工程力学23平面力偶系课件.ppt

1、B OF2d一、力矩 力使物体绕某点转动的力学效应，称为力使物体绕某点转动的力学效应，称为力对该点之矩。力对该点之矩。 1、力对点之矩、力对点之矩 定义：定义：力与力臂的乘积冠以正、负号定义为力F F对O O点的力矩。O 转动的中心。称为力矩中转动的中心。称为力矩中 心，简称心，简称矩心矩心d 转动中心到力作用线之转动中心到力作用线之间的距离称为力臂间的距离称为力臂(注意单位注意单位)表达式：表达式：Mo(F) = Fd正负号规定：若力使物体绕矩心作逆时针正负号规定：若力使物体绕矩心作逆时针转向转动力矩取正号转向转动力矩取正号,反之取负号。反之取负号。F1F3F4问题：图示力F对O点的力矩应取

2、什么符号？ 力矩必须与矩心相对应，同一个力对不同点产生的力矩是不同的，因此不明矩心而求力矩是无任何意义的。在表示力矩时，必须表明矩心。 力矩在下列两种情况下等于零：力等于零或力的作用线通过矩心。 力F F对任一点的矩，不因力F F沿其作用线的移动而改变。F2dO力矩计算 简支刚架如图所示，荷载简支刚架如图所示，荷载F=15kN，=45 ,尺寸如尺寸如图。试分别计算图。试分别计算F对对A、B两点之矩。两点之矩。dABF4m1m1m2mo解解: 1、力、力F对对A点的力矩点的力矩。 力臂力臂d = 4m sin = 4m sin45d = 22m-15kN2MA(F)= -F d=2m2= -30

3、kN m2、力、力 F 对对B点的力矩点的力矩。 力臂d = 1m sin = 1m sin45 =221mMB(F)=+F d= +15kN0.52m= 7.5 +2kN m注意：负号必须标注，正号可标也可不标。一般不标注。注意：负号必须标注，正号可标也可不标。一般不标注。2.合力矩定理合力矩定理 力系中合力对一点的矩，等于力系中各分力对同一点之矩的代数和。 设某力系为Fi（i=1,2,n），其合力为FR，根据以上理论，则有表达式：in21RFF.FFF其中：)()(.)()()(21ionoooRoFMFMFMFMFM由合力投影定理有：证毕)()()(21FMFMRMooo证明：证明：ni

4、iOOFMRM1)()(od=ob+ocoboAoABFMO2)(1ocoAoACFMO 2)(2odoAoADRMO 2)(又ABF4m1m1m2mo 例例1 荷载荷载F=20kNF=20kN，=45 ,=45 ,尺寸如图。试分别计尺寸如图。试分别计算算F F对对A A、B B两点之矩。两点之矩。Fx=Fcos=20N0.7=14N解解: Fy=Fsin=20N0.7=14N1、力、力F对对A点的力矩点的力矩MA(Fx)= -Fxd=-14kN2= -28kNmMA(Fy)= -Fyd=14kN6= 84kNmMA(F)= MA(Fy) + MA(Fx) = 84kNm - 28kNm=56

5、kNmB点大家求一下点大家求一下例例 2 求图中荷载对求图中荷载对A、B两点之矩两点之矩(b)解：解：图（图（a a）：）： MA = - 82 = -16 kN m MB = 82 = 16 kN m图（图（b）：）： MA = - - 42 21 = = -8 k -8 kN m m MB = 421 = 8 kN m(a)例例3 已知：如图 F、Q、l, 求： 和 解解：用力对点的矩法：用力对点的矩法 应用合力矩定理应用合力矩定理)(FmO)(Qmo sin)(lFdFFmOlQQmo)(ctg)( lFlFFmyxOlQQmo)(0.6m0.4mCBAF300例例4、已知：机构如图，、

6、已知：机构如图，F = 10kN，求：求：MA(F) = ?dFxFy解解:方法一方法一:MA(F) = - Fd = - 10 0.6 sin60033236方法二方法二:MA(F) = - Fcos300 0.6 + 0 = - 10 0.6 cos30033236Fx = Fcos300 MA(Fx)33Fy = - Fsin300 MA(Fy) = 0MA(F) = MA(Fx) + MA(Fy) 例5.图示F=5kN, sin=0.8试求力F对A点的矩.AB2015FAB2015F解:(1)hCD75.188 . 015BCCD =18.750.6 = 11.25AC = 20 -1

7、1.25 = 8.75h = 8.75 0.8 = 7mo(F) = hF = 7 5 = 35AB2015F(2)FxFyFx = Fcos = 5 0.6 = 3Fy = Fsin = 5 0.8 = 4Dmo(Fx) = - BD Fx = -15 3 = -45mo(Fy) = AD Fy = 20 4 = 80mo(F) = mo(Fx) + mo(Fy) = -45 + 80 = 35 支架如图所示，已知AB=AC=30cm,CD=15cm, F=100N,30求 对A、B、C三点之矩。FFABCDAdCd解：由定义mNCDFFdFmmNADFFdFmCCAA5730sin)(52

8、230sin)(由合力矩定理mNADFABFADFABFFmyxB48.4830sin30cos)(OxyFA1r2rBd如图所示，求F对A点的矩。解一：应用合力矩定理)cos()cos(sincossinsin)cos(cos)()()(212212112rrFFrFrrFrrFFmFmFmyAxAA解二：由定义cos1rOB cos12rrAB12coscosrrABd)cos()(21rrFFdFmA 练习练习 图示胶带轮，已知图示胶带轮，已知T1=200N, T2=100N, D=160mm, ,求求MB(T(T1 1)+)+MB B(T(T2 2)=?)=?2TB1TmNmmNDTD

9、TFMMiBB880002160)100200(22)(21解：解：3.力矩的平衡条件内容：各力对转动中心O点之矩的代数和等于零，即合力矩为零。公式表达：0)()(.)()()(21ionoooRoFMFMFMFMFM二、二、力偶力偶 1、什么是力偶、什么是力偶 力学中把一对等值、反向且不共线的平行力称为力学中把一对等值、反向且不共线的平行力称为力偶。（力偶。（F，F）无法再简化的简单力系之一无法再简化的简单力系之一 力偶作用面力偶作用面：两力作用线所决定的平面；：两力作用线所决定的平面；力偶臂力偶臂：两力作用线之间的垂直距离，用：两力作用线之间的垂直距离，用 d 表示；表示；d力偶的三要素：

10、力偶的三要素：1）力偶中力的大小）力偶中力的大小2）力偶的转向）力偶的转向3）力偶臂的大小）力偶臂的大小FdM 力力 偶偶 实实 例例F1F2 力偶矩：力学中，用力偶的任一力的大小F与力偶臂d的乘积在冠以相应的正、负号，作为力偶使物体转动效应的度量，称为力偶矩，用M表示。M=Fd注：力偶逆时针转动时取正，反之取负。F = F d：力偶臂：力偶臂力偶矩的单位：力偶矩的单位：N m 、kN m F Fd+力偶无合力，不能与一个单个的力平衡；力偶只能与力偶平衡。力偶无合力，不能与一个单个的力平衡；力偶只能与力偶平衡。力偶只能是物体转动，转动效果取决于力偶矩。力偶只能是物体转动，转动效果取决于力偶矩。

11、FF/ a b c d a bF 性质性质2 2 力偶对其所在平面内任一点力偶对其所在平面内任一点的矩恒等于力偶矩，而的矩恒等于力偶矩，而 与矩心的与矩心的位置无关，因此力偶对刚体的效位置无关，因此力偶对刚体的效应用力偶应用力偶 矩度量。矩度量。xFdxFFmFmOO)() ()(dFFFdOxAB 只要保持力偶矩大小和转向不变，可以任意改变力偶中力的大小和相应力偶臂的长短，而不改变它对刚体的作用效应。由上述证明可得下列两个推论两个推论： 力偶可以在其作用面内任意移动，而不影响它对刚体的作用效应。3.力偶的表示方法 用力和力偶臂表示，或用带箭头的弧线表示，箭头表示力偶的转向，M表示力偶的大小。

12、 关于力偶性质的推论关于力偶性质的推论 FF FF 关于力偶性质的推论关于力偶性质的推论 FF FF 关于力偶性质的推论关于力偶性质的推论 FF F / 2F / 2关于力偶性质的推论关于力偶性质的推论 M=Fdk1.1.平面力偶系的简化平面力偶系的简化作用在物体同一平面内的各力偶组成平面力偶系。作用在物体同一平面内的各力偶组成平面力偶系。m m1 1F F1 1d d1 1，m m2 2F F2 2d d2 2，m m3 3F F3 3d d3 3，P P1 1d=Fd=F 1 1d d1 1，P P2 2d dF F2 2d d2 2，P P3 3d d F F3 3d d3 3F FR

13、RP P1 1P P2 2p p3 3F FR RP P1 1P P2 2P P3 3 三、平面力偶系的简化与平衡三、平面力偶系的简化与平衡 MF FR R d d（P P1 1P P2 2P P3 3）d d= = P P1 1d d+ +P P2 2d dP P3 3d d=F=F 1 1d d1 1+ +F F2 2d d2 2F F3 3d d3 3所以所以 Mm m1 1m m2 2m m3 3 若作用在同一平面内有个力偶，则上若作用在同一平面内有个力偶，则上式可以推广为式可以推广为由此可得到如下结论：平面力偶系可以合成为一合力偶，此合力偶的力平面力偶系可以合成为一合力偶，此合力偶的

14、力偶矩等于力偶系中各力偶的力偶矩的代数和偶矩等于力偶系中各力偶的力偶矩的代数和。niinmmmmM121 平面力偶系中可以用它的合力偶等效代替，因此，平面力偶系中可以用它的合力偶等效代替，因此，若合力偶矩等于零，则原力系必定平衡；反之若原力若合力偶矩等于零，则原力系必定平衡；反之若原力偶系平衡，则合力偶矩必等于零。由此可得到偶系平衡，则合力偶矩必等于零。由此可得到 平面力偶系平衡的必要与充分条件：平面力偶系平衡的必要与充分条件：2. 2.平面力偶系的平衡条件平面力偶系的平衡条件即即M M 0 0注：平面力偶系有一个平衡方程，可以求解一个未知量。注：平面力偶系有一个平衡方程，可以求解一个未知量。

15、平面力偶系中所有各力偶的力偶矩的代数和等于零。平面力偶系中所有各力偶的力偶矩的代数和等于零。 图示矩形板，边长分别为a、2a，各受大小相等、方向相反的力偶作用，试画出整体和两板的受力图。MABMCMCARCRMMABCARBRBRMCR mN154321mmmmmN60)15(4 4321mmmmM02 . 04321mmmmNBN3002 . 060BNN 300BANN解解: 合力偶距平面力偶系平衡 车间内有一矩形钢板，要使钢板转动，加力F, F, F F 如图示。试问应如何加才能使所要的力最小？ababFF 当力偶一定时，只有力偶臂最长所用的力才最小。 图中梁AB处于平衡，如何确定支座A

16、、B处反力的方向？lM1M2ABM1M2ABFAFB 力偶只能和力偶平衡，A、B两点的力 应构成力偶，所以，这两个力大小相等、方向相反。即A点的水平分力为零，可以不画。 图中所示的拉力实验机上的摆锤重 G G，悬挂点到摆锤重心C C的距离为l ,摆锤在图示三个位置时，求重力G G对O O点之矩各为多少？CGl123 o解解: :MO(F) = Fd位置位置1:MO(F) = Gd = 0位置位置2:MO(F) = G GGd=lsinGlsin位置位置3:MO(F) = Gl 刚架上作用着力刚架上作用着力F F, ,分别计算力分别计算力F F对对A A点和点和B B点的力矩。点的力矩。F F、

17、a a、b b为已知。为已知。AFBab Fx Fy解：解： 用定义计算，力臂不易用定义计算，力臂不易确定，所以，用合力矩定理。确定，所以，用合力矩定理。MA(F) = Fx b= bFcosFx=Fcos Fy=Fsin MB(F)= MB(Fx) +MB(Fy) = b Fcos+ a Fsin 例例 图示结构，求图示结构，求A A、B B处反力。处反力。解：解：1、取研究对象、取研究对象2、受力分析、受力分析AYBN3、平衡条件、平衡条件mi=P 2aYA l=0lPaYNAB2m i= 0BRARP 2aRB cos l=0cos2lPaRRABAB1m2m3mARBR 求图示简支梁的

18、支座反力。AB1m2m3ml解：以梁为研究对象，受力如图。0:0321mmmlRmA解之得：BARlmmmR321例题.在梁AB上作用一个力偶,其矩为m,梁长为l.自重不计.试求支座A和B的约束反力.45oABlm解:取梁AB为研究对象45oABlmRARB45o45oRA = RB = Rm(RA , RB) = Rlcos 45o mi = 0Rlcos 45o- m = 0R = RA = RB = lm2例题.图示铰链四连杆机构OABO1处于平衡位置.已知OA=40cm, O1B=60cm, m1=1Nm,各杆自重不计.试求力偶矩m2的大小及杆AB所受的力.OABO1m2m130o解:

19、 AB为二力杆OABO1m2m130oSA = SB = SSSSS 取OA杆为研究对象. mi = 0m2 0.6 S = 0(1)取O1B杆为研究对象. mi = 00.4sin30o S - m1 = 0(2)联立(1)(2)两式得: S = 5m2 = 3例题.不计自重的杆AB与DC在C处为光滑接触,它们分别受力偶矩为m1与m2的力偶作用 ,转向如图.问m1与m2的比值为多大,结构才能平衡?60o60oABCDm1m2解:取杆AB为研究对象画受力图. 杆A B只受力偶的作用而平衡且C处为光滑面约束.则A处约束反力的方位可定.ABCm1RARC mi = 0RA = RC = RAC =

20、 aa R - m1 = 0m1 = a R (1) 取杆CD为研究对象.因C点约束方位已定 , 则D点约束反力方位亦可确定.画受力图.60o60oDm2BCARDR CRD = RC = RCD = a mi = 0- 0.5aR + m2 = 0m2 = 0.5 aR (2)联立(1)(2)两式得:221mm例题例题 图示刚架，其上作用三个力偶，其中图示刚架，其上作用三个力偶，其中 F1= F1 =5KN，m2=20KN.m, m3= 9KN.m, 试求支座试求支座A、B处的反力。处的反力。AB m2m130oF1F1 m3 m2m330o30oFAFB1m1m1mABm1=F1 1=5K

21、N.mm1m1 - m2+ m3+FB d =0 m2m330o30oFAFBABd解：因为作用在刚架上的主动力全是力偶，解：因为作用在刚架上的主动力全是力偶， 则则A、B处的约束反力一定形成力偶。处的约束反力一定形成力偶。 根据平面力偶系的平衡方程：根据平面力偶系的平衡方程： mi = 05 - 20+ 9+FB ABsin300 =0解得：解得：FA=FB=2.31kN例例 已知：机构如图所示，各构件自重不计，主动力偶已知：机构如图所示，各构件自重不计，主动力偶M1为已知，求：支座为已知，求：支座A、B的约束反力及主动力偶的约束反力及主动力偶M。ABCDEMM1450a解：解： “BD”B

22、DEM1FEFB M = 0M1 - FE a = 0 FB = FE = M1 / aFBFA“系统系统”系统受力偶作用，又只在系统受力偶作用，又只在A、B两点受力，则该两点的力必两点受力，则该两点的力必形成一力偶。形成一力偶。 FA = FB = M1 / a M = 0M1 - FB 0 - M = 0 M = M1ABCDEMM1450aFBFA 系统如图，AB杆上作用矩为M的力偶，设AC=2R，R为轮C的半径，各物体的重量及摩擦不计。求绳子的拉力和铰A对AB杆的约束反力及地面对轮C的反力。MBADDNAN 解：先以AB杆为研究对象，受力如图。0:0ADNMmA由几何关系：RRRAD3

23、)2(22DANRMRMADMN333所以：AMBCED 再以轮C为研究对象，受力如图，建立如图坐标。CDNENTxy0coscos:0TNXD0sinsin:0TNNYD21sinsin,23coscos其中：解之得：RMNNTED33AMBCDENAR讨论：本题亦可以整体为研究对象求出：RMNREA33例例已知：a、m，杆重不计。 求：铰A、C的反力。解解:分别以AB杆(二力杆) 和BC为研究对象求解.由由 M=0, m NC d= 0及 NC = NB = NB 解得解得:AB杆：BC杆：例例 M1=2kNm，OA=r=0.5m，30，求作用于摇杆上力偶矩的大小及铰链O、B处的约束力。解

24、：解：1.先先以圆轮为研究对象. 0sin 1rFMAkN830sin1rMFA由由 M=0,解得解得:（平面力偶系）（平面力偶系）2.再以摇杆为研究对象再以摇杆为研究对象（平面力偶系）（平面力偶系）0sin2rFMAmkN824412 MMkN830sin5 . 0230sin1rMFFFABO由由 M=0,FA= FA = M1 /rsin30解得解得:FO 、 FB的方向如图所示。ABMOABMO（A）（B）例：例：结构如图所示，已知主动力偶结构如图所示，已知主动力偶 M， 哪种情况铰链的约束力小哪种情况铰链的约束力小, ,并确定并确定 约束力的方向（不计构件自重）约束力的方向（不计构件

25、自重）1 1、研究、研究OAOA杆杆FFFF2 2、研究、研究ABAB杆杆例例: :M1 ,M2。2M1Msin2DNBDM DNADM 1研究研究BD研究研究AC1M2Msin12MADBDM 例例 图示杆系，已知图示杆系，已知m, l, ,求求A、B处约束力。处约束力。解：解：1、研究对象、研究对象ADNCR2、研究对象：、研究对象： 整体整体ADNBRlmRNBADBRCRm解：解：1、研究对象、研究对象2、研究对象：、研究对象： 整体整体ADNBRBRCRADNmCRlmlmRNBAD245sin0例题.图示物体系统中AC = CD = BE = EF = a 且CF = DE . 物

26、体重量不计. 求支座A 和B 的约束反力.ABCDEFm 解:取整体为研究 对象画受力图。ABCDEFm RARBdRA = RB = R mi = 0sin3RamRA = RB = R =sin3amANCNBAmANBNCBANamNN2 练习练习 下图中，求下图中，求 A、C 两点处的支座反力。两点处的支座反力。 OA 练习练习 试求机构在图示位置保持平衡时主动力系的关系。其中试求机构在图示位置保持平衡时主动力系的关系。其中 AO=d, AB=l。 BABNOR曲柄曲柄ACDQAOBABNBNQM解：解： 1、研究对象：、研究对象： 滑块滑块BM 0 x022QldlNABldlNQA

27、B222、研究曲柄、研究曲柄ACD0m022MdldlNABdMldlNQAB22思考题：思考题：1、m可否又可否又BC上移至上移至AC上？上？m2.2.既然一个力不能与力偶平衡，为什么下图的圆轮能平衡？既然一个力不能与力偶平衡，为什么下图的圆轮能平衡？力偶不能和一个力平衡，为什么图中的轮子又能平衡？力偶不能和一个力平衡，为什么图中的轮子又能平衡？OPrM=P rOPM=P rP 力偶只能和力偶平衡，P、O两点的力应构成力偶，所以，这个力偶与M平衡。2、图示机构平衡时两力偶之间的关系？、图示机构平衡时两力偶之间的关系？BRCRm1BRAR杆BC0m021mm21mm21mm分析整体答案：答案：

28、力沿作用线移动：力沿作用线移动：AAFFBB力是滑动矢量。只适用力是滑动矢量。只适用于刚体，不适用于变形体于刚体，不适用于变形体及刚体系统。及刚体系统。反例为：绳子，反例为：绳子，ABCPABCP?AFBAFBMB力线平移力线平移力偶等效力偶等效ABMABMABMABCMABC?M思考题：思考题：1、图示两结、图示两结构是否等效？构是否等效？2、力矩与力偶矩的异同？（平时作业）、力矩与力偶矩的异同？（平时作业）ABCEFm 如图所示杆件结构中，EF/AB，AE=EC， lBClACACB4,3,90EF杆E端与AC铰接，F端光滑搁置在BC上，杆重不计，求A、B处的反力。小结力对点之矩在轴上的投影等于力对轴之矩；力对点之矩在轴上的投影等于力对轴之矩；力偶对刚体的作用效应仅为转动，力偶不力偶对刚体的作用效应仅为转动，力偶不能与一个力等效，也不能与一个力平衡；能与一个力等效，也不能与一个力平衡；力偶对刚体的转动效应决定于其三要素；力偶对刚体的转动效应决定于其三要素；力偶等效条件，合力（偶）矩定理；力偶等效条件，合力（偶）矩定理；力偶系平衡的充要条件是：力偶系平衡的充要条件是： S M i =0。