列平衡方程4联立求解FA为负值课件.ppt
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- 平衡 方程 联立 求解 FA 负值 课件
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1、Part 1Part 2目 录汇交力系:各力作用线均汇交于一点。汇交力系:各力作用线均汇交于一点。平面汇交力系平面汇交力系F3F2F1OAFCFBFWAOCB空间汇交力系空间汇交力系1 1 汇交力系的概念与实例汇交力系的概念与实例 基本问题力系的合成力系的平衡条件 汇交力系和力偶系是两种最简单的力系,也汇交力系和力偶系是两种最简单的力系,也称为称为基本力系基本力系,是研究复杂力系的基础。,是研究复杂力系的基础。研究方法几何法解析法一、汇交力系合成的几何法一、汇交力系合成的几何法FR1=F1+F2aF2F1F4F3FRFR1FR2bcedFR2=FR1+F3FR=FR2+F4=F1+F2+F3+
2、F4合力的表达式:合力的表达式:AF2F1F4F32 2 汇交力系的合成与平衡汇交力系的合成与平衡几何法几何法 把各力矢把各力矢首尾相接首尾相接,形成一条有向折线段(称为,形成一条有向折线段(称为力链力链)。得到一个开口)。得到一个开口的多边形,称为的多边形,称为力多边形力多边形。由开口的力多边形由开口的力多边形始点指向终点的封闭边始点指向终点的封闭边为合力。合力的为合力。合力的作用点仍在力作用点仍在力系的公共作用点上。系的公共作用点上。此法称为此法称为力的多边形法则力的多边形法则。1、力的多边形法则、力的多边形法则 根据矢量加法的交换率,根据矢量加法的交换率,可以交换力多边形中的各个力矢可以
3、交换力多边形中的各个力矢,合力的大,合力的大小和方向、作用点仍然不改变。小和方向、作用点仍然不改变。F1F4F2F3aFR1FR2FRbcdeF1F4F2F3aFRcdeb 空间共点力系和平面情形类似,在理论上也可以用力多边形来合空间共点力系和平面情形类似,在理论上也可以用力多边形来合成。但空间力系的力多边形为空间图形。给实际作图带来困难。成。但空间力系的力多边形为空间图形。给实际作图带来困难。2、汇交力系的合成结果汇交力系的合成结果 汇交力系可以合成为一个力,合力作用在力系的汇交点,合力汇交力系可以合成为一个力,合力作用在力系的汇交点,合力等等于这些力的于这些力的矢量和矢量和,并可由这力系的
4、力多边形的封闭边表示。,并可由这力系的力多边形的封闭边表示。1niiFF矢量的表达式:矢量的表达式:R=F1+F2+F3+Fn用几何法求汇交力系的合力时,应注意以下几点:按一定的比例画出各力的大小,方向要准确;力多边形中各力必须首尾相连。合力的方向则是从第一个力的起点指向最后一个力的终点;作力多边形时,可以任意变换力的次序,合成的结果并不改变。例例1:如图所示,固定在墙内的螺钉上作用有三个力,:如图所示,固定在墙内的螺钉上作用有三个力,F1=3kN,F2=4kN,F3=5kN。试求这三个力的合力。试求这三个力的合力。F1OF2F3300F2F3FR解:FR=8.3kN,=3.50F1O 几何法
5、求合力,作图的精确度对所求结果有较大影响。因此对几何法求合力,作图的精确度对所求结果有较大影响。因此对作图的精度要求较高,一般按要求作图法很难满足,特别是对空间作图的精度要求较高,一般按要求作图法很难满足,特别是对空间力系,因此一般采用几何法求解的较少,更多的是采用下面介绍的力系,因此一般采用几何法求解的较少,更多的是采用下面介绍的方法方法解析法。解析法。二、汇交力系平衡的几何条件二、汇交力系平衡的几何条件汇交力系平衡的充要条件是:汇交力系平衡的充要条件是:力系的合力力系的合力F FR R等于零,或力系的矢量和等于零。用矢量式表等于零,或力系的矢量和等于零。用矢量式表达为:达为:汇交力系平衡的
6、几何条件是:汇交力系平衡的几何条件是:该力系的力多边形自行封闭。该力系的力多边形自行封闭。R0iFF例例2 2 杆杆ACAC和和BCBC在在C C处铰接,另一端均与铅垂处铰接,另一端均与铅垂墙面铰接。铅垂力墙面铰接。铅垂力F F作用在销钉作用在销钉C C上,且上,且F F=866N=866N,不计杆自重。试求两杆所受的,不计杆自重。试求两杆所受的力。力。1F2F CFBA CF30解:解:(1)根据题意,选取销钉根据题意,选取销钉C为研究对象。为研究对象。(2)画受力图。销钉画受力图。销钉C受铅垂力受铅垂力F的作用,还受到的作用,还受到杆杆AC和和BC的作用,且杆的作用,且杆AC和和BC均为二
7、力均为二力杆。销钉杆。销钉C的受力图如图所示。的受力图如图所示。(3)(3)作力多边形。根据汇交力系平衡的几何条件,这三个力作力多边形。根据汇交力系平衡的几何条件,这三个力组成的力多边形自行封闭,即它们组成一个封闭的三角组成的力多边形自行封闭,即它们组成一个封闭的三角形。形。(4)(4)求未知量。可以看出力三角形求未知量。可以看出力三角形abcabc为直角三角形,因此为直角三角形,因此由三角关系可得由三角关系可得:ab cF1F2F1F2F CF121500 N2FF221000 N3FFA60PB30aaC(a)解:(1)取梁AB 作为研究对象。(4)解出:NA=Pcos30=17.3kN,
8、NB=Psin30=10kN.(2)画出受力图。(3)应用平衡条件画出P、NA 和NB 的闭合力三角形。例3:水平梁AB图(a)所示,P=20kN,试求支座A 和支座B 的反力。梁的自重不计。BAC(b)FBFAD6030PEPFBFA6030HK(c)反之,当投影Fx、Fy 已知时,则可求出力 F 的大小和方向:cosxFF cosFFy2y2xFFFFFFFyxcos cos结论:力在某轴上的投影,等于力的模乘以力与该轴正向间夹角的余弦。一、力在平面坐标轴上的投影一、力在平面坐标轴上的投影3 3 力的投影力的投影 已知力已知力F在坐标系在坐标系oxyz上与上与x轴、轴、y轴和轴和z轴之间的
9、夹角分别为轴之间的夹角分别为、和和,则力在三个坐,则力在三个坐标轴上的投影为:标轴上的投影为:二、力在空间坐标轴上的投影二、力在空间坐标轴上的投影cosxFFcosyFFcoszFFFzFxFyzxFy 反之,当投影反之,当投影Fx、Fy、Fz 已知时,则可求出力已知时,则可求出力 F 的大小和方向:的大小和方向:22y2xzFFFFyxcos,cos,coszFFFFFF1、直接投影法、直接投影法 由力矢由力矢F 的始端的始端A 和末端和末端B向投影平面向投影平面oxy引垂线,由垂足引垂线,由垂足a到到b所构成的矢量所构成的矢量ab,就是力在平面,就是力在平面Oxy上的投影记为上的投影记为F
10、xy。即:。即:注意:注意:力在轴上投影是代数值。力在轴上投影是代数值。力在平面上的投影是矢量。力在平面上的投影是矢量。力在平面上的投影力在平面上的投影:cosxyFF2、二次投影法(间接投影法)、二次投影法(间接投影法)xyabFxyABcossincosxxyF=FFcoszFFsinxyF=FsinsinsinyxyF=FF二次投影法二次投影法:如果已知如果已知F F、和和,则可求出力则可求出力 F 在各个坐标在各个坐标轴上的投影:轴上的投影:FzFxFyzxysinxyF=FF例例4 图所示的圆柱斜齿轮,其上受啮合力图所示的圆柱斜齿轮,其上受啮合力F的作用。已知斜齿轮的齿倾的作用。已知
11、斜齿轮的齿倾角(螺旋角)角(螺旋角)和压力角和压力角,试求力,试求力F在在x、y、z轴上的投影。轴上的投影。解:先将力解:先将力F向向z轴和轴和oxy平面投平面投影,得:影,得:sin,coszxyFFFF 再将力再将力Fxy向向x和和y轴投影,得:轴投影,得:coscoscossincos sinxxyyxyFFFFFF 以两个力组成的共点力系为例。设有两个共点力以两个力组成的共点力系为例。设有两个共点力F F1 1、F F2 2,并并用几何法画出其合力。用几何法画出其合力。三、合力投影定理三、合力投影定理 2FOAB1FRF2FCAB1FOxyRF2FCAB1FOabxybacc各力在各力
12、在y轴上投影:轴上投影:R12,yyyFa cFa bFb c 由图可知:由图可知:,acabbca ca bb c 即:即:R12,xxxFFFR12 yyyFFF各力在各力在x轴上投影:轴上投影:R12,xxxFac Fab Fbc 推广到任意多个力推广到任意多个力F1、F2、Fn 组成的平面组成的平面共点力系,可得:共点力系,可得:R121R121Rz121nxxxnxixxinyyynyiyyinzznzizziFFFFFFFFFFFFFFFFFF 合力投影定理:合力投影定理:合力在任一轴上的投影,等于它的各分力在同一合力在任一轴上的投影,等于它的各分力在同一轴上的投影的代数和。轴上的
13、投影的代数和。则则合力的大小和合力的大小和FR的方向余弦:的方向余弦:222222RRxRyRzxyzFFFFFFFcos ,cos ,cosRyyxzRxRzFFFFFFRRRRRR根据合力投影定理得根据合力投影定理得:R12R12Rz12xxxnxxyyynyyzznzzFFFFFFFFFFFFFFF一、汇交力系合成的解析法一、汇交力系合成的解析法4 4 汇交力系的合成与平衡汇交力系的合成与平衡解析法解析法 对于平面汇交力系的特殊情况问题:对于平面汇交力系的特殊情况问题:RyyFF 合力的大小合力的大小:2222RRxRyxyFFFFF合力合力FR的方向余弦的方向余弦:cos ,cos y
14、xRRFFFFxRxFF例例5 试求图中各力在坐标轴上的投影及各力的合力的大小和方向。试求图中各力在坐标轴上的投影及各力的合力的大小和方向。已知:已知:F1=F2=F3=100kN,F4=F5=200kN。OxyF5F4F3F2F160304545解:22cos6050 kNxFF 22sin6086.60 kNyFF33100 kNxFF 30yF44cos45141.42 kNxFF 44sin45141.42 kNyFF 55cos45141.42 kNxFF55sin45141.42 kNyFF OxyF5F4F3F2F160304545FRR12345 86.6050 100 141
15、.42 141.42 63.40kNxxxxxxFFFFFF R12345 5086.600 141.42 141.42 146.24kNyyyyyyFFFFFF 2222RRR(63.40)(146.24)159.39kNxyFFF RR63.40cos0.398159.39xFF 113 26 可得:可得:平面汇交力系的平衡方程平面汇交力系的平衡方程:0,xF 0,yF 0zF 即即:汇交力系的平衡条件是汇交力系的平衡条件是力系中所有各力在各个坐标轴中每一力系中所有各力在各个坐标轴中每一轴上的投影的代数和分别等于零。轴上的投影的代数和分别等于零。2220RxyzFFFF汇交力系平衡的充要条
16、件是:汇交力系平衡的充要条件是:力系的合力等于零力系的合力等于零,即即:0yF 二、汇交力系平衡的解析条件二、汇交力系平衡的解析条件0,xF 例例6 图示重物重为图示重物重为Q=30kN,由绳索,由绳索AB、AC悬挂,求悬挂,求AB、AC的约束反力。的约束反力。解解:1)取研究对象)取研究对象力系的汇交点力系的汇交点A;AQFC 3)建立坐标系;)建立坐标系;yx4)列出对应的平衡方程:)列出对应的平衡方程:FB 600CBAQ30000sin60sin300BCFF5)联立求解:)联立求解:2)画受力图;)画受力图;00cos60cos30-0BCFFQ0,xF 0,yF B=15kN,26
17、kNCFF 例例7 水平力水平力F作用在门式刚架的作用在门式刚架的B点,如图点,如图2.12a所示,刚架的自重所示,刚架的自重忽略不计。试求忽略不计。试求A、D两处的约束力。两处的约束力。解解:1)选取刚架为研究对象)选取刚架为研究对象;2)画受力图;)画受力图;FAFADCByxFD5aFADCBa2a3)建立坐标系,列平衡方程:)建立坐标系,列平衡方程:4)联立求解:)联立求解:0,cos0 xAFFF0,sin0yADFFF2cos5aasin5aa5,2AFF 2DFF F FA A为负值,说明图中所假设的指向与其实际指向相反,为负值,说明图中所假设的指向与其实际指向相反,F FD D
18、为正值,为正值,说明图中所假设的指向与其实际指向相同。说明图中所假设的指向与其实际指向相同。FAFADCByxFD5a例例8 支架的横梁支架的横梁AB与支杆与支杆BC在在B点用铰链连接,梁的点用铰链连接,梁的A端以及支杆端以及支杆的的C点以铰链固定在铅垂墙上。已知力点以铰链固定在铅垂墙上。已知力F作用在梁中间,即作用在梁中间,即ADDB,且且F15kN,支杆,支杆BC与水平横梁成与水平横梁成30o角。设横梁和支杆的重量忽略角。设横梁和支杆的重量忽略不计,试求铰链不计,试求铰链A的约束力及支杆的约束力及支杆BC所受的力。所受的力。解解:1)取横梁取横梁AB为研究对象,画受力图;为研究对象,画受力
19、图;CBA DF30 xEBFAFBA D30y30F2)列平衡方程,建立)列平衡方程,建立Axy坐标系;坐标系;3)联立求解。)联立求解。xEBFAFBA D30y30F0,cos30cos300 xABFFF0,sin30sin300yABFFFF 15 kNABFFFF60ABCDaaFyxCF60ABCAF45例例9 边长为边长为a的直角弯杆的直角弯杆ABC的的A端与固定铰链支座联结,端与固定铰链支座联结,C端与杆端与杆CD用销钉联结,而杆用销钉联结,而杆CD与水平线的夹角为与水平线的夹角为60o,略去各杆的重量。,略去各杆的重量。沿沿BC方向作用已知力方向作用已知力F=60N。试求。
20、试求A,C两点的约束力。两点的约束力。解解:1)取取ABC为研究对象,受力图如图。为研究对象,受力图如图。FyxCF60ABCAF452)列平衡方程;列平衡方程;3)联立求解。)联立求解。A=-53.79 N,43.92NCFF yxFCF75ABCAF45 正值表示受力图中所假设的指向与真实正值表示受力图中所假设的指向与真实的方向一致的方向一致;负值表示受力图中所假设的指向与真实的负值表示受力图中所假设的指向与真实的方向相反。方向相反。0,xF sin 45cos600ACFFFsin 60cos 450CAFF0,yF 注意:坐标轴(投影轴)可以任意选取,与合成结果无关,最好取注意:坐标轴
21、(投影轴)可以任意选取,与合成结果无关,最好取成与各分力夹成已知角度,以便于投影计算。成与各分力夹成已知角度,以便于投影计算。060 cos30 cos,0030 cos60 cos,02121FFFFFFFFBCyABx解方程得杆解方程得杆AB和和BC所受的力所受的力:kN 32.27366.1kN 321.7366.0PFPFBCBA解:解:由滑轮由滑轮B的平衡。的平衡。xyB3060FABF2F1FBCABD3060CP显然,显然,F1=F2=P例例 10 如图,如图,P=20 kN,求求AB、BC两杆受力。两杆受力。OyzxFCFBFAFT=FOCBAF例例11 杆杆AO,BO,CO用
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