第一篇静力学
第 1 章静力学公理与物体的受力分析
1.1 静力学公理
公理 1 二力平衡公理：作用于刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等、方向相反且作用于同一直线上。F=-F'
工程上常遇到只受两个力作用而平衡的构件，称为二力构件或二力杆。
公理 2 加减平衡力系公理：在作用于刚体的任意力系上添加或取去任意平衡力系，不改变原力系对刚体的效应。
推论力的可传递性原理：作用于刚体上某点的力，可沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用。
公理 3 力的平行四边形法则：作用于物体上某点的两个力的合力，也作用于同一点上，其大小和方向可由这两个力所组成的平行四边形的对角线来表示。
推论三力平衡汇交定理：作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则此三个力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。
公理 4 作用与反作用定律：两物体间相互作用的力总是同时存在，且其大小相等、方向相反，沿着同一直线，分别作用在两个物体上。
公理 5 钢化原理：变形体在某一力系作用下平衡，若将它钢化成刚体，其平衡状态保持不变。对处于平衡状态的变形体，总可以把它视为刚体来研究。
1.2 约束及其约束力
1.柔性体约束
2•光滑接触面约束
3.光滑铰链约束
第2章平面汇交力系与平面力偶系
1. 平面汇交力系合成的结果是一个合力，合力的作用线通过各力作用线的汇交点，其大小和
方向可由失多边形的封闭边来表示,即等于个力失的矢量和，即F R=F1+F2+…..+Fn=^ F
2. 矢量投影定理：合矢量在某轴上的投影，等于其分矢量在同一轴上的投影的代数和。
3. 力对刚体的作用效应分为移动和转动。力对刚体的移动效应用力失来度量；力对刚体的转动效应
用力矩来度量，即力矩是度量力使刚体绕某点或某轴转动的强弱程度的物理量。(Mo ( F) =± Fh)
4. 把作用在同一物体上大小相等、方向相反、作用线不重合的两个平行力所组成的力系称为力偶，
记为(F,F')。
例2-8
如图2.-17 (a)所示的结构中，各构件自重忽略不计，在构件AB上作用一力偶，其力偶矩
为500kN?m，求A、C两点的约束力。
解构件BC只在B、C两点受力，处于平衡状态，因此BC是二力杆，其受力如图2-17( b) 所示。
由于构件AB上有矩为M的力偶，故构件AB在铰链A、B处的一对作用力FA、FB) 构成一力偶与矩为M的力偶平衡(见图2-17 (c))。由平面力偶系的平衡方程刀Mi=0，得-Fad+M=0
500
则有FA=FB ' N=471.40N
由于FA、FB'为正值，可知二力的实际方向正为图2-17 ( c)所示的方向。
根据作用力与反作用力的关系，可知FC=FB '471.40N，方向如图2-17 ( b)所示。
第3章平面任意力系
1. 合力矩定理：若平面任意力系可合成为一合力。则其合力对于作用面内任意一点之矩等于力系中
各力对于同一点之矩的代数和。
2. 平面任意力系平衡的充分和必要条件为：力系的主失和对于面内任意一点Q的主矩同时
为零，即F R'=0,M O=0.
3. 平面任意力系的平衡方程：刀Fx=0,刀Fy=O,刀Mo(F)=0.平面任意力系平衡的解析条件是,力系
中所有力在作用面内任意两个直角坐标轴上投影的代数和分别等于零，各力对于作用面内任一点之矩的代数和也是等于零
例3-1
如图3-8 (a)所示，在长方形平板的四个角点上分别作用着四个力，其中F仁4kN , F2=2kN , F3=F4=3kN，平板上还作用着一力偶矩为M=2kN • m的力偶。试求以上四个力及
一力偶构成的力系向O点简化的结果，以及该力系的最后合成结果。
解(1)求主矢FR'建立如图3-8 (a)所示的坐标系，有
F 'Rx=刀Fx= - F2cos60° +F3+F4cos30 ° =4.598kN
F 'Ry=刀Fy=F1 —F2sin60 ° +F4sin30 ° =3.768kN
所以，主矢为
F + FRf=5.945kN
主矢的方向
riix
cos ( F'R,i) = =0.773, / (F'R, i)=39.3 °
FRy
cos ( F'R,j) =■=0.634,/( F'R, j) =50.7°
(2)求主矩，有
M0=刀M0 ( F) =M+2F2cos60 ° - 2F2+3F4Sin30 ° =2.5kN • m
由于主矢和主矩都不为零，故最后的合成结果是一个合力FR，如图3-8 ( b)所示，
FR=F'R，合力FR到O点的距离为
d= =0.421m
例3-10
连续梁由AC和CE两部分在C点用铰链连接而成，梁受载荷及约束情况如图3-18 (a)所示，其中M=10kN • m, F=30kN , q=10kN/m , l=1m。求固定端A和支座D的约束力。
解先以整体为研究对象，其受力如图3-18 (a)所示。其上除受主动力外，还受固定端A 处的约束力Fax、Fay和矩为MA的约束力偶，支座D处的约束力FD作用。列平衡方程有刀Fx=0, Fax- Fcos45° =0
刀Fy=0, FAy- 2ql+Fsin45° +FD=0
刀MA ( F) =0, MA+M —4ql 2+3FDl+4Flsin45° =0
以上三个方程中包含四个未知量，需补充方程。现选CE为研究对象，其受力如图3- ( b) 所示。以C点为矩心，列力矩平衡方程有
1
刀MC ( F) =0,—ql 2+FDI+2FISin45° =0 联立求解得
FAx=21.21kN , Fay=36.21kN , MA=57.43kN • m, FD= - 37.43kN
第4章考虑摩擦的平衡问题
1. 摩擦角：物体处于临界平衡状态时，全约束力和法线间的夹角。tan “ m=fs
2. 自锁现象：当主动力即合力Fa的方向、大小改变时，只要Fa的作用线在摩擦角内，C
点总是在B点右侧，物体总是保持平衡，这种平衡现象称为摩擦自锁。
例4-3
梯子AB靠在墙上，其重为W=200N，如图4-7所示。梯长为I，梯子与水平面的夹角为0 =60°已知接触面间的摩擦因数为0.25。今有一重650N的人沿梯上爬，问人所能达到的最高点C 到A点的距离s为多少？
解整体受力如图4-7所示，设C点为人所能达到的极限位置，此时
FsA=fsFNA FsB=fsFNB
