理论力学13力偶与力偶矩

第一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（条件）作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的充分必要条件是：这两个力大小相等，方向相反，且在同一直线上。

✧公理2 加减平衡力系原理在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，不改变原力系对刚体的作用。

（效应不变）✧公理3 力的平行四边形法则作用在物体上的同一点的两个力，可以合成为一个合力。

合力作用点也是该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。

✧公理4 作用和反作用定律作用力与反作用力总是同时存在，两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线，分别作用在两个相互作用的物体上。

✧公理5 刚化原理变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体刚化为刚体，其平衡状态保持不变。

✓推论1 力的可传性作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用。

✓推理2 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，则此三力必在同一平面内，且第三力的作用线通过汇交点。

§1.2 约束和约束力一、约束的概念•自由体：位移不受限制的物体。

•非自由体：位移受限制的物体。

•约束：对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体。

二、约束反力（约束力）•约束力：约束对物体作用的力。

•在静力学中，约束力和物体受到的其它已知力（主动力）组成平衡力系，可用平衡条件求出未知的约束力。

三、工程常见约束•光滑平面约束•柔索约束•光滑铰链约束•固定铰链支座•止推轴承径向轴承•平面固定端约束§1.3 物体的受力分析和受力图受力分析：确定构件受了几个外力，每个力的作用位置和方向的分析过程。

•步骤：1．取研究对象（画分离体：按原方位画出简图）。

2．画主动力：主动力照搬。

3．画约束反力：根据约束性质确定。

第二章 平面汇交力系与平面力偶系§2–1 平面汇交力系平面汇交力系：各力的作用线都在同一平面内且汇交于一点的力系。

平面力系1. 平面汇交力系可简化为以合力，其大小和方向等于各分力的矢量和，合力的作用线通过汇交点。

2. 平面汇交力系平衡的充要条件为合力等于零，与任意力系不同，任意力系由于不能汇交，会产生力偶，必须得满足主矢主矩都等于零才平衡。

3. 平面汇交力系可以通过解析法，即将各力分解到直角坐标系上，再求合力。

4. 力对点取矩：是一个代数量，绝对值等于力的大小与力臂的乘积：Fd F Mo =)(5. 合力矩定理：平面力系的合力对于平面内任一点的矩等于所有分力对该点的矩的代数和。

6. 力偶、力偶矩：力偶由两个大小相等，方向相反，作用线不在同一直线上的平行力组成。

力偶矩等于平行力的大小乘上平行力的间距，逆时针为正，顺时针为负。

7. 力偶的等效定理：在同一平面内，只要力偶矩的大小和转向不变，力偶的作用效果就不变。

8. 平面力系的简化：平面任意力系向一点的简化结果为一合力和一合力偶，合力称为主矢，合力偶为主矩。

主矢作用线过简化中心。

9. 平面任意力系平衡的充要条件：⎩⎨⎧==00'Mo F R ，其平衡方程为∑=0x F ，∑=0y F ，∑=0)(Fi Mo ，是三个独立的方程，可以求解三个未知数。

10. 静定问题：当系统中的未知量数目等于独立平衡方程的数目，则所有未知数都能解出，这种问题称为静定问题。

反之为非静定问题。

空间力系11. 空间汇交力系的合力等于各分力的矢量和，合力的作用线过汇交点。

可得合力的大小和方向余弦：()()()222∑∑∑++Fz Fy Fx R F ，()R R F Fx i F ∑=,cos ，其余类似。

12. 空间汇交力系平衡的充要条件为该力系的合力为零，或所有分力在三个坐标轴上投影的代数和为零，∑∑∑===0,0,0Fz Fy Fx ，可求三个未知数。

13. 力对点的矩矢等于该力作用点的矢径与该力的矢量积：()F r F M ⨯=o ；若k Fz j Fy i Fx F k z j y i x r ++=++=,，由行列式可得，()()()()k yFx xFy j xFz zFx i zFy yFz F Mo -+-+-=，在坐标轴上的投影为()[]yFz zFy F Mo x -=，()[]xFz zFx F Mo y -=，()[]yFx xFy F Mo z -=。

1、二力杆：只在两个力作用下平衡的构件。

2、静力学公理：1）平行（力的平行四边形法则）：作用于物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力也作用于该点，合力的大小和方向，由这两个力构成的平行四边形的对角线确定。

刚体或者变形体都适用。

2）平衡（二力平衡公理）：作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡的必要和充分条件是这两个力的大小相等，方向相反，且在同一直线上。

只适用于刚体。

3）加减（加减平衡力系公理）：在作用于刚体上的任意力系中，加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。

只适用于刚体。

（1）可传（力的可传性原理）：作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移动到刚体上的任意一点，并不改变该力对刚体的作用。

（2）三交汇（三力平衡交汇定理）：作用于刚体上三个相互平衡的力，其中两个力的作用线汇交于一点，则此三力必在平面上，且第三个力的作用线也通过该汇交点。

4）相互（作用与反作用定律）：作用力和反作用力总是同时存在，大小相等、方向相反，沿同一直线，分别作用在两个相互作用的物体上。

对刚体或变形体都适用。

5）刚化（刚化原理）：变形体在某一力系作用下处于平衡，若将此变形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变。

3、自由体和非自由体：运动不受限制的物体称为自由体；运动受到限制的物体称为非自由体。

4、两力相等和两个力等效不是一回事，力相等（大小、方向、作用点），力等效（根据力的可传递性原理，作用点可不一样，教材第7页；一个合力可以与力系等效，但合力不等于力系）。

平衡力系：物体处于平衡状态时，作用于物体上的力系。

等效力系：如果作用于物体上的力系可以用另一个力系代替，二不改变物体的原有状态。

5、约束反力，存在于相互接触之处，与约束所能限制的位移方向相反。

光滑铰链约束特点：构件只能绕销钉的轴线转动，而不能相对移动。

6、各种约束的约束特点：柔性约束：方向沿着绳索中心线而背离物体。

光滑面约束：约束反力作用在接触点，沿接触面的公法线指向被约束物体。

习 题13-1 如图13-16所示，一飞机以匀加速度a 沿与水平线成仰角b 的方向作直线运动。

已知装在飞机上的单摆的悬线与铅垂线所成的偏角为f ，摆锤的质量为m 。

试求此时飞机的加速度a 和悬线中的张力F T 。

图13-16ma F =I 0cos sin 0I T =-=∑βϕF F F xϕβsin cos IT F F =0sin cos 0I T =--=∑mg F F F y βϕ0sin cos sin cos I I =--mg F F βϕϕβ0sin )cos(I=-+mg F ϕβϕ mgma=+ϕβϕsin )cos()cos(sin βϕϕ+=g amg maF F )cos(cos sin cos sin cos I T βϕβϕβϕβ+===13-2 球磨机的简图如图13-17所示，滚筒作匀速转动，内装钢球及被粉碎的原料，当钢球随滚筒转到某一角度f 时，将脱离筒壁作抛射运动，由于钢球的撞击，从而破碎与研磨原料。

已知钢球脱离筒壁的最佳位置'4054︒=ϕ，滚筒半径R =0.6m 。

试求使钢球在'4054︒=ϕ处脱离滚筒的滚筒转速。

图13-172n I ωmR ma F == 0cos 0I N n =-+=∑F mg F F ϕ)cos (cos cos 22I N ϕωϕωϕg R m mg mR mg F F -=-=-=令0N =F0cos 2=-ϕωg RR g ϕωcos =min r/35.296.00454cos 8.9π30cos π30π30='︒⨯===R g n ϕω13-3 一质量为m 的物块A 放在匀速转动的水平转台上，如图13-18所示。

已知物块的重心距转轴的距离为r ，物块与台面之间的静摩擦因数为s μ。

试求物块不致因转台旋转而滑出时水平转台的最大转速。

图13-182n I ωmr ma F == 00N =-=∑mg F F ymg F =N00I =-=∑F F F x0N s 2=-F mr μω 0s 2=-mg mr μωrgs μω=rgn s max π30π30μω==13-4 离心调速器的主轴以匀角速度w 转动，如图13-19所示。

绪论1.按照定义：“理论力学”是研究物体机械运动一般规律的科学。

定义中为何没有“力”？解答：定义中“机械运动一般规律”指物体“运动和力”的关系，“力”是隐含在定义表述中的，理论力学与力一定有关系。

参考资料：贾启芬，刘习军. 《理论力学》，机械工业出版社2011第2版萧龙翔等.《理论力学》，天津大学出版社1995范钦珊. 《理论力学》，清华大学出版社2004关键词：理论力学定义，运动，力2.①什么是参考系？②力与参考系有关吗？解答：①为了表述物体的运动，必须选定一个坐标系，在该坐标系中，能够用坐标唯一确定物体的位置，这样的坐标系称为运动参考系。

②力与参考系无关。

参考资料：贾启芬，刘习军. 《理论力学》，机械工业出版社2011第2版萧龙翔等.《理论力学》，天津大学出版社1995洪嘉振，杨长俊. 《理论力学》，高等教育出版社2008（第3版）关键词：参考系，力，运动第1单元：静力学基础1.①把人看作刚体，汽车中的人是平衡的吗？②地球同步通讯卫星是平衡的吗？解答：①如果汽车作匀速直线运动，则汽车中的人是平衡的；否则不是。

②同步卫星不是平衡的，因为将地球作为参考系，在该参考系中，虽然卫星不动，但地球这样的参考系不是惯性参考系。

参考资料：贾启芬，刘习军. 《理论力学》，机械工业出版社2011第2版范钦珊. 《理论力学》，清华大学出版社2004洪嘉振，杨长俊. 《理论力学》，高等教育出版社2008（第3版）关键词：物体平衡，惯性参考系，人，汽车，同步卫星2.物体平衡与力系平衡完全等价吗？举例说明。

解答：物体平衡，其上作用的力系一定平衡；反过来，力系平衡，力学作用的物体不一定平衡，如绕对称轴匀速旋转的轮子，其上力系平衡，但物体不平衡。

参考资料：贾启芬，刘习军. 《理论力学》，机械工业出版社2011第2版萧龙翔等.《理论力学》，天津大学出版社1995关键词：物体平衡，力系平衡，等价关系3.如何理解二力杆？解答：刚体受二力作用平衡，且重力不考虑，则该刚体是“二力杆”。

四川理工学院理论力学教课设计讲课教师课程名称课程种类课程教课梁智权开课系讲课系理论力学专业及班级必修课（√）选修课（）机电工程系开课学期0708 学年第 1 学期机械设计及自动化专业20XX 级 01班机械设计及自动化专业20XX 级 02班机械设计及自动化专业20XX 级 10班机械设计及自动化专业20XX 级 11 班查核方式考试（√）考察（）总学时数学时分派教材名称参照书目章节名称讲课类型教课目标及要求72学分数 4.5理论课 70学时；实践课 2 学时作者第一版社及第一版时间理论力学哈尔滨工业大学高等教育第一版社理论力学教研室20XX 年第 6 版书名作者第一版社及第一版时间理论力学范钦珊，刘燕，王琪清华大学第一版社20XX 年第 1 版理论力学洪嘉振，杨长俊高等教育第一版社20XX 年第 2 版理论力学，上册，中册清华大学高等教育第一版社理论力学教研组1994 年第 4 版第 13章动能定理13-1力的功 / 13-2质点和质点系的动能13-3动能定理 / 13-4功率·功率方程·机械效率13-5权力场·势能·机械能守恒定律13-6广泛定理的综合应用举例理论课（√）；实验课（）教课时数6（1）能够娴熟计算重力的功、弹性力的功、定轴转动刚体上作使劲的功、平面运动刚体上力系的功。

（2）掌握计算质点的动能和质点系的动能（平移刚体的动能、定轴转动刚体的动能、平面运动刚体的动能）的方法。

（3）掌握质点的动能定理和质点系的动能定理，能够应用动能定理解题，熟习应用动能定理解题的步骤。

（4）掌握功率的观点，能够应用功率方程计算机械效率。

（5）能够计算重力场中的势能、弹性力场中的势能、万有引力场中的势能。

（6）掌握机械能守恒定律及应用机械能守恒定律解题的步骤。

（7）能够联合运用质点和质点系的广泛定理（动量定理、动量矩定理和动能定理）求解比较复杂的问题。

教课内容概要能量变换与功之间的关系是自然界中各样形式运动的广泛规律，在机械运动中则表现为动能定理。

力对轴之矩正负由右手法则确定，从轴正向看，逆时针为正，顺时针为负。

FxFyr三、平面上力对点的矩平面上力对点的矩为代数量。

()()kF r F M xy xy O v v vv ⋅×=例1-9 已知α，AO =h ，OC =r ，求水平力F 对C 点的矩。

()ααcos sin Fh Fr r F h F F M y x C −=+−=vxFyF 解F v分解力αcos F F x =αsin F F y =板式的、均匀的，且沿翁。

绘出不倒翁的重心大体在什么范围才能保证不倒翁真正不倒？门轴略内倾。

这种柜子可以自动关门，定性说明其原因。

思考题1、如图所示的楔形块A、B自重不计，接触处光滑，则A、B的平衡情况是怎样的？不平衡2、根据力的可传性,可以将力F沿其作用线移至那里?A，B二、力偶的特征量0v v v v =′+=F F F V F r F r r OB OA v v v v v ×=×−=)()(F r F r OB OA v v v v −×+×=力偶的主矢为对任意点主矩恒等于矢量积，而与矩心的位置无关。

F r v v ×主矩与矩心无关,力偶只能使刚体转动主矢为零.力偶不能使刚体移动力偶对任意点O 的主矩为F r F r M OB OA O v v v v v ′×+×=力偶矩矢量是自由矢量（大小、方向）4.01+×−×=F F F m。

力偶矩力偶矩简称为“力偶的力矩”，亦称“力偶的转矩”。

力偶是两个相等的平行力，它们的合力矩等于平行力中的一个力与平行力之间距离（称力偶臂）的乘积，称作“力偶矩”，力偶矩与转动轴的位置无关。

目录1力偶矩的定义2基本性质3力偶矩特性4计算方法1力偶矩的定义大小相等,方向相反.不在同一作用线上的一对平行力称为“力偶”；力偶所在的平面称为“力偶作用面”；平行的两力的作用线间的距离称为“力偶臂”；平行力中的一个力与力偶臂的乘积称作“力偶矩”。

2基本性质力偶矩的单位和力矩一样，常用“牛×米(千克×米方/秒方)”表示；力偶矩是矢量，其方向和组成力偶的两个力的方向间的关系，遵从右手螺旋法则。

对于有固定轴的物体，在力偶的作用下，物体将绕固定轴转动；没有固定轴的物体，在力偶的作用下物体将绕通过质心的轴转动。

3力偶矩特性1.力偶在力偶作用面任意一点的合力均为零；因此它不会改变物体的平动状态。

2.通常，力偶只能用力偶来平衡；但在定轴转动中，可用圆周力（即力矩）来平衡。

3.保持力偶矩的大小及转向不变，同时改变力偶中力的大小及力偶臂的长短不会改变其对刚体的作用。

4.空间合力偶矩为各力偶矩的矢量和；平面合力偶矩等于各分力偶矩的代数。

力偶矩是由两不同作用线上之力产生，两力大小相等方向相反，力偶矩会产生纯旋转效果。

力偶矩为自由向量，因此不管作用于物体任何地方会产生相同效果。

4计算方法计算两力偶产生之力矩可对任意点取力矩合，但为了方便常取力作用在线之一点以消除一力之力矩。

在三维系统中，力偶矩常以向量法计算，M=r F，其中r 为一力上任一点至另一力上任一点之位置向量。

力偶矩之合成可由力偶系中之向量和求得。

由理论力学可知N=MωN单位为KW ω单位为r/min所以得M=9549*N/n (N.M。