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实际工程中,绝大多数结构所受力系中各力的作用线往往不是分布在同一平面内的,而是在空间范围内任意分布,这样的力系称为空间力系。空间力系是最一般的力系。本章将研究空间力系的简化和平衡问题。 §3.1 空间力的分解及其投影 §3.2 力对点之矩和力对轴之矩 (2)空间任意力系简化为一合力的情形 此空间力系简化为过O点的一合力,合力的大小和方向与主矢相同。 此空间任意力系简化为一作用于O′的一个合力FR ,其大小和方向与主矢相同,其作用线离简化中心O 的距离为d。 (a) (b) 合力矩定理:若空间力系可以合成为一合力,则合力对任一点之矩等于力系中各力对同一点之矩的矢量和;或合力对任一轴之矩等于力系中各力对同一轴之矩的代数和。 合力矩定理 * * 空间汇交(共点)力系 空间力系 空间力偶系 空间任意力系 空间平行力系 § 3.1 空间力的分解及其投影 § 3.2 力对点之矩和力对轴之矩 § 3.4 空间一般力系的简化·主矢和主矩 § 3.6 重心 本章内容 § 3.3 空间力偶系 § 3.5 空间力系平衡方程 x y F o a b g z 1.力在直角坐标轴上的投影 一次(直接)投影法 二次(间接)投影法 应该注意:力在轴上的投影是代数量, 而力在平面上的投影是矢量。 j x y F o g z 力沿直角坐标轴的分解 x y Fy F o i j k Fz Fx z 图4.3 力F 在坐标轴上的投影和力F 沿坐标轴的正交分量间的关系为: 若已知力F在坐标轴上的投影Fx、Fy 、Fz ,则该力的大小及方向为 例3.1 长方体上作用有三个力,F1=500N, F2=1000N, F3=1500N,方向及尺寸如图所示,求各力在坐标轴上的投影。 解 力F1及F2应用直接投影法,力F3用二次投影法 例3.2 已知力沿直角坐标轴的解析式为F=3i+4j-5k(kN), 试求这个力的大小和方向。 解:Fx=3kN,Fy=4kN,Fz=-5kN 一、力对点之矩以矢量表示--力矩矢 F 实例 (3)作用面:力矩作用面。 (2)方向:转动方向 (1)大小:力F与力臂的乘积 三要素: 力对点之矩的定义 矩矢方向:按右手螺旋法则确定 大小: 方位:沿力矩作用面的法线方向 力矩矢MO(F) 的始端必须在矩心,为定位矢量 MO F r 物体绕轴转动效果的度量。 将力F分解成Fz和Fxy,可见 Mz(Fz)=0; Mz(Fxy)=MO(Fxy) 力F对z轴之矩Mz(F)等于力在垂直于z轴的平面内的分量Fxy对z轴与该平面的交点O之矩。 力与轴相交或平行(力与轴共面) 时,对轴之矩为零。 故力F对轴z之矩可写为:Mz(F)=MO(Fxy)=?Fxy·d 以门绕Z轴的转动为例来讨论。 显然有:Mz(F1)=0; Mz(F2)=0 z F1 F F2 y d O x Fxy Fz 二、力对轴之矩 力对轴之矩是代数量,其正负号由右手螺旋法则确定 即:空间力系中合力对某轴之矩,等于所有各分力对同一轴之矩的代数和。 于是, 则 Mx(FR)= Mx(Fx) +Mx(Fy) +Mx(Fz) My(FR)= My(Fx) +My(Fy) +My(Fz) Mz(FR)= Mz(Fx) +Mz(Fy) +Mz(Fz) 三、合力矩定理 四、力对轴之矩与力对点之矩的关系 结论:力对点之矩的矢量在通过该点的轴上的投影,等于该力对该轴之矩 。 因为 而 所以 即 同理可得 大小: 方向: 解析式 例 3.3 手柄ABCE在平面Axy内,F在垂直于y轴的平面内,偏离铅直线的角度为?,已知AB=BC=l, CD=a,试求力对x、y和z三轴之矩。 解:将力F分解 例 3.4 : 试写出图中力F在轴上的投影及力对轴之矩。 O x y z A B C x=0.2m y=1.2m z=1m A F=50N a a=0.6m b=0.8m a Fy FZ 解:将力F分解 §3.3 空间力偶 力偶实例 F1 F2 1. 力偶矩以矢量表示,力偶矩矢 空间力偶的三要素 (1)大小:力与力偶臂的乘积; (3)作用面:力偶作用面。 (2)方向:转动方向; 可见,力偶对空间任一点的矩矢与矩心无关 矩矢方向:按右手螺旋法则确定 大小: 方位:沿力矩作用面的法线方向 (1)力偶无合力,即主矢FR=0. (2)力偶对刚体的运动效应只与力 偶矩矢量有关。 力偶的特点: 若两个力偶的力偶矩矢相等,则它们彼此等效。 2.空间力偶等效定理 力偶的性质: (3)力偶对任意点取矩
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