力系的等效与简化

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1、第五讲内容第二章力系的等效与简化一、刚体和平衡的概念刚体：在受力作用后而不产生变形的物体称为，刚体是对实际物体经过科学的抽象和简化而得到的一种理想模型。而当变形在所研究的问题中成为主要因素时（如在材料力学中研究变形杆件），一般就不能再把物体看作是刚体了。平衡：指物体相对于地球保持静止或作匀速直线运动的状态。显然，平衡是机械运动的特殊形态，因为静止是暂时的、相对的，而运动才是永衡的、绝对的。二、力系、等效力系、平衡力系力系：作用在物体上的一组力。按照力系中各力作用线分布的不同形式，力系可分为：（1）汇交力系力系中各力作用线汇交于一点；（2）力偶系力系中各力可以组成若干力偶或力系由若干力偶

2、组成；（3）平行力系力系中各力作用线相互平行；（4）一般力系力系中各力作用线既不完全交于一点，也不完全相互平行。按照各力作用线是否位于同一平面内，上述力系各自又可以分为平面力系和空间力系两大类，如平面汇交力系、空间一般力系等等。等效力系：两个力系对物体的作用效应相同，则称这两个力系互为等效力系。当一个力与一个力系等效时，则称该力为力系的合力；而该力系中的每一个力称为其合力的分力。把力系中的各个分力代换成合力的过程，称为力系的合成；反过来，把合力代换成若干分力的过程，称为力的分解。平衡力系：若刚体在某力系作用下保持平衡。在平衡力系中，各力相互平衡，或者说，诸力对刚体产生的运动效应相互抵消

3、。可见，平衡力系是对刚体作用效应等于零的力系。第一节静力学基本公理静力学公理是人们从实践中总结得出的最基本的力学规律，这些规律的正确性已为实践反复证明，是符合客观实际的。一、二力平衡公理作用于刚体上的两个力平衡的充分与必要条件是这两个力大小相等、方向相反、作用线相同。这一结论是显而易见的。如图所示直杆，在杆的两端施加一对大小相等的拉力（F1、F2）或压力（F2、F1），均可使杆平衡。F2F1图2-1应当指出，该条件对于刚体来说是充分而且必要的；而对于变形体，该条件只是必要的而不充分。如柔索当受到两个等值、反向、共线的压力作用时就不能平衡。在两个力作用下处于平衡的物体称为二力体；若为杆件

4、，则称为二力杆。根据二力平衡公理可知，作用在二力体上的两个力，它们必通过两个力作用点的连线（与杆件的形状无关）且等值、反向。二、加减平衡力系公理在作用于刚体上的已知力系上，加上或减去任意平衡力系，不会改变原力系对刚体的作用效应。这是因为平衡力系中，诸力对刚体的作用效应相互抵消，力系对刚体的效应等于零。根据这个原理，可以进行力系的等效变换。推论1力的可传性原理作用于刚体上某点的力，可沿其作用线任意移动作用点而不改变该力对刚体的作用效应。利用加减平衡力系公理，很容易证明力的可传性原理。设力F作用于刚体上的A点。现在其作用线上的任意一点B加上一对平衡力系F1、F2，并且使F1=—F2=F，根

5、据加减平衡力系公理可知，这样做不会改变原力F对刚体的作用效应，再根据二力平衡条件可知，F2和F亦为平衡力系，可以撤去。所以，剩下的力F1与原力F等效。力F1即可看成为力F沿其作用线由A点移至B点的结果。同样必须指出，力的可传性原理也只适用于刚体而不适用于变形体。一、力的平行四边形法则作用于物体同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力也作用于该点，其大小和方向由以两个分力为邻边的平行四边形的对角线表示，即合力矢等于这两个分力矢的矢量和。其矢量表达式为FR=F1+F2（1—1）在求两共点力的合力时，为了作图方便，只需画出平行四边形的一半，即三角形便可。其方法是自任意点O开始，先画出一矢量F

6、1，然后再由F1的终点画另一矢量F2，最后由O点至力矢F2的终点作一矢量FR，它就代表F1、F2的合力矢。合力的作用点仍为F1、F2的汇交点A。这种作图法称为力的三角形法则。显然，若改变F1、F2的顺序，其结果不变。αFxFyFRyx利用力的平行四边形法则，也可以把作用在物体上的一个力，分解为相交的两个分力，分力与合力作用于同一点。实际计算中，常把一个力分解为方向已知的两个（平面）或三个（空间）分力，如图1—7即为把一个任意力分解为方向已知且相互垂直的两个（平面）或三个（空间）分力。这种分解称为正交分解，所得的分力称为正交分力。图1—7二、三力平衡汇交定理作用于刚体上平衡的三个力，如果

7、其中两个力的作用线交于一点，则第三个力必与前面两个力共面，且作用线通过此交点，构成平面汇交力系。这是物体上作用的三个不平行力相互平衡的必要条件。应当指出，三力平衡汇交公理只说明了不平行的三力平衡的必要条件，而不是充分条件。它常用来确定刚体在不平行三力作用下平衡时，其中某一未知力的作用线。一、作用力与反作用力公理两个物体间相互作用的一对力，总是大小相等、方向相反、作用线相同，并分别而且同时作用于这两个物体上。这个公理概括了任何两个物体间相互作用的