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第2章平面简单力系
第2章? 平面简单力系
作用在物体上力系是多种多样,为了更好地研究这些复杂力系,应将力系进行分类。如果按作用线是否位于同一平面内分,若作用线在同一平面内,称为平面力系,否则为空间力系;如果将力系按作用线是否汇交或者平行分,则可分为汇交力系、力偶力系、平行力系和任意力系。因此力系有以下形式:
?这一章我们将学习两种简单力系,即平面汇交力系和平面力偶系。
2.1? 平面汇交力系
2.1.1平面汇交力系合成与平衡的几何法 1.平面汇交力系合成的几何法——力的多边形法则 合成的理论依据是力的平行四边形法则或三角形法则。设作用在刚体上汇交于O点的力系、、和如图2-2a所示,求其合力。首先将、两个力进行合成,将这两个力矢量的大小利用长度比例尺转换成长度单位,依原力矢量方向将两力矢量依次进行首尾相连,得以折线abc,再由折线起点向折线终点作有向线段ac,即将折线abc封闭,得合力,有向线段ac的大小为合力的大小,指向为合力的方向,同理力与的合力为,依次做法得力系的合力,如图2-2b所示,可以省略中间求合力的过程,将力矢量、、和依次首尾相连,得折线abcde,由折线起点向折线终点作有向线段ae,封闭边ae表示其力系合力的大小和方向,且合力的作用线通过汇交O点,多边形abcde称为力的多边形,此法称为力的多边形法则。作图时力的顺序可以是任意的,但力的多边形的形状发生变化,并不影响合力的大小和方向,如图2-2c所示。
推广到由n个力、、……、组成平面汇交力系,可得如下结论:平面汇交力系的合力是将力系中各力矢量依次首尾相连得折线,并将折线由起点向终点作有向线段,封闭边表示该力系合力的大小和方向,且合力的作用线通过汇交点。即平面汇交力系的合力等于力系中各力矢量和(也称几何和),表达式为????????????????????? ?(2-1)此结论可以推广到空间汇交力系,但由于力的多边形不是平面图形,空间图形较复杂,故一般不采用几何法,应采用解析法。若力系是共线的,它是平面汇交力系的特殊情况,假设沿直线一方向规定为力的正方向,与之相反力为负,其合力应等于力系中各力的代数和,即????????????????????????????????? ?(2-2) 例题2-1吊车钢索连接处有三个共面的绳索,它们分别受拉力=3kN,FT2=6kN,FT3= 15kN;各力的方向如图2-3所示,试用几何法求力系的合力。解:由于三个力汇交于O点,构成平面汇交力系。选比例尺,将各力的大小转换成长度单位,令ab=FT1,bc=FT2,cd=FT3,在平面上选一点a作为力多边形的起点,将各力矢量按其方向进行依次首尾相连得折线abcd,并将该折线封闭,便可求得力系合力的大小和方向。合力的大小量取折线ad的长度,并再通过比例尺转换成力的单位,则有 FR=16.50KN, 合力的方向为过d点作一铅垂线,用量角器量取合力与铅垂线的夹角α,即 α=16°10′ 合力的作用线通过汇交点O。
2.平面汇交力系平衡的几何法 平面汇交力系平衡的必要充分条件是力系的合力为零。即???????????????????????????????????(2-3)由此可以得到力多边形的封闭边应不存在,力的多边形必自行封闭,即力的多边形中第一个力矢量的起点与最后一个力矢量的终点重合。力的多边形自行封闭是平面汇交力系平衡的几何条件。求解平面汇交力系平衡时,可以用上面方法利用比例尺进行几何作图,量取得未知力还可以利用三角关系计算求未知力。几何法计算时应注意:求合力时合力的指向与各力矢量顺序相反;求平衡时各力矢量顺序相同。例题2-2一钢管放置在V形槽内如图2-4a所示,已知:管重P=5kN,钢管与槽面间的摩擦不计,求槽面对钢管的约束力。解:取钢管为研究对象,它所受到的主动力为重力P和约束力为和,汇交于O点,如图2-4b所示。选比例尺,令ab=P,bc=,ca=,将各力矢量按其方向进行依次首尾相连得封闭的三角形abc,如图2-4c所示。量取bc边和ca边的边长,按照比例尺转换成力的单位,则槽面对钢管的约束力为=bc=3.26kN?? =ca=4.40kN另一解法,利用三角关系的正弦定理得则约束力为=bc=3.26kN?? =ca=4.40kN2.1.2平面汇交力系合成与平衡的解析法 1.力的投影 力在坐标轴上的投影定义为力矢量与该坐标轴单位矢量的标量积。设任意坐标轴的单位矢量为e,力F在该坐标轴上的投影为????????????????????????????? ?(2-4)在力所在的平面内建立直角坐标系oxy,如图2-2所示,x和y轴的单位矢量为i、j,由力的投影定义,力在x和y轴上的投影为????????????? ???????????
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