工程力学-第二讲

力使物体运动状态发生变化的效应称为力的外效应或运动效应(移动和转动)。
力使物体形状发生改变的效应称为力的内效应或变形效应；
力的单位，在采用国际单位为：
牛顿（N）、或千牛顿 （KN）
2.力的三要素
力对物体的作用效果取决于力的 大小、方向 与作用点
力的大小反映了物体间相互作用的强弱程度。
力的方向指的是静止质点在该力作用下开始运 动的方向。 力的作用点是物体相互作用位置的抽象化。
该定律是受力分析必须遵循的原则。
作用力与反作用力
2.4 力对点之矩
力对物体除了移动效应以外，还有对物体的转动效应。 观察扳手拧紧螺母的过程，说明拧紧程度与什么有关？
拧紧螺母时，其拧紧程度不仅与力 F 的大小有关，而 且与转动中心（O点）到力的作用线的垂直距离d有关 。
2.4.1 力对点之矩 —— 力矩
E
B
C
B
C
FNB
FNC
练习3
球W1、W2置于墙和板AB间，BC为绳索。 画受力图。
(b)
FNK
W2 FNK W2 FNH FNE
AF
Ay
FT FND W 1
AF
C
W2 FAx
B (d)
FT FD
D
FND W1
B
FNH
W1
A
K
W2
E FAx H (a)
FNE
FND W1
(c)
Ay
FNE
FNH
FT
2.2.1 公理1 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。合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由以这 两个力为边构成的平行四边形的对角线确定，如图。

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力对点之矩
mO ( F ) =± Fh =±2∆ABO
以上所讨论的是在确定的平面里，力对物体的转动效 应，因而用力矩标量即可度量。
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力对点之矩
在空间力系问题中，度量力对物体的转动效应，不仅要考虑 力矩的大小和转向，而且还要确定力使物体转动的方位，也 就是力使物体绕着什么轴转动以及沿着什么方向转动，即力 与矩心组成的平面的方位。 因此，在研究力对物体的空间转动时，必须使力对点之矩这 个概念除了包括力矩的大小和转向外，还应包括力的作用线 与矩心所组成的平面的方位。这表明，必须用力矩矢量描述 力的转动效应。
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力矩
力对点之矩 力对轴之矩 合力之矩
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力矩
力对点之矩
作用在扳手上的力F使螺母 绕O点的转动效应不仅与力 的大小成正比，而且与点O 到力作用线的垂直距离h成 正成比。点O到力作用线的 垂直距离h称为力臂。
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力对点之矩
规定力F与力臂h的乘积作为力F使螺母 绕点O转动效应的度量，称为力F对O 点之矩，简称力矩，用符号mO（F）表 示。即
9
力
两物体接触处总会占有一定面积。如面积很小，作用 力称为集中力，单位为N。 作用面积很小时，称为集中 力（concentrated force）。
F1 F2
10
力
如果接触面积比较大，作用力称为分布力。通常用单 位长度的力表示沿长度方向上的分布力的强弱程度， 称为载荷集度，用记号q表示,单位为N／m。
同一平面内的三个不平行的力
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平衡
不平行的三力平衡条件
作用在刚体上、作用线处于同一平面内的三个互不平行力 平衡的必要与充分条件是：三力的作用线必须汇交于一点， 三力矢量按首尾相连的顺序构成一封闭三角形，或称为力 三角形封闭。

图 2.3
1.
平移力 F1 , F2 …, Fn 组成的平面汇交力系的合 力 FR , 称为原平面任意力系的主矢。FR 的作用点在简化中
心O点， 大小等于各分力的矢量和，即
（2.2）
在平面直角坐标系中，则有
（2.3） （2.4）
式中，
分别为主矢 和各力在x、 y轴上的投影；
为主矢的大小； α为 与x轴所夹的锐角，的指向由∑Fx和
主矢的大小为
主矢的方向为
由于∑Ｆx和∑Fy都为正，因此主矢 指向第一象限
。
主矩的大小为
主矩的转向为逆时针方向。 力系向O点简化的结果如图2.4(b)所示。
(2) 由于 FR ０ ，MO≠0，根据力的平移定理的逆过程，可
将主矢 F与R主矩MO简化为一个合力FR。合力FR的大小、方向 与主矢 F相R 同，FR的作用线与主矢的作用线平行， 但相距
又如， 图2.1(b)所示的曲柄连杆机构受到转矩M、阻力F 以及约束反力FAx、FAy、FN的作用，显然这些力也构成了平面 力系。平面力系根据其中各力的作用线分布不同又可分为平 面汇交力系(各力的作用线汇交于一点)、平面力偶系(全部由 力偶组成)、平面平行力系(各力的作用线互相平行)和平面任 意力系(各力的作用线在平面内任意分布)。
由例2.2的讨论可知， 平面任意力系的平衡方程除了式 （2.6）所示的基本形式以外， 还有二力矩形式和三力矩形式， 其形式如下：
(2.7)
其中，A、B两点的连线不能与x轴(或y轴)垂直。
(2.8)
其中， A、 B、 C三点不能共线。 在应用二力矩形式或三力矩形式时， 必须满足其限制条
件，否则所列三个平衡方程将不都是独立的。
图 2.6
解 (1)选圆球为研究对象， 主动力：重力G 约束反力：绳子AB的拉力FT、斜面对球的约束力FN。受 力图如图2.6(b)所示。 (2) 建立直角坐标系Oxy， 列平衡方程并求解。

解 （1）取球O为研究对象，画分离体受力图，如图2-9b。 这是一平面汇交力系。
（2）建立坐标系Oxy轴如图2-9b。 （3）列平衡方程，并求解：
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第2章 平面汇交力系
F ix 0 F T G c6 o 0 s 0
FT 0.5kN
F iy 0 F N G si6n 0 0
FN0.86k6N
由F iy0,得
F BC F T1co 3 s0 F T2 co 6s 0 0
3 1 31 F B C F T 12 F T 2 2 G 2 G 2 2.3 7 k 2N
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第2章 平面汇交力系
例2-6 在图2-11a所示的机构中，杆AB和BC长度相等，A、 B、C处均为铰链连接。在B铰链处作用一竖直力FP=1kN，向 下推动B点而使压块C向右压紧工件，已知压紧工件时，，不 计零件自重及各处摩擦，求工件所受压紧力。
解 （1）由于滑轮B上作用着已知力和未知力，故取滑轮B 为研究对象，画其受力图。滑轮受钢丝绳拉力FT1与FT2作用， 且FT1=FT2=G。滑轮同时还受到二力杆AB与BC的约束反力FBA 和FBC作用，滑轮在四个力作用下处于平衡，由于滑轮尺寸不计， 这些力可看作平衡的平面汇交力系，滑轮B的受力图如图2-10d 所示。
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第2章 平面汇交力系
图2-6
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第2章 平面汇交力系
2.2 平面汇交力系的平衡
2.2.1平面汇交力系平衡的几何条件
设物体在A点受到五个力F1、F2、F3、F4、F5组成的平面汇 交力系作用而处于平衡状态，如图2-7（a）所示。我们可以用
力多边形法则求得其中任意四个力（如F1、F2、F3、F4）的合 力FR1，则原力系（F1、F2、F3、F4、F5）与力系（FR1，F5） 等效，如图2-7（b）所示。由于原力系是平衡力系，故力系