第2章 力系的等效与简化.ppt
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1、力系的等效与简化力系的等效与简化 理理 论论 力力 学学Friday,December 23,2022 基基基基 础础础础 部部部部 分分分分 静静静静 力力力力 学学学学第第 2 章章力系的等效与简化力系的等效与简化1力系的等效与简化力系的等效与简化力系分类:力系分类:平面力系平面力系平面力系平面力系平面汇交力系平面汇交力系平面平行力系平面平行力系(平面力偶系平面力偶系)平面一般力系平面一般力系 空间力系空间力系空间力系空间力系空间汇交力系空间汇交力系空间平行力系空间平行力系(空间力偶系空间力偶系)空间一般力系空间一般力系2力系的等效与简化力系的等效与简化 2-0 力的投影力的投影 2-1
2、力矩概念的扩展和延伸力矩概念的扩展和延伸 2-2 等效力系定理等效力系定理 2-3 力偶及其性质力偶及其性质 2-4 力系的简化力系的简化 2-5 本章讨论与小结本章讨论与小结第第2章章 力系的等效和简化力系的等效和简化3力系的等效与简化力系的等效与简化u 力在力在平面平面上的投影上的投影2-0 力的投影力的投影Fxy矢量矢量u 力在力在坐标轴坐标轴上的投影上的投影 力力F 在平面在平面xoy上投影的模为上投影的模为l 直接投影法直接投影法标量标量4力系的等效与简化力系的等效与简化l 直接投影法直接投影法l 间接投影法间接投影法Fxy(二次投影法(二次投影法(二次投影法(二次投影法)(一次投影
3、法(一次投影法(一次投影法(一次投影法)ikj5力系的等效与简化力系的等效与简化思考:思考:投影投影与与分力分力间的联系?间的联系?ikj即:即:对对正交坐标系正交坐标系,分力的大小和,分力的大小和投影的大小相等。投影的大小相等。?6力系的等效与简化力系的等效与简化即即:合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴上投:合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴上投影的影的代数和代数和。uu 合力投影定理合力投影定理合力投影定理合力投影定理将力将力 FR、Fi 表示为表示为:合力投影定理合力投影定理7力系的等效与简化力系的等效与简化 2-1-1 力对点之矩(力矩)力对点之矩(力矩)2-1 力矩概念的扩展
4、和延伸力矩概念的扩展和延伸力矩是力使物体绕力矩是力使物体绕某一点某一点转动效应转动效应的度量。的度量。u 用用矢量矢量矢量矢量表示表示力矩矢力矩矢MO(F)即即即即:力对点力对点O之矩等于矢径之矩等于矢径 r 与与该力该力F 的矢量积(叉积)。的矢量积(叉积)。矩心矩心l 大小:大小:l 方向方向:垂直于垂直于矩心矩心O和力和力F 所决定的平面所决定的平面。8力系的等效与简化力系的等效与简化矩心矩心l 大小:大小:l 方向方向:垂直于垂直于矩心矩心O和力和力F 所决定的平面所决定的平面。l 作用点:作用点:矩心矩心O。MO(F)是是定位矢定位矢定位矢定位矢指向与力矩转向服从右手螺旋法则。指向与
5、力矩转向服从右手螺旋法则。u 解析表达式解析表达式ikj9力系的等效与简化力系的等效与简化矩心矩心u 解析表达式解析表达式10力系的等效与简化力系的等效与简化u 力对轴之矩的力对轴之矩的定义定义定义定义l 正负号规定正负号规定l 力对轴之矩是力对轴之矩是代数量代数量代数量代数量力力F 对对 z 轴的矩轴的矩 2-1-2 力对轴之矩力对轴之矩 力对轴之矩力对轴之矩是力使物体绕是力使物体绕某一轴某一轴转动效应的度量。转动效应的度量。Fxy 在什么情况下在什么情况下 MOz(F)=0?11力系的等效与简化力系的等效与简化 思考思考思考思考 在什么情况下在什么情况下 MOz(F)=0?(1)Fxy=0
6、F与与z轴共面轴共面 F 平行于平行于 z 轴轴(2)h=0F 作用线通过作用线通过 z 轴轴当力与轴当力与轴当力与轴当力与轴共面共面共面共面时,力对该轴之矩等于零。时,力对该轴之矩等于零。时,力对该轴之矩等于零。时,力对该轴之矩等于零。12力系的等效与简化力系的等效与简化类似有:类似有:力对轴之矩的力对轴之矩的 解析表达式解析表达式u 力对轴之矩的力对轴之矩的另另定义定义定义定义即:力对点之矩在即:力对点之矩在过该点过该点过该点过该点的某一轴上投影,即等于力的某一轴上投影,即等于力对该轴之矩。对该轴之矩。力对点之矩与力对轴之矩的关系力对点之矩与力对轴之矩的关系13力系的等效与简化力系的等效与
7、简化 图示正立方体,已知图示正立方体,已知边长为边长为a,在前侧面作用一力,在前侧面作用一力F,求该力对三坐标轴的矩。求该力对三坐标轴的矩。例例例例2 2-1 1 解法解法解法解法1 1 按定义计算按定义计算按定义计算按定义计算 解法解法解法解法2 2 按解析式计算按解析式计算按解析式计算按解析式计算14力系的等效与简化力系的等效与简化l 对于汇交力系,合力存在;对于对于汇交力系,合力存在;对于非汇交力系非汇交力系呢?呢?2-1-3 合力矩定理合力矩定理l 投影式投影式定理定理:如果力系存在合力,则合力对于某一点之矩,等:如果力系存在合力,则合力对于某一点之矩,等于各分力对同一点之矩的于各分力
8、对同一点之矩的矢量和矢量和。对对点点的的合力矩定理合力矩定理对对轴轴的的合力矩定理合力矩定理15力系的等效与简化力系的等效与简化 例例例例2-2 2-2 图示托架受力图示托架受力F作用。已知:作用。已知:l1,l2,l3 ,。试求:试求:力力F 对对O点之矩点之矩MO(F)。?解:解:解:解:由由合力矩定理合力矩定理,有,有平面力对点之矩平面力对点之矩16力系的等效与简化力系的等效与简化 2-2-1 力系的特征量力系的特征量2-2 等效力系定理等效力系定理力系的主矢与主矩力系的主矢与主矩u 力系的主矢力系的主矢 一般力系中所有力的一般力系中所有力的矢量和矢量和,称为力系的主矢量,称为力系的主矢
9、量,简称为简称为主矢主矢(principal vector),即),即 F1F2Fn投影式:投影式:17力系的等效与简化力系的等效与简化 2-2-1 力系的特征量力系的特征量 力系的主矢与主矩力系的主矢与主矩u 力系的主矢力系的主矢 力系中所有力对于力系中所有力对于同同一点之矩的一点之矩的矢量和矢量和,称为力,称为力系对这一点的系对这一点的主矩主矩(principal moment),即),即 F1F2Fn投影式:投影式:u 力系的主矩力系的主矩O18力系的等效与简化力系的等效与简化l 力系主矩是力系主矩是定位矢定位矢,其作用点为矩心,其作用点为矩心 。l l 对于给定的力系,主矢对于给定的力
10、系,主矢对于给定的力系,主矢对于给定的力系,主矢唯一唯一唯一唯一;l 主矢仅与各力的大小和方向主矢仅与各力的大小和方向 有关,不涉及作用点和作用线,因而主矢是有关,不涉及作用点和作用线,因而主矢是自由矢自由矢。u 力系的主矢力系的主矢F1F2Fn力系主矢的特点:力系主矢的特点:u 力系的主矩力系的主矩l l 力系主矩与矩心力系主矩与矩心(O)的位的位置有关;置有关;力系主矩的特点:力系主矩的特点:19力系的等效与简化力系的等效与简化 例例例例2-3 2-3 图示为等腰直角三角形板图示为等腰直角三角形板OAB,已知:,已知:F1=F,F2=,F3=3F。求求:力系的主矢及向力系的主矢及向O、A两
11、点的主矩两点的主矩。FR 思考思考思考思考 若为空间力系,则该如何计算?若为空间力系,则该如何计算?20力系的等效与简化力系的等效与简化 2-2-2 等效力系定理等效力系定理如何判断两力系等效?如何判断两力系等效?MCFBFA力系力系1 1FCMEMD力系力系2 2 两不同力系对刚体运动效应相等的条件是:两不同力系对刚体运动效应相等的条件是:这两力这两力系的主矢以及对于同一点的主矩分别对应相等系的主矢以及对于同一点的主矩分别对应相等。等效力系定理等效力系定理等效力系定理等效力系定理21力系的等效与简化力系的等效与简化 2-3-1 力偶的概念力偶的概念2-3 力偶及其性质力偶及其性质 力偶力偶力
12、偶力偶是由两个是由两个大小相等大小相等、方方向相反向相反且且不共线不共线的平行力所组成的平行力所组成的的力系力系力系力系。ABFFd用用(F,F)表示。表示。力偶对刚体的作用效应?力偶对刚体的作用效应?l 力偶作用面力偶作用面l 力偶臂力偶臂 力偶中两力作用线之间的距离力偶中两力作用线之间的距离 d。力偶中两力所决定的平面。力偶中两力所决定的平面。转动效应转动效应转动效应转动效应l 力偶是最简单、最基本的力系。力偶是最简单、最基本的力系。22力系的等效与简化力系的等效与简化 工程中的力偶实例工程中的力偶实例FF23力系的等效与简化力系的等效与简化=力偶力偶三要素三要素l 转动效应的大小转动效应
13、的大小l 力偶在作用面内的力偶在作用面内的转向转向l 力偶作用面的力偶作用面的方位方位如何如何如何如何度量力偶对刚体的度量力偶对刚体的转动效应转动效应转动效应转动效应?24力系的等效与简化力系的等效与简化 2-3-2 力偶矩矢(量)力偶矩矢(量)l 大小:大小:M =F dl 方位:方位:沿力偶作用面的沿力偶作用面的法线法线l 指向:指向:与力偶转向间服从与力偶转向间服从右手螺旋法则右手螺旋法则 是力偶使刚体产生是力偶使刚体产生转动效应转动效应的度量。的度量。力偶矩矢是力偶矩矢是自由矢自由矢。力偶力偶三要素三要素l 转动效应的大小转动效应的大小l 力偶在作用面内的力偶在作用面内的转向转向l 力
14、偶作用面的力偶作用面的方位方位25力系的等效与简化力系的等效与简化 2-3-3 力偶的基本性质及其推论力偶的基本性质及其推论性质性质1 力偶没有合力,不能与一个力等效,也不能用力偶没有合力,不能与一个力等效,也不能用力偶没有合力,不能与一个力等效,也不能用力偶没有合力,不能与一个力等效,也不能用一个力来平衡。一个力来平衡。一个力来平衡。一个力来平衡。力偶本身不平衡,那么力偶用什么来平衡?力偶本身不平衡,那么力偶用什么来平衡?性质性质2 力偶在任一轴上的投影恒为零。力偶在任一轴上的投影恒为零。AFFBd或:或:或:或:26力系的等效与简化力系的等效与简化 力偶对任一点的矩都等于其力偶对任一点的矩
15、都等于其力偶矩矢力偶矩矢,与矩心,与矩心 的位置无关。的位置无关。证明:证明:力偶对力偶对O点的矩:点的矩:对对O1点,也得到同样结果。点,也得到同样结果。O1性质性质3 27力系的等效与简化力系的等效与简化力偶可以在其力偶可以在其作用面内作用面内任意任意移动移动和和转动转动,也,也可连可连其作用面一起其作用面一起平行移动平行移动,而不改变力偶对刚体的而不改变力偶对刚体的作用效应作用效应。推论推论1 FF FF 只要保持只要保持力偶矩矢不变力偶矩矢不变,力偶可在作用面内任意,力偶可在作用面内任意移动移动,其对刚体的作用效应不变。,其对刚体的作用效应不变。=28力系的等效与简化力系的等效与简化F
16、FFF 只要保持只要保持力偶矩矢不变力偶矩矢不变,力偶可在作用面内任意,力偶可在作用面内任意转动转动,其对刚体的作用效应不变。,其对刚体的作用效应不变。=29力系的等效与简化力系的等效与简化 只要保持只要保持力偶矩矢不变力偶矩矢不变,力偶,力偶可可连其连其作用面一起作用面一起平行移动平行移动,其对刚体的作用效应不变。,其对刚体的作用效应不变。=30力系的等效与简化力系的等效与简化 只要保持力偶矩矢不变,可以同时改变力偶中只要保持力偶矩矢不变,可以同时改变力偶中 力的大小力的大小和和力偶臂的长短力偶臂的长短,而不改变力偶对刚,而不改变力偶对刚 体的作用效应。体的作用效应。推论推论2 注意:注意:
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- 第2章 力系的等效与简化 力系 等效 简化
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