理论力学教学材料-3空间力系.ppt

1,第三章 空间一般力系,2,静力学,工程中常常存在着很多各力的作用线不在同一平面内的力系，即空间力系，空间力系是最一般的力系。 (a)图为空间汇交力系；(b)图为空间任意力系； (b)图中去了风力为空间平行力系。,3,静力学,一、定义,为了度量力使物体绕轴转动的效应，引用力对轴的矩。,图示门，求力 对z（矩轴）的矩。,z,将力分解：,3-1 力对轴的矩,A,O,d, z 轴,z 轴,4,静力学,于是：,即力 与轴共面时，力对轴之矩为零。,结论：力对轴的矩等于该力在垂直于此轴的平面上的投影对此轴与这个平面交点的矩。,（1）力对轴的矩是代数量。,正负号规定：右手螺旋法则。,（2）若力与轴空间垂直，则无须投影。,（3）若 / z 轴,与z轴相交,（4）力沿作用线移动，力对轴的矩不变。,5,静力学,即：,二、力对点的矩与力对通过该点的轴之矩的关系,通过O点作任一轴Z，则：,由几何关系：,所以：,6,静力学,结论：力对点的矩矢在通过该点的任意轴上的投影等于这力对于该轴的矩。这就是力对点之矩与对通过该点轴之矩的关系，简称力矩关系式。,由于,又由第一章知：,这就是力对直角坐标轴的矩的解析表达式。,7,静力学,力对轴的矩的计算方法：,（1）定义法；,（2）解析式；,（4）合力矩定理。,（3）力矩关系式；,例1已知P=20N，求 对z轴的矩。,解：方法一：定义法,8,静力学,方法二：解析式,X=Pcos600sin450=5,Y=Pcos600cos450 = 5,Z= Psin600= 10,x= 0.4m,y=0.2+0.3=0.5m,z=0.3m,9,静力学,方法三：力矩关系式,10,静力学,方法四：合力矩定理,=0,11,静力学,3-2 空间一般力系的简化与平衡,一、空间汇交力系的合成,同平面汇交力系一样，作力多边形（此时是空间的），得：,空间汇交力系合成的结果是一个合力，合力的大小和方向等于力系中各力的矢量和，即,二、空间力偶系的合成,空间力偶是自由矢量，所以可以将空间力偶系中各力偶矩矢搬移到某一点，得到一组空间汇交的力偶矩矢。应用空间汇交力系的合成方法，得,空间力偶系合成的结果是一个合力偶，合力偶矩矢等于各分力偶矩矢的矢量和，即,12,静力学,把研究平面一般力系的简化方法拿来研究空间一般力系的简化问题，但须把平面坐标系扩充为空间坐标系。,设作用在刚体上有 空间一般力系,任选O点简化中心,三、空间一般力系向一点的简化,13,静力学,根据力的平移定理，将各力向O点平移，,=,得到一空间汇交力系：,和一附加空间力偶系：,注意 分别是各力对O点的矩。,14,静力学,合成 ，得主矢,原力系各力的矢量和，过简化中心O，且与O点的选择无关。,合成 ，得主矩,主矩一般与简化中心O有关。,=,15,静力学,结论：,空间一般力系向一点简化，一般可得一个力和一个力偶，这个力作用在简化中心，大小和方向等于原力系的主矢，即等于原力系各力的矢量和；这个力偶的矩矢等于原力系对简化中心的主矩，即等于原力系各力对简化中心矩的矢量和。,16,静力学,若取简化中心O点为坐标原点建立直角坐标系，则： 主矢大小 主矢方向 根据力对点之矩与力对轴之矩的关系: 则主矩大小为： 主矩方向：,17,静力学,空间一般力系向一点简化的最后结果有以下几种情况：,2、 则原力系简化为一个合力偶，其矩等于原力系对于简化中心的主矩MO。此时主矩与简化中心的位置无关。,1、 则原力系简化为一个合力，主矢 等于原力系合力矢 ，合力 通过简化中心O点。 （换个简化中心，主矩不为零）,四、简化结果的讨论,18,静力学,3、, ，此时可以进一步简化为一个合力 。,将 用 代替,根据 、 的转向与 一致的原则确定 在O点的那一侧。,19,静力学,由此知,又,即：如果空间一般力系简化为一合力，则合力对任一点的矩等于力系中各力对同一点矩的矢量和这就是空间一般力系的合力矩定理。,将上式向过O点的任一轴z轴投影，得,即合力对任一轴的矩等于各分力对同一轴的矩的代数和。,20,静力学, ，力螺旋 例 拧螺丝 炮弹出膛时炮弹螺旋线, 与 成任意角（不平行也不垂直） 把 分解为平行于 的 和垂直于 的 。 分别按、处理。,若力与力偶矩矢同向，称为右手螺旋；反之，称为左手螺旋。,21,静力学,即原力系简化的结果为O点的一个力螺旋。,（自由矢量）平移到O点,使主矢 搬家，搬家的矩离：,4、 , 则原力系平衡。,22,静力学,1、空间任意力系的平衡方程,五、空间一般力系的平衡方程,空间一般力系平衡的充分必要条件是：,空间任意力系的平衡方程为：,还有四矩式，五矩式和六矩式，同时各有一定限制条件。,23,静力学,2、空间汇交力系的平衡方程,以汇交点为简化中心，则,3、空间平行力系的平衡方程,取z轴平行于各力，则,于是由空间一般力系的平衡方程得：,4、空间力偶系的平衡方程,于是由空间一般力系的平衡方程得：,于是由空间一般力系的平衡方程得：,24,静力学,(1)球铰（球形铰链）,5、空间约束,观察物体在空间的六种（沿三轴移动和绕三轴转动）可能的运动中，有哪几种运动被约束所阻碍，有阻碍就有约束反力。阻碍移动为反力，阻碍转动为反力偶。例,25,静力学,球形铰链,26,静力学,（2）轴承(滚珠轴承)，蝶铰链,轴承,蝶铰,27,静力学,（3）止推轴承,28,静力学,（4）空间固定端,29,静力学,例2 图示起重机自重不计，已知：AB=3m,AE=AF=4m, Q=200kN，起重臂AC位于拉索BE、BF的对称平面内。求:索BE、BF的拉力和杆AB的内力。,解（1）以C点为研究对象 （平面汇交力系）,30,静力学,(2)以B点为研究对象（空间汇交力系）：,31,静力学,注意： 力偶不出现在投影式中 力偶在力矩方程中出现是把力偶当成矢量后，将该矢量向该轴投影（类似力在轴上的投影）,例3 曲杆ABCD, ABC=BCD=900,已知, m2, m3 求：支座反力及m1=?,32,静力学,解：,33,静力学,*例4 已知：AB杆, AD,CB为绳, A、C在同一垂线上，AB重80N，A、B光滑接触，ABC=BCE=600, 且AD水平，AC铅直。求平衡时，绳AD、BCD的拉力及支座A、B的反力。,解：,34,静力学,35,静力学,36,静力学,例5绞车的轴安装于水平位置。已知绞车筒半径r1=10cm，胶带轮半径r2=40cm，a=c=80cm，b=120cm，重物重P=10kN。设胶带在垂直于转轴的平面内与水平成=300角，且T1=3.5T2，求均速吊起重物时轴承A、B处的约束力及T1、T2的大小。,37,静力学,解：以绞车为研究对象,联立T1=3.5T2，,得XB=1.56kN,得ZB=5.1kN,得T1=1kN，T2=3.5kN,x,z,y,38,静力学,x,z,y,得XA=-5.46kN,得ZA=7.15kN,绞车在AB方向没有约束，可以运动，称为不完全约束系统。,但仍然是平衡的（Yi=0）。若在B端换成止推轴承，则系统是完全约束系统。,39,静力学,例6均质薄板，单位面积重 =0.5kN/m2，在薄板平面内作用一力偶，其矩M=100kN.m。在过边DE的铅直平面内的D点作用F=10kN的力，与边DE成300角。试求球铰A及三根连杆的约束力。,解：以板为研究对象,将板视为正方形ABCD减去三角形CDE。 正方形ABCD重P0=62 =18kN，三角形CDE重P1=63 /2=4.5kN（应为负值，即P1向上），作用在各自的重心。,40,静力学,41,静力学,本题也可以不将板处理成P0、P1而是用求板ABCDE的重心来计算。,42,静力学,例7图示结构，P和M在yz平面内，力F和AG杆平行于x轴。已知：F=100N，P=200N，M=150N.m，L1=1m，L2=1.5m。求所有的约束力。,解（1）取DE为研究对象：,43,静力学,（2）取OAD为研究对象,力 在三个坐标轴上分力的大小：,44,静力学,45,静力学,空间平行力系，当它有合力时，合力的作用点C 就是此空间平行力系的中心。而物体重心问题可以看成是空间平行力系中心的一个特例。,3-4 物体的重心和形心,一、空间平行力系的中心、物体的重心,1、平行力系的中心,由合力矩定理：,46,静力学,47,静力学,如果把物体的重力都看成为平行力系，则求重心问题就是求平行力系的中心问题。 由合力矩定理：,二、重心坐标公式：,y轴：,x轴：,P=Pi物体的重量,48,静力学,根据平行力系中心位置与各平行力系的方向无关的性质，将力线转成与y轴平行，再应用合力矩定理对x 轴取矩得：,综合上述得重心坐标公式为：,若以Pi= mig , P=Mg 代入上式可得质心公式,49,静力学,设i表示第i个小部分每单位体积的重量，Vi第i个小体积。对于均质物体， =恒量，则：,三、均质物体的重心坐标公式：,Pi= Vi， P= Pi= Vi= Vi= V,于是得：,均质物体的重心与其重量无关，只与物体的体积（几何形状）有关，这个只由物体的几何形状决定的点称为物体的形心。上式又称为物体的形心公式。,注意：,（1）形心与重心是两个不同的概念。对于均质物体，重心和形心是重合的。,50,静力学,（2）有对称面（轴、点）的均质物体，其重心必在对称面（轴、点）上。,令Vi0，则上式可写成积分形式：,51,静力学,A面积,同理可得均质薄壳（板）的重心公式：,均质空间曲线的重心公式：,l长度,同样可得它们的积分形式。,52,解：由于对称关系，该圆弧重心必在Ox轴，即yC=0。取微段,积分法（简单形体）,例 求半径为R，顶角为2 的均质圆弧的重心。,静力学,四、确定均质物体重心的方法,常见简单形状的均质物体的重心公式见教材P97,53,静力学,分割法（由简单形体组成的复杂形体）,解法一：,例求图示均质薄板的重心，尺寸如图，长度单位：cm。,（1）建坐标系（尽量利用对称性）,（2）将图形分成、三个部分，则,54,静力学,55,静力学,解法二：,把板看成长方形割去虚线所示三角形而成，将割去的面积看作负值。,此方法也称为负面积法,56,静力学,实验法 悬挂法,称重法,57,静力学,例8 挖去一正方形块HGFK的均质凹形薄板ABCD，在A处用球铰支承，B处用碟铰与铅垂墙相连，再用一绳索CE拉住使板保持水平。已知板的单位面积重=5KN/m2，尺寸如图。求绳索的拉力及球铰A和碟铰B处的反力。,解 取整体为研究对象，受力如图。取如图坐标：,板重P=55kN，sin=3/