF0iyF045si
14、n1FFFBCAy0iAFM0245sin1lFlFBC精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 22 页学习必备欢迎下载可得111222FFFFFFAyAxBC(2)三力矩式:0iAFM0245sin1lFlFBC0iBFM0221lFlFAy0iCFM021lFlFAx可得111222FFFFFFAyAxBC例 2:如图a所示,水平梁AB受到一分布载荷和一力偶作用,已知0q、M、l不计梁自重,求支座BA,的反力。ABq30MABAXFAYF30MBF32L21qL解: 1、研究对象:AB梁2、受力分析:如图b3、列方程求解:0
15、ixF030cosBAxFF0iyF02130cos0lqFFBAy0iAFM030cos32210lFllqMB解得lqlMFlMlqFlqlMFAyAxAx00093233269333例 3:平面钢架的受力及各部分如图a所示,A端为固定端约束。若图中q、1F、M、l精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 22 页学习必备欢迎下载等均为已知,试求A端的约束力。ABLLM2LCDLq1FLql2LLM1FAXFAYFAM2L2L解: 1、研究对象,钢架ABCD2、受力分析:如图b3、列方程求解:0ixF0qlFAx0iyF01F
16、FAy0iAFM0231llqlFMMA解得qllFMFFFqlFAyAxAx2311例 4:长凳的几何尺寸和重心位置如图a所示,设长凳上的重量为NW100,求重为NP700的人在长凳上的活动范围x。ABPW1m2m1m1mABPWxAFBF解: 1、取研究对象:长凳2、受力分析:如图b所示3、列平衡方程求解长凳受平行力系作用,但有3 个未知量:AF、BF的大小和x。需要利用翻倒条件补充精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 22 页学习必备欢迎下载一个方程。 下面分两种情况讨论,当人在长凳的左端时,长凳有向左翻倒的趋势,要保
17、证凳子平衡而不向左翻倒,需满足平衡方程0iAFM0321BFWxP和限制条件0AF临界平衡时0AF解得:mx71.0min当人在长凳的右端时,长凳有向右翻倒的趋势,要保证凳子平衡而不向右翻倒,需满足平衡方程0iAFM0314AFWxP和限制条件0BF临界条件时0BF解得mx14.4max所以人在长凳上的活动范围为mxm14. 471.0课堂小结:对于平面任意力系的三种形式的方程组,都可以求解平面任意力系的平衡问题。但对于单个刚体来说, 只能列出三个独立的方程,求解三个未知量。在具体解题时,要通过合理选取矩心和投影轴,合理的选用方程组的形式,尽量避免联立解方程组的麻烦。另外,平面平行力系是平面任
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