力矩和力偶矩的异同
力矩与力偶矩的异同
力矩与力偶矩的异同引言力矩和力偶矩是力学中常常使用的概念，它们在描述物体受力情况和求解平衡条件时起到了重要的作用。
本文将详细讨论力矩和力偶矩的异同，包括定义、计算方法、性质等方面的内容。
定义•力矩是描述作用在物体上的力对它的转动效果的物理量。
当一个力偏离物体的轴线施加在物体上时，就会产生力矩，力矩的大小等于力与轴线的距离乘以力的大小。
•力偶矩是一对大小相等、方向相反的力所组成的力偶对产生的转力。
力偶矩与力矩的定义类似，只是力偶矩是由一对力组成的。
计算方法力矩和力偶矩的计算方法类似，可以通过向量叉乘或者点乘来求解。
•向量叉乘：设有两个矢量A和B，其叉乘结果用符号A×B表示，其计算公式为：A×B = |A| |B| sinθ n 其中，|A|和|B|分别是矢量A和B的大小，θ是矢量A到矢量B的夹角，n是垂直于A和B所在平面的单位矢量。
•向量点乘：向量点乘的结果是一个标量，用符号A·B表示，其计算公式为：A·B = |A| |B| cosθ 其中，|A|和|B|分别是矢量A和B的大小，θ是矢量A和矢量B之间的夹角。
力矩与力偶矩的关系力矩和力偶矩之间存在着紧密的联系。
1.力矩是力偶矩的特殊情况：当一对力的大小相等、方向相反，并且作用在同一直线上时，它们所产生的力矩就是一个力偶矩。
2.力偶矩的大小等于力矩的大小的两倍：由力偶矩的定义可知，力偶矩是一对力产生的转力，它的大小等于一个力所产生力矩的两倍，即M = 2Fd。
3.力矩和力偶矩都是矢量：力矩和力偶矩都有大小和方向，因此可以用矢量表示。
4.力矩和力偶矩的方向规律相同：力矩和力偶矩的方向都遵循右手螺旋规则，即在右手握住转动轴，四指的方向表示力或者力偶矩的方向，那么拇指的方向就是转动轴的方向。
力矩的性质力矩具有以下性质：1.力矩的大小等于力与轴线的距离的乘积：设力F作用在物体上产生的力矩为M，力F到轴线的距离为r，则M = F * r。
力矩与力偶
1.2.2 力矩的性质 1.力F对O点这矩不仅取决于F的大小，同时还与矩心的位置即力臂d有关。 2.力在刚体上沿作用线移动时，力对点之矩不变。 3.力的大小等于零或力的作用线过矩心时，力矩等于零。 4.互成平衡的两个力对同一点之矩的代数和为零。
§1.2 力对点之矩
1.2.3 合力矩定理 平面力系有一合力时，合力对平面内任一点之矩，等于各分力对同一点之 矩的代数和。
Ft
D 2
0
Fn
cos
D 2
1000 160 103 cos 20 75.2N m 2
计算力对点之矩的方法：1.利用力对点之矩的定义式计算。 2.利用合力矩定理计算。
§1.3 力偶
生活实例：
1.3.1 力偶的概念 1．力偶的定义：一对大小相等、指向相反的平行力组成的特殊力系称为力
偶。记作F , F 。
§1.3 力偶
性质1 力偶在任一轴上的投影的代数和为零。 力偶无合力，力偶对刚体的移动不产生任何影 响，即力偶不能与一个力等效，也不能简化为 一个力。
性质2 力偶对于其作用面内任意一点之矩与该 点（矩心）的位置无关，它恒等于力偶矩。
1.3.2 力偶的基本性质
§1.3 力偶
推论1 力偶可在其作用面内 任意移而不会改变它对刚体 的转动效应。
思考题：如图所示的圆盘，在力偶M=Fr和力F的作用
下保持静止，能否说力偶和力保持平衡？为什么？
§1-4 力的平移定理
力的平移定理 力可以等效的平移到刚体上的任一点，
但必须附加一个力偶，其力偶矩的大小等 于原力对该点之矩。
§1.4 力的平移定理
力的平移定理换句话说，就是平移前的一个力与平移后的一个力和一个附 加力偶等效。即一个力可以分解成为同平面内另一点的一个力和一个力偶。反 之共面的一个力和一个力偶也可以合成为同平面内的一个力，这便是力的平移 定理的逆定理。
力矩-力偶系
a b
M o (F ) Fd F (ob ab) F (l sin h cos )
2.合力矩定理 • 力系与其合力等效，对于使物体转动的效果，这种 性质依然存在，即合力对于一点O之矩，等于各分 力对点O之矩的代数和，这一普遍规律称为合力矩 定理。可用下式表示。
式中：
§1-3 力对点之矩、力偶
一、力对点之矩 —— 力矩 1 力矩
力的转动效果由两个因素决定： 1)、力的大小与点O到力作用线 的垂直距离 2)、力使物体绕O转动的方向
式中， Mo(F)=±Fh 表示此二因素，称为 力对点之矩简称力矩 力对点之矩的实质是 力 对通过矩心且垂直于平面 的轴的矩
其中O称为矩心，h 称为力臂，力矩为代数量，力使物体绕矩心逆 时针转动时为正，顺时针为负。
例题：梁AB 受一主动力偶作用，其力偶矩M=100 Nm ，梁长l=5m ，梁的自重不计，求两支座的约束 反力。 • 解 （1）以梁为研 究对象，进行受力 分析并画出受力图 • 因系统为力偶系， 故FA必须与FB大 小相等、方向相反、 作用线平行。 • （2）列平衡方程
∑M=0
FBl - M = 0
（1）力偶无合力。 力偶不能用一个力来等效，也不能用一个力来平衡。 可以将力和力偶看成组成力系的两个基本物理量。 （2）力偶对其作用平面内任一点的力矩，恒等于其力偶矩。
2.力偶的性质
（3）力偶的等效性——作用在同一平面的两个力偶，若它 们的力偶矩大小相等、转向相同，则这两个力偶是等效的。 则可得： • 1）力偶可以在其作用面内任意移转而不改变它对物体的作 用。即力偶对物体的作用与它在作用面内的位置无关。 • 2）只要保持力偶矩不变，可以同时改变力偶中力的大小和 力偶臂的长短，而不会改变力偶对物体的作用。
力系的简化和平衡-2.2力矩和力偶
定理叙述：平面汇交力系的合力对平面内任一点的矩等
于各分力对同一点力矩的代数和
n
M o FR
M o Fi
i 1
定理证明：
FR
F1
r
A
O
Fn
F2 Fi
若 n 个力汇交于A点，则其合力为：
n
FR F1 F2 Fn Fi
i 1
r 用 同时矢积上式两端
r FR
r F1
zFx
xFz
j
xFy yFx k
由此可得：
M x
F
yFz zFy
M y
F
zFx xFz
M z F xFy yFx
Fz Fx Fy
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力矩的单位： N m 或 kN m
B
Mo(F)
r
O
h
F
A
③力对点之矩矢的性质： a) 当力沿其作用线移动时，
M O F 保持不变。
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①力对点之矩矢的概念 力对刚体产生的绕点转动效应取决于三要素： a.强度：力与力偶臂乘积 b.方位：转动轴的方位 c.方向：转动方向
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力矩矢量的方向
MO
r
F
按右手定则
MO r F
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②力对点之矩矢的矢量积和解析表达式
B
Mo(F)
r
O
h
F
A
力矢： F Fx , Fy , Fz
求： 光滑螺柱AB所受水平力。
解：由力偶只能由力偶平衡的 性质，其受力图为：
M 0
FAl M1 M 2 M 3 0
解得
FA
FB
M1
M2 l
M3
200N
力矩、力偶的概念及其性质
Ad B
F
是独立量；
⑶ 性质3 平面力偶等效定理
作用在同一平面内的两个力偶，只要它的力偶矩的大小相
等，转向相同，则该两个力偶彼此等效。
[证] 设物体的某一平面
QA
FR
F
A
FR
FR
B
DC
F
FR
B
Q
上作用一力偶(F,F') 现沿力偶臂AB方向 加一对平衡力(Q,Q'), 再将Q,F合成FR，
Q',F'合成F'R ， 得到新力偶(FR, F'R ),
解： 简支梁上的载荷为力偶。由于力偶只能被力偶所平衡，
故支座A 、B 处反力必须组成一个力偶。B为滚动支座、约束
反力 NB应沿支承面的法线，固定支座A的约束反力RA ，它与 NB 应组成一力偶，故也应沿铅垂线而与NB方向相反，且 RA=NB。 根据平面力偶系平衡方程有:
m 0, m NB cos l 0
工程力学
力矩、力偶的概念及其性质
力对物体可以产生 移动效应--取决于力的大小、方向；
转动效应--取决于力矩的大小、转向。
一、力对点的矩 ⒈ 定义
A F
d
+
MO (F )
B
-
O
3
二、合力矩定理
⒈ 定理：平面汇交力系的合力对平面内任一点的矩，等于所 有各分力对同一点的矩的代数和
即：
⒉ 证明（略）
由合力投影定理有： od=ob+oc
得：NB 5.66kN RA
A
M
B
A
M
B
C l
C RA l
NB 45
(a)
(b)
力偶矩与力矩的区别和联系
力偶矩与力矩的区别和联系答案：一、作用不同：力矩是力对物体产生转动作用的物理量。
可以分为力对轴的矩和力对点的矩。
即：M=LxF。
其中L是从转动轴到着力点的距离矢量, F是矢量力；力矩也是矢量。
力偶是作用于同一刚体上的一对大小相等、方向相反、但不共线的一对平行力。
二、含义不同：力偶矩为“力偶的力矩”的简称，亦称“力偶的转矩”。
力矩与力偶矩的联系是物体旋转的作用。
扩展：力矩：力矩表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量。
力和力臂的乘积为力矩。
力矩是矢量。
力对某一点的力矩的大小为该点到力的作用线所引垂线看长度（即力臂）乘以力的大小，其方向则垂直于垂线和力所构成的平面用右手螺旋法则来确定。
力对某一轴线力矩的大小，等于力对轴上任一点的力矩在轴线上的投影。
国际单位制中，力矩的单位是牛顿·米。
常用的单位还有千克力·米等。
力矩能使物体获得角加速度，并可使物体的动量矩发生改变，对同一物体来说力矩愈大，转动状态就愈容易改变。
力矩的计算公式为M=F*L，公式当中M表示的是力F对于转动轴O的力矩，只要是使物体产生逆时针方向转动效果的，称为正力矩，反之则称为负力矩。
力偶距：由两个大小相等方向相反的平行力所组成的二力称为力偶，记为（F,F,），力偶两力之间的垂直距离称为力偶臂，记做d。
力偶不能合成为一个力，也不能通过一个力进行平衡，或是用一个力进行等效替换。
力偶可以使物体转动以及改变物体转动的状态。
力偶对物体的转动效果与力矩对物体的转动效果相同，力偶对物体的作用效应可以通过力偶距来进行衡量。
力偶距的计算可以通过力与力偶臂的乘积得到，计算公式为M=F*d。
只要是使物体产生逆时针方向转动效果的，称为正力偶矩，反之则称为负力偶矩。
力矩和力偶距的异同共同点：单位统一,符号规定统一。
差异点：1.力矩随矩心位置不同而变化；力偶矩对物体作用效果与矩心选取无关。
2.力偶矩可以完全描述一个力偶；力对点之矩不能完全描述一个力偶。
力矩和力偶
想一想，说一说
1、车间、仓库的大铁门，在靠近门轴的地方推门，尽管用力方 向垂直于铁门，仍不能将门推开。这是为什么？ 2、北方农村的石碾子，往往安装较长的把手，这样推起碾 来 就省力。这又是为什么？ 3、试分析下述情况中，物体转动是力矩的作用还是力偶矩的作 用： （1）用扳手拧紧螺母。（ 力矩 ） （2）手拧紧液化气钢瓶。 （力偶矩 ） （3）蹬自行车踏板使车前进。 （ 力矩 ） （4）旋转钥匙开锁。 （力偶矩 ）
二、力偶
1.什么是力偶 什么是力偶
工程上，把大小相等、方向相反、作用线 相互平行的一对力叫做力偶 力偶。 力偶
2.力偶矩 力偶矩
（1）力偶臂 力偶中的两个力的 作用线之间的距离d 叫做力偶臂 力偶臂。 力偶臂
（2）力偶矩 力偶矩 F的大小与力偶臂d乘积叫做力偶矩 力偶矩。 力偶矩 M=Fd 力偶矩的单位是牛米 牛米，符号是N·m。 牛米
今天作业 习题册：P5，1.4
2.力矩 力矩
（1）力臂 ）力臂:从转动轴到力的作用线之间的距离叫做力臂。
力矩。 （2）力矩 ）力矩:力F和力臂L的乘积叫做力对转动轴的力矩 力矩 M=FL 力矩的单位是牛米 牛米，符号是N·m。 牛米 （3）力矩可以使物体向不同的方向转动。 ）力矩可以使物体向不同的方向转动。
项目三 力矩和力偶
M=0
三、平面力系中的合成与平衡 作用在同一物体上的几个力偶称为力偶系。作用在同一平 面内的力偶称为平面力偶系。 由于力偶的特性可以推断，力偶系合成的结果必定是一个 合理偶，如果已知平面力系中各个力偶的力偶矩为M1、 M2…Mn,则合力偶的力偶矩M为各个分力偶的代数和。
M M 1 M 2 ... Mn = Min
O点称为力矩中心(简称矩心)；O点到力F作用线的垂直距 离Lh，称为力臂。式子中的正负表示力矩的方向。一般规定： 力使物体绕矩心做逆时针方向转动时，力矩取正值符号，反 之为负号，力矩的单位常用N〃m或KN〃m 当力的作用线通过矩心时，因其力力臂为零故力矩等于零， 这时，力不可能使物体绕矩心转动。 当力沿其作用线移动时，因为力矩不变，故力矩也不变，力 对物体的转动效果也不变。
解：分解力F到垂直手柄的力F1 和沿手柄方向的力F2
MA(F ) MA(F 1) MA(F 2) F 1L1 F 2L 2 FL1 cos 15
=-39.7 N.m
负号说明力F使手柄绕A点顺时针转动
力矩和力偶
二、力偶和力偶矩 1.力偶和力偶矩 司机转动反向盘和钳工使用丝锥攻螺纹时，方向盘和丝锥 铰杠上通常受到大小相等、方向相反、作用线不在一条直线 上的两个平行力的作用。 在同一物体上作用等值反向的两个平行力，力的矢量和显 然等于零，但是由于它们不共线而不能相互平衡，是物体产 生转动。这种由大小相等、方向相反、作用线平行但不重合 的二力组成的力系称为力偶， 记作 （ F 、 。力偶中 F、 ） 二力之间的距离Ld称为力偶臂，力偶所在的平面称为力偶的 作用面。