[理学]理论力学3.ppt

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[理学]理论力学3

3.1 空间力的分解及其投影 3.2 力对轴的矩 3.2.1 力对点的矩以矢量表示-力矩矢(补充) 4.2.1 力对点的矩以矢量表示-力矩矢 3.2.1 力对点的矩以矢量表示-力矩矢 3.2.2 力对轴的矩 3.2.2 力对轴的矩 3.2.3 力对轴之矩的解析表达式 3.2.4 力对点之矩与力对过该点之轴的矩的关系 3.3 空间力系的合成与平衡 3.3.1 空间力系向一点的简化 3.3 空间力系的合成与平衡 3.3 空间力系的合成与平衡 第3章 空间力系 举例 实际工程中,绝大多数结构所受力系的作用线往往是不在同一平面内的,即空间力系,空间力系是最一般的力系。 y x z F Fx Fy Fz i k j 若已知力与正交坐标系Oxyz三轴间夹角, 则用直接投影法(一次投影法) 当力与坐标轴Ox 、Oy间的夹角不易确定时, 可把力F先投影到坐标平面Oxy上, 得到力矢量Fxy, 然后再把这个力投影到x 、y轴上, 这叫间接投影法(二次投影法)。 y x z F Fx Fy Fz Fxy j g 这里要强调指出,空间力在轴上的投影是代数量,而在平面上的投影Fxy则是矢量。 y x z F Fx Fy Fz Fxy j g r x y z O F A(x,y,z) B 空间力对点的矩要考虑三个方面: 力矩的大小、指向和力矩作用面方位。这三个因素可用一个矢量MO(F)表示。其模表示力矩的大小(Fh); 指向表示力矩在其作用面内的转向(符合右手螺旋法则); 方位表示力矩作用面的法线。 MO(F) h 以r表示力作用点A的矢径, 则 在图示坐标系中有 x y z O F MO(F) r A(x,y,z) h B j i k 力矩矢MO(F)在三个坐标轴上的投影为 x y z O F MO(F) r A(x,y,z) h B j i k Fz Fx Fy 力对轴的矩是力使刚体绕该轴转动效果的度量,是一个代数量,其绝对值等于力在垂直于该轴平面上的投影对于轴与平面交点的矩。即: 符号规定:从z轴正向往负向看,若力使刚体逆时针转动取正号,反之取负。也可按右手螺旋法则确定其正负号。 同样,力对轴之矩亦有合力矩定理:合力对任一轴之矩等于各分力对同一轴之矩的代数和。即: 由定义可知:(1)当力的作用线与轴平行或相交(共面)时,力对轴的矩等于零。(2)当力沿作用线移动时,它对于轴的矩不变。 x y z O F Fx Fy Fz A(x,y,z) B Fx Fy Fxy a b x y 设力F沿三个坐标轴的分量分别为Fx, Fy, Fz, 力作用点A的坐标为(x,y,z), 则 同理可得其它两式。故有 比较力对之矩和力对轴之矩的解析表达式得: 即: 力对点的矩矢在通过该点的某轴上的投影, 等于力对该轴之矩。 例3-2: 求力F 在三轴上的投影和对三轴的矩。 解: y x z F j q b c a Fxy Fx Fy Fz 空间力系向点O简化得到一空间汇交力系和一空间力偶系, 如图。 Fn F1 F2 y z x O F1 Fn F2 Mn M2 M1 z y x O MO FR O x y z = = 3.3.1 空间任意力系的合成 空间中力偶为矢量 空间汇交力系可合成一合力FR: 力系中各力的矢量和称为空间力系的主矢。主矢与简化中心的位置无关。 MO FR O x y z 空间力偶系可合成为一合力偶, 其矩矢MO: 力系中各力对简化中心之矩矢的矢量和称为力系对简化中心的主矩。主矩与简化中心的位置有关。 主矢的大小和方向为: 或 根据合力矩定理,得到主矩在三个方向的投影为: 于是主矩的大小和方向可由下式确定: 3.3.2 空间任意力系的平衡方程 FR=0, MO = 0 == 空间任意力系平衡的必要与充分条件为: 力系中各力在三个坐标轴上投影的代数和等于零, 且各力对三个轴之矩的代数和也等于零。上式即为空间任意力系的平衡方程。 不失一般性,假定取z 轴与各力平行,如右图所示,则空间任意力系的6个平衡方程中有3个恒为零,即 因而空间平行力系的平衡方程只有下面的3个 x y z O F1 F2 F3 Fn 分析:空间平行力系的平衡方程 例1 重为P的物体用杆AB和位于同一水平面的绳索AC与AD支承,如图。已知P=1000N,CE=ED=12cm,EA=24cm,b = 45°,不计杆重;求绳索的拉力和杆所受的力。 解:以铰A为研究对象,受力如图。 由几何关系: 解得: 如图所示,长方体棱长为a、b、c,力F沿BD,求力F对AC之矩。 解: F b b c a A B C D a 例3-2 扒杆如图所示,立柱AB用BG和BH两根缆风绳拉住,并在A点用球铰约束,G、A、H在地面上,臂杆的D端悬吊的重物重P=20 kN。求两绳的拉力

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