平面汇交力系的平衡…

第二章平面汇交力系的合成与平衡课题：第一节平面汇交力系的合成与平衡（一）[教学目标]一、知识目标：1、了解求解平面汇交力系的两种方法。

2、理解平面力系、平面汇交力系。

3、理解平面汇交力系平衡的几何条件。

二、能力目标：通过用几何法求解平面汇交力系的合力，提高学生运用平面几何知识解决力学问题的能力，提高对知识的理解运用能力。

三、素质目标：培养学生的分析问题能力[教学重点]平面汇交力系平衡的几何条件。

[难点分析]用几何法求解平面汇交力系的合力。

[学生分析]学生的数学基础知识需要强化补充。

[辅助教学手段]理论联系实际进行分析，围绕练习题展开讨论。

[课时安排]2课时[教学内容]一、导入新课我们在对力系进行研究时，为了方便，可以按照各力作用线的分布情况进行分类。

从讲实际结构的受力情况入题，一般结构所受的作用力不在同一个平面内，这种力系就属于空间力系；反之，如果所受的作用力都在同一个平面内，这种力系就属于平面力系。

那么在我们研究的力系中，也把它分为两类：空间力系和平面力系。

工程中许多结构所受的作用力虽是空间力系，但在一定条件下可以简化为平面力系，比如水坝、挡土墙的受力等。

平面力系是工程中最常见的力系，本章讨论的便是平面力系的合成和平衡问题，随之引出平面汇交力系的概念及其求解平面汇交力系的两种方法：几何法和解析法。

二、新课讲解1、平面汇交力系合成的几何法（1）导入：力是矢量，矢量的合成都可以遵循平行四边形法则，那么两个汇交力怎么合成呢：两个力的合力的作用点是原汇交点，大小和方向是以两个分力为邻边所构成的平行四边形的对角线。

（2）分析：在力的平行四边形法基础上，可以得到两个汇交力合成的三角形法和多个汇交力合成的力多边形法。

（3）概念：平面汇交力系合成的结果是一个合力，合力的大小和方向等于原力系中各力的矢量和，其作用点是原汇交力系的交点。

2、平面汇交力系平衡的几何条件（1）分析：如果某平面汇交力系的力多边形首尾相重合，即力多边形自行闭合，则力系的合力等于零，物体处于平衡状态，该力系为平衡力系。

第二节 平面汇交力系合成与平衡的解析法求解平面汇交力系问题的几何法，具有直观简捷的优点，但是作图时的误差难以避免。

因此，工程中多用解析法来求解力系的合成和平衡问题。

解析法是以力在坐标轴上的投影为基础的。

一、在坐标轴上的投影如图2－5所示，设力F 作用于刚体上的A 点，在力作用的平面内建立坐标系oxy ，由力F 的起点和终点分别向x 轴作垂线，得垂足a 1和b 1，则线段a 1b 1冠以相应的正负号称为力F 在x 轴上的投影，用X 表示。

即X=±a 1b 1；同理，力F 在y 轴上的投影用Y 表示，即Y=±a 2b 2。

力在坐标轴上的投影是代数量，正负号规定：力的投影由始到末端与坐标轴正向一致其投影取正号，反之取负号。

投影与力的大小及方向有关，即⎭⎬⎫=±==±=βαcos cos F ab Y F ab X （2－3） 式中α、β分别为F 与X 、Y 轴正向所夹的锐角。

图2－5反之，若已知力F 在坐标轴上的投影X 、Y ，则该力的大小及方向余弦为⎪⎭⎪⎬⎫=+=F X Y X F αcos 22 （2－4） 应当注意，力的投影和力的分量是两个不同的概念。

投影是代数量，而分力是矢量；投影无所谓作用点，而分力作用点必须作用在原力的作用点上。

另外仅在直角坐标系中在坐标上的投影的绝对值和力沿该轴的分量的大小相等。

二、合力投影定理设一平面汇交力系由F 1、F 2、F 3和F 4作用于刚体上，其力的多边形abcde 如图2－6所示，封闭边ae 表示该力系的合力矢F R ，在力的多边形所在平面内取一坐标系oxy ，将所有的力矢都投影到x 轴和y 轴上。

得X=a 1e 1, X 1=a 1b 1, X 2=b 1c 1，X 3=c 1d 1 ,X 4=d 1e 1由图2－6可知a 1e 1=a 1b 1+b 1c 1+c 1d 1 +d 1e 1即 X=X 1+X 2+X 3+X 4同理 Y=Y 1+Y 2+Y 3+Y 4将上述关系式推广到任意平面汇交力系的情形，得⎭⎬⎫∑=+++=∑=+++=Y Yn Y Y Y X Xn X X X 2121 （2－5）图2－6即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，这就是合力投影定理。

教师课时教案课题： 2.2平面汇交力系的平衡目的与要求： 1、能说出平面力系的分类；2、知道平面汇交力系的平衡条件及其平衡方程；3、能运用平面汇交力系的平衡方程计算简单的平衡问题；4、感悟平面汇交力系的平衡问题在工程中的应用；5、通过对平衡问题计算步骤的理解，培养学生的力学素养。

教学模式及教学方法：教学模式：能设计实验，体验三个汇交力作用下处于平衡状态时物体的受力的大小变化以及受力的性质；能探究三个汇交力作用下平衡问题的解题方法。

教学方法：实验法、讲授法、类比法复习要点：力投影正负的判断和投影计算公式新课重点、难点：重点：运用平面汇交力系的平衡方程求解简单的平衡问题；难点：1、建立平面汇交力系的平衡方程；2、感悟平面汇交力系的平衡问题在工程中的应用。

解决措施：通过重点讲解、分步探讨让学生掌握如何解决汇交力系平衡问题本课小结：本节课我们主要学习了汇交力系的平衡方程及应用平衡方程解决力学中的平衡问题。

课外作业（或复习题）：1、通过本内容的学习，你有哪些收获？还存在哪些困惑？2、参观构件吊装的施工现场，运用所学知识对吊装方法加以说明。

课后改进措施: 重视基础知识的讲解，循序渐进，让学生打好基础，同时重视习题讲解，而且要让学生自己多练习。

教学过程一、引入1、如图一所示，手提一根弹簧，在弹簧下挂着一个重G=2N的砝码，问弹簧受到拉力有多大？2、在图一中，再用手把另一根弹簧沿水平方向十分缓慢地向右拉，如图二所示，问两根弹簧受到的拉力大小如何变化？如何计算呢？图一图二二、导学提纲1、平面力系的分类（1）各力的作用线全部的平面力系，称为平面平行力系。

（2）各力的作用线都的平面力系，称为平面汇交力系。

（3）各力的作用线即不全，也不全的平面力系，称为平面一般力系。

（4）平面力系按各力的划分为上述三类，请举例说明。

2、平面汇交力系的平衡条件及平衡方程。

（1）平面汇交力系的平衡条件是该力系的。

（2）平面汇交力系的平衡方程是，即力系中所有各力在两个坐标轴上的的代数和分别为。

XXX《2021年工程力学平面力系的平衡》形考作业(一)参考答案形考作业1平面力系的平衡1、平面任意力系向一点简化的一般结果是（）。

A.一个力B.一个力偶C.一个力和一个力偶D.一个力或一个力偶正确答案：C2、平面任意力系平衡的必要和充分条件也可以用三力矩式平衡方程∑MA(F)=0,∑MB(F)=0,∑MC(F)=0表示，欲使这组方程是平面任意力系的平衡奈件，其附加条件为()。

A.投影轴z轴不垂直于A、B或B、C连线B.投影轴y轴不垂直于A、B或B、C连线C.投影轴z轴垂直于y轴D.A、B、C三点不在同一直线上。

正确答案：D3、共点力可合成一个力，一个力也可分解为两个相交的力。

一个力分解为两个相交的力可以有()解。

A.1个B.2个1C.几个D.无限多个正确答案：D4、若某刚体在平面任意力系作用下处于平衡，则此力系中各分力对刚体()之矩的代数和必为零。

A.特定点B.重心C.任意点D.坐标原点正确答案：C5、使用平面汇交力系的均衡前提，最多能求解()未知量。

A.1个B.2个C.3个D.无数个正确谜底：B6、一个平面任意力系只能列出一组三个独立的均衡方程，解出三个未知数。

A.正确2B.错误正确答案：B7、在求解平面任意力系的平衡问题时，所用的力矩方程的矩心一定要取在两投影轴的交点处。

A.正确B.错误正确谜底：B8、用剖析法求平面汇交力系的合力时，若选用分歧的直角坐标系，则所求得的合力分歧。

A.正确B.错误正确答案：B9、平面汇交力系平衡时，力多边形各力应首尾相接，但在作图时力的顺序可以不同。

A.正确B.错误正确答案：A10、无论平面汇交力系所含汇交力的数目是多少，都可用力多边3形法则求其合力。

A.正确B.错误正确答案：A11、平面力偶系合成的结果为一合力偶，合力偶矩与各分力偶矩的代数和相等。

A.正确B.错误正确答案：A12、一力作平行移动后，新点上的附加力偶一定()。

A.存在且与平移距离无关B.存在且与平移间隔有关C.不存在D.无法计算正确答案：B13、力偶对坐标轴上的任意点取矩为()。

第3章 平面力系的平衡条件3.1平面汇交力系的合成与平衡条件力系中各力的作用线都在同一平面内且汇交于一点，这样的力系称为平面汇交力系。

3.1.1 平面汇交力系合成的解析法设作用于O 点的平面汇交力系（F 1，F 2，…，F n ），其合力矢量为R F （图3-2）。

按合力投影定理求合力R F 在x , y 轴上的投影∑∑====ni yiRy ni xiRx F F F F 11y图3-2R F = cos RxRF F α=(3-1) cos Ry RF F β=式中α，β------合力矢量F R 与x 和y 轴的正向夹角。

3.1.2 平面汇交力系的平衡方程平面汇交力系平衡的必要与充分条件是力系的合力F R 等于零。

10nRx xi i F F ===∑10nRy yii F F===∑ (3-2)于是，平面汇交力系平衡的必要与充分条件可解析地表达为：力系中所有各力在两个坐标轴上投影的代数和分别为零。

式(3-2)称为平面汇交力系的平衡方程。

3.2平面力偶系的合成与平衡条件3.2.1 平面力偶系的合成应用力偶的等效条件，可将n 个力偶合成为一合力偶，合力偶矩记为M 。

∑==ni i M M 1(3-3)3.2.2 平面力偶系的平衡条件平面力偶系平衡的必要与充分条件：力偶系中所有各力偶的力偶矩的代数和等于零,即 10nii M M===∑ (3-4)3.3平面任意力系的合成与平衡条件3.3.1工程中的平面任意力系问题力系中各力的作用线在同一平面内，且任意地分布，这样的力系称为平面任意力系。

3.3.2 平面任意力系向一点的简化 主矢和主矩如图3-7（a ）所示。

在力系作用面内任选一点O ，将力系向O 点简化，并称O 点为简化中心。

i ′图3-7由力12,,,n F F F '''L 所组成的平面汇交力系，可简化为作用于简化中心O 的一个力RF '，该力矢量∑==ni i RF F 1'(3-5)R F '称作平面任意力系的主矢。

第2章 平面汇交力系与平面力偶系一、目的要求1．平面汇交力系（多个力）合成与平衡的几何法，并能应用平衡的几何条件求解平面汇交力系的平衡问题。

2.能正确地将力沿坐标轴分解和求力在坐标轴上的投影，对合力投影定理有清晰的理解，掌握汇交力系合成的解析法和平衡方程，并能熟练的应用平衡方程求解汇交力系的平衡问题。

3. 理解力对点之矩的概念，并能熟练地计算。

4．深入理解力偶和力偶矩的概念，明确平面力偶的性质和平面力偶的等效条件。

二、基本内容1．平面汇交力系合成的几何法·力多边形法则平面汇交力系可合成为通过汇交点的合力，其大小和方向等于各分力的矢量和。

即∑==+++=n i i 11F F F F F n 2R 或 ∑=F F R合力R F 的大小和方向可用力三角形法则或力多边形法则得到。

作出图示首尾相接的开口的力多边形，封闭边矢量即所求的合力。

2．平面汇交力系平衡的几何条件平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：力系的合力等于零。

其矢量表达式为∑==0F F R （2-2） 力系平衡的几何条件是：力系的力多边形自行封闭。

如图2-4所示。

3．力在正交坐标轴系的投影与力的解析表达式力F 在y x ,轴上的投影分别为cos cos sin x y F F F F F αβα=⎫⎪⎬==⎪⎭力的投影是代数量。

4．平面汇交力系合成的解析法合力投影定理：合力在某轴上的投影等于各分力在同一轴上投影的代数和。

平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：各力在两个坐标轴上的投影的代数和分别为零。

即00x y F F ⎫=⎪⎬=⎪⎭∑∑ 两个独立的平衡方程，可解两个未知量。

5.平面内的力对点O 之矩是代数量，记为M o (F )ABO Fh M o ∆±=±=2)(F其中F 为力的大小，h 为力臂，∆ABO 为力矢AB 与矩心O 组成三角形的面积。

一般以逆时针转向为正，反之为负。

力矩的解析表达式为： 合力矩定理： 6.力偶和力偶矩：·大小相等，方向相反，作用线平行的两个力称为力偶。