设力F在坐标轴上的投影为X和
工程力学(高教版)教案：4.1 力的投影与分解
第四章 空间力系作用在物体上各力的作用线不在同一平面内，称该力系为空间力系。
按各力的作用在空间的位置关系，空间力系可分为空间汇交力系、空间平行力系和空间任意力系。
前几章介绍的各种力系都是空间力系的特例。
第一节 力的投影与分解一、力在空间直角坐标轴上的投影已知力F 与x 轴如图4－1(a)所示，过力F 的两端点A 、B 分别作垂直于x 轴的平面M 及N ，与x 轴交于a 、b ，则线段ab 冠以正号或负号称为力F 在x 轴上的投影，即F x ＝±ab符号规定：若从a 到b 的方向与x 轴的正向一致取正号，反之取负号。
已知力F 与平面Q ，如图4－1(b)所示。
过力的两端点A 、B 分别作平面Q 的垂直线AA ′、BB ′，则矢量B A ''称为力F 在平面Q 上的投影。
应注意的是力在平面上的投影是矢量，而力在轴上的投影是代数量。
(a) (b)图4－ 1图4－2现在讨论力F 在空间直角坐标系Oxy 中的情况。
如图4－2(a)所示，过力F 的端点A 、B 分别作x 、y 、z 三轴的垂直平面，则由力在轴上的投影的定义知，OA 、OB 、O C 就是力F 在x 、y 、z 轴上的投影。
设力F 与x 、y 、z 所夹的角分别是α、β、γ，则力F 在空间直角坐标轴上的投影为：⎪⎭⎪⎬⎫±=±=±=γβαcos cos cos F F F F F F z y x (4－1)用这种方法计算力在轴上的投影的方法称为直接投影法。
一般情况下，不易全部找到力与三个轴的夹角，设已知力F 与z 轴夹角为γ ,可先将力投影到坐标平面Oxy 上，然后再投影到坐标轴x 、y 上，如图4－2（b ）所示。
设力F 在Oxy 平面上的投影为F xy 与x 轴间的夹角为θ，则⎪⎭⎪⎬⎫±=±=±=γθγθγcos sin sin cos sin F F F F F F z y x (4－2)用这种方法计算力在轴上的投影称为二次投影法。
理论力学-力的分解与力的投影以及平面力系中的力矩
O
45
30
45
x
129.3 N
F3
Fy Fyi F1 sin 30 F2 sin 60 F3 sin 45 F4 sin 45 112.3 N
第一章 静力学的基本公理与受力分析
F4
例题
合力的大小：
平面基本力系
FR Fx2 Fy2 171.3 N
二、力矩的解析表达式
M o (F ) xFy yFx
x、y是力F作用点A的坐标， 而Fx 、 Fy是力F在x、y轴的投影， 计算时用代数量代入。
合力FR对坐标原点之矩的解析表达式
M o ( FR ) ( xi Fyi yi Fxi )
i 1
第一章 静力学的基本公理与受力分析
n
第一章 静力学的基本公理与受力分析
例题
平面力系中的力矩
M O (Fx ) M O (Fy ) xFy - yFx
Fr(sincos - cossin ) Frsin ( - ) M O (F )
M O (F ) M O (Fx ) M O (Fy )
从上面的计算可以看到，力F对O点之矩等于它的两 个正交分力Fx和Fy对O点之矩的代数和。
第一章
静力学的基本公理与受力分析
合力矩定理
平面汇交的合力对于平面内 任一点之矩等于所有各分力对于 该点力矩的代数和。即
n
M o ( FR ) M o ( F1 ) M o ( F2 ) ....... M o ( Fn ) M O ( Fi )
i 1
第一章
静力学的基本公理与受力分析
q B x
q
A dx x h l
理论力学 第三章 平面力系
FBl cos M 0
得
M 20 k N m FB 4.62 kN l cos 5 m cos 30
FA FB 4.62kN
故
目录
第三章 平面力系\力的平移定理
3.3 力的平移定理
作用于刚体上的力，可平行移动到刚体内任一指定点，但必须 在该力与指定点所决定的平面内同时附加一力偶，此附加力偶的矩 等于原力对指定点之矩。 平面一般力系向一点简化的理论基础是力的平移定理。
设平面汇交力系F1、F2、…、Fn中各力在x、y轴上的投影分 别为Xi、Yi，合力FR在x、y轴上的投影分别为XR、YR，利用公式
F Fx Fy Xi Yj
分别计算式FR=F1+F2+…+Fn=ΣF 等号的左边和右边，可得 FR = XR i+YR j 以及 F1+F2+…+Fn=(X1i+Y1j)+（X2i+Y2j）+…+（Xni+Ynj） =（X1+X2+…+Xn）i+（Y1+Y2+…+Yn）j 比较后得到 X R X1 X 2 X n X YR Y1 Y2 Yn Y 目录
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第三章 平面力系
如图(a)所示水坝，通常取单位长度坝段进行受力分析，并将坝 段所受的力简化为作用于坝段中央平面内的一个平面力系［图(b)］。
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第三章 平面力系
第三章 平面力系
3.1 平面汇交力系的合成与平衡 3.2 平面力偶系的合成与平衡 3.3 力的平移定理 3.4 平面一般力系向一点简化 3.5 平面一般力系的平衡方程及其应用
第三章 平面力系\平面力偶系的合成与平衡
数学分析21.6重积分的应用(含习题及参考答案)
第二十一章 重积分 6重积分的应用一、曲面的面积问题：设D 为可求面积的平面有界区域，函数f(x,y)在D 上具有连续的一阶偏导数，讨论由方程z=f(x,y), (x,y)∈D 所确定的曲面S 的面积.分析：对区域D 作分割T ，把D 分成n 个小区域σi (i=1,2,…,n). 曲面S 同时也被分割成相应的n 个小曲面片S i (i=1,2,…,n). 在每个S i 上任取一点M i , 作曲面在这一点的切平面πi , 并 在πi 上取出一小块A i , 使得A i 与S i 在xy 平面上的投影都是σi . 现在M i 附近，用切平面A i 代替小曲面片S i . 则当T 充分小时，有 △S=∑=∆ni i S 1≈∑=∆ni i A 1, 这里的△S, △S i , △A i 分别表示S, S i 和A i 的面积.∴当T →0时，可用和式∑=∆ni i A 1的极限作为S 的面积.建立曲面面积计算公式：∵切平面πi 的法向量就是曲面S 在点M i (ξi ,ηi ,ζi )处的法向量， 记其与z 轴的夹角为γi , 则|cos γi |=),(),(1122i i yi i xf f ηξηξ++.∵A i 在xy 平面上投影为σi , ∴△A i =iiγσcos ∆=i i i y i i x f f σηξηξ∆++),(),(122. 又和数∑=∆ni i A 1=∑=∆++ni i i i y i i x f f 122),(),(1σηξηξ是连续函数),(),(122y x f y x f y x ++在有界闭区域D 上的积分和，∴当T →0时，有△S=∑=→∆++ni i i i y i i x T f f 1220),(),(1lim σηξηξ=⎰⎰++Dy x dxdy y x f y x f ),(),(122, 或△S=∑=→∆ni i iT 1cos limγσ=⎰⎰∧Dz n dxdy ),cos(,其中),cos(∧z n 为曲面的法向量与z 轴正向夹角的余弦.例1：求圆锥z=22y x +在圆柱体x 2+y 2≤x 内那一部分的面积. 解：由x 2+y 2≤x, 得D={(r,θ)|0≤r ≤21, 0≤θ≤2π}, 又z x =22y x x +=r r θcos =cos θ, z y =22yx y+=r r θsin =sin θ, ∴△S=⎰⎰++Dyxdxdy z z 221=⎰⎰πθ202102rdr d =π42.例2：设平面光滑曲线的方程为y=f(x), x ∈[a,b] (f(x)>0). 求证：此曲线绕x 轴旋转一周得到的旋转曲面的面积为： S=⎰'+ba dx x f x f )(1)(22π.证：由上半旋转面方程为z=22)(y x f -, 得 z x =22)()()(yx f x f x f -', z y =22)(yx f y --. 即有221yxz z ++=2222222)()()()(1yx f y y x f x f x f -+-'+=2222)())(1)((yx f x f x f -'+. ∴S=⎰⎰--'+b a x f x f dy y x f x f x f dx )()(222)()(1)(2=⎰⎰-'+b a x f dyy x f dx x f x f )(0222)(1)(1)(4=⎰⎰---'+ba x f x yf d x f y dx x f x f )(01222))(()(11)(1)(4=⎰⎰-'+b a dt tdx x f x f 102211)(1)(4=⎰'+b adx x f x f )(1)(22π.注：若空间曲面S 由参量方程：x=x(u,v),y=y(u,v),z=z(u,v),(u,v)∈D 确定, 其中x(u,v), y(u,v), z(u,v)在D 上具有连续一阶偏导数，且),(),(v u u y x ∂,),(),(v u u z y ∂,),(),(v u u x z ∂中至少有一个不等于0，则 曲面S 在点(x,y,z)的法线方向数为⎝⎛∂),(),(v u u z y ,),(),(v u u x z ∂,⎪⎪⎭⎫∂),(),(v u u y x , 则 它与z 轴的夹角的余弦的绝对值为：),cos(∧z n =222),(),(),(),(),(),(),(),(⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂v u u y x v u u x z v u u z y v u u y x=2222222)())((),(),(v u v u v u vvvuuuz z y y x x z y x z y x v u u y x ++-++++∂=21),(),(FEG v u u y x -∂,其中E=222u u u z y x ++,G=222v v v z y x ++,F=v u v u v u z z y y x x ++.当),(),(v u u y x ∂≠0，则有△S=⎰⎰∧Dz n dxdy ),cos(=dudv z n v u u y x D ⎰⎰'∧∂),cos(),(),(=dudv F EG D ⎰⎰'-2.例3：求球面上两条纬线和两条经线之间 的曲面的面积(图中阴影部分). 解：设球面方程为：(R 为球的半径). x=Rcos ψcos φ,y=Rcos ψsin φ, z=Rsin ψ.由E=222ψψψz y x ++=R 2, G=222ϕϕϕz y x ++=R 2cos 2ψ, F=ϕψϕψϕψz z y y x x ++=0， 得2F EG -=R 2cos ψ. ∴△S=⎰⎰2121cos 2ψψϕϕψψϕd R d =R 2(φ2-φ1)(sin ψ2-sin ψ1).二、质心引例：设V 是密度函数为ρ(x,y,z)的空间物体，ρ(x,y,z)在V 上连续. 为求得V 的质心坐标公式，先对V 作分割T ，在属于T 的每一小块v i 上任取一点(ξi ,ηi ,ζi )，则小块v i 的质量可用ρ(ξi ,ηi ,ζi )△v i 近似代替. 若把每一小块看作质量集中在(ξi ,ηi ,ζi )的质点时，整个物体就可用这n 个质点的质点系来近似代替. 由于质点系的质心坐标公式为：∑∑==∆∆=ni iiiini iiiiin v v x 11),,(),,(ζηξρζηξρξ, ∑∑==∆∆=ni iiiini iiiiin v v y 11),,(),,(ζηξρζηξρη, ∑∑==∆∆=n i iiiini ii i i in v v z 11),,(),,(ζηξρζηξρζ.当T →0时，n x , n y , n z 的极限x , y , z 就定义为V 的质心坐标，即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=VVdVz y x dVz y x x x ),,(),,(ρρ, ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=VVdVz y x dVz y x y y ),,(),,(ρρ, ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=VVdVz y x dVz y x z z ),,(),,(ρρ.当物体V 的密度均匀即ρ为常数时，则有⎰⎰⎰∆=VxdV Vx 1, ⎰⎰⎰∆=VydV Vy 1, ⎰⎰⎰∆=VzdV Vz 1, 这里△V 为V 的体积.又密度分布为ρ(x,y)的平面薄板D 的质心坐标为：⎰⎰⎰⎰=DDd y x d y x x x σρσρ),(),(, ⎰⎰⎰⎰=DDd y x d y x y y σρσρ),(),(. 当平面薄板的密度均匀时，即ρ为常数时，则有⎰⎰∆=Dxd D x σ1, ⎰⎰∆=D yd D y σ1, △D 为薄板D 的面积.例4：求密度均匀的上半椭球体的质心.解：设椭球体由不等式a x 2+by 2+c z 2≤1表示.由对称性知x =0, y =0, 又由ρ为常数，得z =⎰⎰⎰⎰⎰⎰VVdVdVz ρρ=abc abc ππ3242=83c .三、转动惯量质点A 对于轴l 的转动惯量J 是质点A 的质量m 和A 与转动轴l 的距离r 的平方的乘积，即J=mr 2.设ρ(x,y,z)为空间物体V 的密度分布函数，它在V 上连续. 对V 作分割T ，在属于T 的每一小块v i 上任取一点(ξi ,ηi ,ζi )，则v i 的质量可用ρ(ξi ,ηi ,ζi )△v i 近似代替. 当以质点系{(ξi ,ηi ,ζi ), i=1,2,…, n}近似替代V 时，质点系对于x 轴的转动惯量为：i i i i ni i i x v J n∆+=∑=),,()(122ζηξρζη.当T →0时，上述积分和的极限就是物体V 对于x 轴的转动惯量 J x =⎰⎰⎰+VdV z y x z y ),,()(22ρ. 类似地,V 对于y 轴与z 轴的转动惯量分别为：J y =⎰⎰⎰+VdV z y x x z ),,()(22ρ, J z =⎰⎰⎰+VdV z y x y x ),,()(22ρ.同理，V 对于坐标平面的转动惯量分别为：J xy =⎰⎰⎰VdV z y x z ),,(2ρ, J yz =⎰⎰⎰VdV z y x x ),,(2ρ, J xz =⎰⎰⎰VdV z y x y ),,(2ρ.平面薄板对于坐标轴的转动惯量分别为：J x =⎰⎰Dd y x y σρ),(2, J y =⎰⎰Dd y x x σρ),(2. 以及有J l =⎰⎰Dd y x y x r σρ),(),(2,其中l 为转动轴, r(x,y)为D 中点(x,y)到l 的距离函数.例5：求密度均匀的圆环D 对于垂直于圆环面中心轴的转动惯量. 解：设圆环D 为R 12≤x 2+y 2≤R 22, 密度为ρ, 则D 中任一点(x,y)与转轴的距离平方为x 2+y 2, 于是转动惯量为：J=⎰⎰+Dd y x σρ)(22=⎰⎰21320R R dr r d πθρ=2πρ(R 24-R 14)=例6：求均匀圆盘D 对于其直径的转动惯量.解：设D 为x 2+y 2≤R 2, 密度为ρ, D 内任一点(x,y)与y 轴的距离为|x|, 于是转动惯量为：(m 为圆盘质量) J=⎰⎰Dd x σρ2=⎰⎰Rdr r d 02320cos θθρπ=⎰πθθρ2024cos 4d R =44R ρπ=42mR .例7：设某球体的密度与球心的距离成正比，求它对于切平面的转动惯量.解：设球体由x 2+y 2+z 2≤R 2表示，密度为k 222z y x ++, k 为比便常数. 切平面方程为x=R, 则球体对于平面x=R 的转动惯量为： J=k ⎰⎰⎰-++VdV x R z y x 2222)(=k ⎰⎰⎰-ππϕθϕϕθ003220sin )cos sin (Rdr r r R d d=kR 6⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+-ππϕθϕθϕθ023220cos sin 61cos sin 5241d d =⎰πθθ2026cos 911d kR =911k πR 6.四、引力求密度为ρ(x,y,z)的立体对立体外质量为1的质点A 的引力.设A 的坐标为(ξi ,ηi ,ζi )，V 中点的坐标用(x,y,z)表示. V 中质量微元dm=ρdV 对A 的引力在坐标轴上的投影为 dF xyz其中K 为引力系数， r=222)()()(ζηξ-+-+-z y x 是A 到dV 的距离，于是 力F 在三个坐标轴上的投影分别为： F x =K ⎰⎰⎰-VdV r x ρξ3, F y =K ⎰⎰⎰-V dV r y ρη3, F z =K ⎰⎰⎰-VdV r z ρζ3, 所以F=F x i+F y j+F z k.例8：设球体V 具有均匀的密度ρ, 求V 对球外一点A(质量为1)的引力(引力系数为k).解：设球体为x 2+y 2+z 2≤R 2，球外一点坐标为(0,0,a) (R<a). 则F x =F y =0,F z =k ⎰⎰⎰-++-V dV a z y x a z ρ2/3222])([=k ρ⎰⎰⎰-++--zD R R a z y x dxdydz a z 2/3222])([)(, 其中D z ={(x,y)|x2+y2≤R 2-z 2}. 运用极坐标计算得： F z =k ρdr a z r rd dz a z z R RR ⎰⎰⎰---+-2202/32220])([)(πθ =2πk ρ⎰-+----R R dz aaz R a z )21(22=2πk ρ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+--++-+-⎰-R R dz a az R R a a az R a R 22222222212= 2πk ρ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+----+---⎰⎰--RRRRaz d a az R a R a az d a az R a R )2(214)2(241222222222=2πk ρ⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---+-----RRRRa az R a R a a az R a R 22222322222)2(612 =2πk ρ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++----222233)(6)()(2a R a R a a R R a R=2πk ρ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+++-232332a R R a R R R =2334a R k ρπ-. (注：z ≤R<a)习题1、求曲面az=xy 包含在圆柱x 2+y 2=a 2内那部分的面积.解：∵z x =a y, z y =ax , D={(r,θ)|0≤r ≤a, 0≤θ≤2π}, ∴曲面面积为： S=⎰⎰⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+Ddxdy a x a y 221=⎰⎰+a dr a r r d 022201πθ=)122(322-a π.2、求锥面z=22y x +被柱面z 2=2x 所截部分的曲面面积. 解：且面在xy 平面的投影区域为：D={(r,θ)|0≤r ≤1, 0≤θ≤2π}, 且z x =22yx x +, z y =22yx y +, ∴曲面面积为：S=⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++Ddxdy y x y y x x 2222221=⎰⎰10202rdr d πθ=π2.3、求下列均匀密度的平面薄板质心：(1)半椭圆2222by a x +≤1, y ≥0；(2)高为h, 底分别为a 和b 的等腰梯形.解：(1)设质心位置为(x ,y ), 由对称性得x =0.y =⎰⎰⎰⎰DDd yd σρσρ=⎰⎰⎰⎰DDd yd σσ=⎰⎰Dyd ab σπ2=dr r ab d ab ⎰⎰πθθπ122sin 2=π34b . (2)不妨设a 为下底，以下底中点为原点建立直角坐标系，则 D={(x,y)|l 1(y)≤x ≤l 2(y),0≤y ≤h}.设质心位置为(x ,y ), 由对称性得x =0.又等腰三角形的面积为2)(hb a +, ∴y =⎰⎰+D yd h b a σ)(2=⎰⎰+h y l y l dx ydy h b a 0)()(21)(2=⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---+--+h ydy a h y h a b a h y h b a h b a 02)(22)(2)(2=⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--+h ydy a h y h b a h b a 0)()(2=⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+h dy by y h b a h b a 02)(2=h b a a b )(32++. 其中：l 1(y): x=2)(2a h y h a b ---; l 2(y): x=2)(2ah y h b a +--.4、求下列均匀密度物体的质心.(1)z ≤1-x 2-y 2, z ≥0；(2)由坐标面及平面x+2y-z=1所围的四面体. 解：(1)设质心为(x ,y ,z ), 由对称性x =y =0, 应用柱面坐标变换有,z =⎰⎰⎰⎰⎰⎰VVdV dV z ρρ=⎰⎰⎰⎰⎰⎰--221020110201r r dz r d r d zdz r d r d ππθθ=dr r r dr r r )1()1(212102210--⎰⎰=31. (2)设质心为(x ,y ,z ),∵V=⎰⎰⎰VdV =121， ∴x =⎰⎰⎰--+21001211x y x dz dy xdx V =⎰⎰---2101)21(12x dy y x xdx =⎰-1024)1(12dx x x =41. y =⎰⎰⎰--+yy x dz dx ydy V 210122101=⎰⎰---ydx x y ydy 210210)21(12=⎰-21022)21(12dy y y =81. z =⎰⎰⎰--+yy x zdz dx dy V21012211=⎰⎰--+-ydx y x dy 2102210)12(6=⎰--21033)21(6dy y =41-.5、求下列均匀密度的平面薄板的转动惯量： (1)半径为R 的圆关于其切线的转动惯量；(2)边长为a 和b, 且夹角为φ的平行四边形，关于底边b 的转动惯量.解：(1)设切线为x=R, 密度为ρ.则对任一点P(x,y)∈D, P 到x=R 的距离为R-x ，从而转动惯量 J=ρ⎰⎰-Dd x R σ2)(=ρ⎰⎰+-Rdr r Rr R r d 022220)cos cos 2(θθθπ=ρ⎰+-πθθθ2024)cos 41cos 3221(d R= R 4. (2)设密度为ρ. 以底边为x 轴，左端点为原点，则转动惯量 J=⎰⎰Dd y σ2=ρ⎰⎰+by y a dx dy y ϕϕϕcot cot sin 02=3sin 33ϕρb a .6、计算下列引力：(1)均匀薄片x 2+y 2≤R 2, z=0对于轴上一点(0,0,c) (c>0)处的单位质量的引力；(2)均匀柱体x 2+y 2≤a 2, 0≤z ≤h 对于点P(0,0,c) (c>h)处的单位质量的引力；(3)均匀密度的正圆锥体(高h, 底半径R)对于在它的顶点处质量为m 的质点的引力.解：(1)根据对称性知引力方向在z 轴上，∴F z =0, F y =0.F z =k ρ⎰⎰++Ddxdy c y x c 2/3222)(=kc ρ⎰⎰+R dr c r r d 02/32220)(πθ=2k .∴F={0,0,2k }.(2)根据对称性知引力方向在z 轴上，∴F z =0, F y =0. F z =k ρ⎰⎰⎰-++-VdV c z y x c z 2/3222])([=k ρ⎰⎰⎰-+-a h dr c z r rd dz c z 02/322200])([)(πθ=-2k πρdz c z a c z h⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+-+022)(1=2k πρ[]h c h a c a --+-+2222)(. ∴F={0,0,2k πρ[]h c h a c a --+-+2222)(}.(3)以圆锥体的顶点为原点, 对称轴为z 轴建立xyz 三维直角坐标系. 根据对称性知引力方向在z 轴上，∴F z =0, F y =0.F z =k ρm ⎰⎰⎰++V dV z y x z 2/3222)(=k ρm ⎰⎰⎰+R hrR dz z r zrdr d 02/322020)(πθ=2k πR ρm ⎪⎪⎭⎫⎝⎛++-22221R h R h R . ∴F={0,0, 2k πR ρm ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-22221R h R h R }.7、求曲面⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=ψϕψϕψsin sin )cos (cos )cos (a z a b y a b x (0≤φ≤2π, 0≤ψ≤2π) 的面积，其中常数a,b 满足0≤a ≤b.解：∵x φ=-(b+acos ψ)sin φ, y φ=(b+acos ψ)cos φ, z φ=0; x ψ=-asin ψcos φ, y ψ=-asin ψsin φ, z ψ=acos ψ.∴E=222ϕϕϕz y x ++=(b+acos ψ)2, G=222ψψψz y x ++=a 2, F=ψϕψϕψϕz z y y x x ++=0. ∴S=σd F EG D ⎰⎰'-2=σψd a b a D ⎰⎰'+)cos (=⎰⎰+ππψψϕ2020)cos (d a b d a =4ab π2.8、求螺旋面⎪⎩⎪⎨⎧===ϕϕϕb z r y r x sin cos (0≤r ≤a, 0≤φ≤2π) 的面积.解：∵x r =cos φ, y r =sin φ, z r =0; x φ=-rsin φ, y φ=rcos φ, z φ=b.∴E=222r r r z y x ++=1, G=222ϕϕϕz y x ++=r 2+b 2, F=ϕϕϕz z y y x x r r r ++=0.∴S=σd F EG D ⎰⎰'-2=σd b r D ⎰⎰'+22=⎰⎰+πϕ20022d dr b r a=π⎪⎪⎭⎫⎝⎛++++b b a a b b a a 22222ln .9、求边长为a 密度均匀的正方体关于其任一棱边的转动变量. 解：以正方体的一个顶点为原点，顶点上方的棱为z 轴，使 正方体处于第一卦限中，则正方体对z 轴上的棱的转动变量为： J z =ρ⎰⎰⎰+V dV y x )(22=ρ⎰⎰⎰+aaadz y x dy dx 00220)(=a ρ⎰⎰+aady y x dx 0220)(=a ρ⎰+adx a ax 032)31(=32a 5ρ. (ρ为正方体密度)。
ch10-质心运动定理与动量定理
第十章 质心运动定理与动量定理思 考 题10-1 分析下列陈述是否正确：（１） 动量是一个瞬时的量，相应地，冲量也是一个瞬时的量。
（２） 将质量为m 的小球以速度向上抛，小球回落到地面时的速度为。
因与的大小相等，所以动量也相等。
1v 2v 1v 2v （３） 力F 在直角坐标轴上的投影为、、，作用时间从t ＝０到t ＝t x F y F z F １，其冲量的投影应是111,,t F I t F I t F I z z y y x x ===。
（４） 一物体受到大小为10 N 的常力F 作用，在t ＝3 s 的瞬时，该力的冲量的大小I = Ft = 30 N ·s。
10-2 当质点系中每一质点都作高速运动时，该系统的动量是否一定很大？为什么? 10-3 炮弹在空中飞行时，若不计空气阻力，则质心的轨迹为一抛物线。
炮弹在空中爆炸后，其质心轨迹是否改变?又当部分弹片落地后，其质心轨迹是否改变?为什么?10-4 质量为的楔块A 放在光滑水平面上。
质量为的杆BC 可沿铅直槽运动，其一端放在楔块A 上。
在思考题10-４附图所示瞬时，楔块的速度为，加速度为，求此时系统质心的速度及加速度。
1m 2m A v Aa思考题10-4附图 思考题10-5附图 10-5 质点系由三个质量均为m 的质点组成。
在初瞬时，这三个质点位于思考题10-5 附 0t 图所示位置，并分别具有初速度。
已知CO BO AO v v v ,,,235.1,200k j i v k v ++==B A i v 30=C 。
试 求此时质点系质心的位置及速度。
长度单位为m ，时间单位为s 。
6-6 试求思考题10-6附图所示各均质物体的动量，设各物体质量均为m 。
思考题10-6附图10-7 两个半径和质量相同的均质圆盘A,B ，放在光滑的水平面上，分别受到力 的作用，如思考题10-7附图所示，且B A F F ,B A F F =。
设两圆盘受力后自静止开始运动，在某一瞬时两圆盘的动量分别为。
力 的 投 影
（2-4）
力的 投影
2.二次投影法
如图2-3（b）所示，当力F与坐标轴x和y间的
夹角不易确定时，可先将力向坐标平面Oxy上投影，
再将得到的投影Fxy向x与y轴投影，得到投影Fx和Fy。 即
Fx=±Fxycos φ=Fsin γ cos φ Fy=±Fxysin φ=Fsin γ sin φ Fz=±Fcos γ 式中，φ为Fxy与x轴所夹的锐角。
力的投影
1.1 力在坐标轴上的投影 1.2 力在空间直角坐标系中的投影 1.3 由投影确定力 1.4 合力投影定理
如图2-2所示，将力F向x轴投影：分别从力矢的始 末两端向x轴作垂线，得到的垂足a与b间的线段就是力 F在x轴上的投影，常用X或Fx表示。力的投影是代数量， 当ab的指向与x轴的正向一致时，投影为正，反之为负， 如图2-2（a）中的力F向两坐标轴的投影都是正值，而 图2-2（b）中的力F向两坐标轴的投影都是负值。投影 的单位与力的单位一致。
力的 投影
若已知图2-2中力的大小和
其与坐标轴（x轴）的夹角α，
则可算出力在两个轴上的投影
Fx，Fy分别为 Fx=±Fcos α Fy=±Fsin α
（2-3）
力的 投影
1.一次投影法
如图2-3（a）所示，已知力F及力与三个坐标
轴间所夹的锐角α，β，γ，则力在三个坐标轴上
的投影分别是
Fx=±Fcos α Fy=±Fcos β Fz=±Fcos γ
（2-5）
力的 投影
力的 投影
如果已知力F在三个坐标轴上的投影 Fx,Fy,Fz，则可求出力F。其中，
力的大小：
（2-6）
力的方向：
（2-7）
力的 投影
设一力系由F1，F2，…，Fn组成，对应的合力为R。 根据矢量合成法则有
二建：建筑结构与建筑设备讲义.第五章第一节 静力学基本知识和基本方法(二)
（四）力在坐标轴上的投影过力矢F的两端A、B，向坐标轴作垂线，在坐标轴上得到垂足a、b，线段ab，再冠之以正负号，便称为力F在坐标轴上的投影。
如图5-11中所示的X、y即为力F分别在x与y轴上的投影，其值为力F的模乘以力与投影轴正向间夹角的余弦，即：(5-2)图5-11若力与任一坐标轴x平行，即α=0°或α=180°时：或若力与任一坐标轴x垂直，即α=90°时：X=0合力投影定理。
平面汇交力系的合力在某坐标轴上的投影等于其各分力在同一坐标轴上的投影的代数和。
(5-3)例5-5 （2004年）平面力系、汇交在O点，其合力的水平分力和垂直分力分别为、，如图5-12所示。
试判断以下、值哪项正确？A.B.C.D.图5-12提示：【参考答案】C例5-6 （2004年）图5-13所示平面平衡力系中，的正确数值是多少？（与图5-13中方向相同为正值，反之为负值）图5-13A.=-2B.=-4C.=2D.=4提示：因为所以【参考答案】A（五）力矩及其性质1．力对点之矩力使物体绕某支点（或矩心）转动的效果可用力对点之矩度量。
设力F 作用于刚体上的A点，如图5-14所示，用r表示空间任意点0到A点的矢径，于是，力F对O点的力矩定义为矢径r与力矢F的矢量积，记为。
即(5-4)式(5-4)中点O称作力矩中心，简称矩心。
力F使刚体绕O点转动效果的强弱取决于：①力矩的大小；②力矩的转向；③力和矢径所组成平面的方位。
因此，力矩是一个矢量，矢量的模即力矩的大小为(5-5)矢量的方向与OAB平面的法线n一致，按右手螺旋法则来确定。
力矩的单位为N·m或kN·m。
在平面问题中，如图5-15所示，力对点之矩为代数量，表示为：(5-6)式中d为力到矩心0的垂直距离，称为力臂。
习惯上，力使物体绕矩心逆时针转动时，式(5-6)取正号，反之取负号。
图5-14力对点之矩图5-152．力矩的性质(1)力对点之矩，不仅取决于力的大小，同时还取决于矩心的位置，故不明确矩心位置的力矩是无意义的。
静力学30个例题
F F
ix
0 0
FAx FBC cos 45 0
FAy FBC sin 45 F1 0
iy
M F A i 0
FBC sin 45
l F1 l 0 2
FBC 2 2 F1 可得 FAx 2 F1 F F 1 Ay （ 2） 三力矩式： M A Fi 0
y F1
A B
F4
y
D C
2
45
A
Fx MB Fy
1
D B Cx
M
F2
x
F3
F
y
A
MC
B
F
解：1 计算力系的主矢 F ：
D C
x
F
y
A (-3,0) B
D Cx
Fx Fix F4 cos 45 F2 2 KN F y Fiy F1 F3 F4 sin 45 1KN
有
Fx c xdF
0 L
xc
1 F
q0 x 2 2 0 l dx 3
l
例 11 已知：矩形板的四个顶点上分别作用四个力及一个力偶如图 a 所示。其 中 F1 2 KN , F2 3KN , F3 4 KN , F4 2 KN 力偶矩 M 10 KM m ，转向如图 所示，图中长度单位为 m 。试分别求:1)力系向点 B 简化结果 2)力系向点 C 简化 结果 3)力系简化的最后结果
tg 1 2
FA FB F sin( 90 ) sin 45 sin( 45 )
F sin 45 FA cos
工程力学3.1到3.3
2．合力矩定理 设某空间力系由 F1、F 2、…、Fn组成，其 合力为FR，可以证明合力FR对某轴之矩等于各分力对同一轴之 矩的代数和。这就是空间力系的合力矩定理。其数学表达式为
Mz（FR）=∑Mz(Fi)
（3-5）
Fz F cos
（3-3）
其中，cosα、cosβ和cosγ称为力F的方向余弦，并 且满足关系：cos2α+cos2β+cos2γ=1。
3．1 力在空间直角坐标轴上的投影与力对轴之矩
例3-1 在图3-4a中，F1=1000N，F2=2500N，该两力 矢端坐标值分别为F1(-4,2,0)，F2(-4,3,2)。试求两力在三 个坐标轴上的投影。
F1x F1 cos1 1000 (
4 )N 894N 42 22
F1y F1 cos 1 1000
2 N 447N 42 22
F1z F1 cos1 1000 cos 90 N 0N
3．1 力在空间直角坐标轴上的投影与力对轴之矩
2）求F2的投影。设F2与x、y和z轴正向的夹角分别 为α2、β2和γ2，则
2 N 447N 42 22
F1z F1 cos1 1000cos90 N=0N
设F2xy与y轴正向的夹角为φ2(见图3-4b)，将F2xy再投影到x、
y轴上，得
F2 x
F2xy sin 2 2320 F2y F2xy cos2 2320
4 N 1857N 32 342
若已知力F在三个坐标轴上的投影，也能求出力F的大小 和方向，由图3-1的正六面体对角线与棱边的关系，得
第三章 力系的简化
FRx i + FRy j = Fix i + Fiy j
Fix i + Fiy j
（3-9）
FRx i + FRy j = Fix i + Fiy j Fix i + Fiy j
比较（3-9）式等式两端单位矢量i、j前面的系数， 可得
性质二： 力偶中的两力对力偶作用平面内任意点之矩 的和恒等于力偶矩，而与矩心位置无关。
这一性质是力偶与力对点之矩的主要区别。
性质三 ： 力偶矩是力偶对刚体作用效应的唯一度量，因 而在同一平面内的两力偶等效的必要与充分条件是 这两力偶矩相等，称为力偶等效性质。
由力偶的这一性质，可得出如下推论： 1）只要力偶矩不变，力偶可在其作用面内任意 移动和转动，或者从一个平面平移到另一个平行的 平面中去，而不改变它对刚体的效应；
Fn
x
å
Fi
j
（3-6）
o
图3-7
建立直角坐标系并取单位矢量，则（3-6）式右 端分力的解析表达式为：
Fi = Fix i +Fiy j
(i =1,2,L , n)
（3-7）
而（3-6）式左端合力的解析表达式为：
FR = FRx i + FRy j
将（3-7）和（3-8）代入（3-6）中得
（3-8）
4）力偶对物体的转动效应取决于： ① 力偶的大小； ②在力偶作用面内力偶的转向。 因此，平面力系中可用一个代数量表示力偶的 转动效应。
5）力偶矩 在平面力系中，可以用力偶中的一个力的大小与 力偶臂的长度的乘积，并冠以适当的正负号后所得 的代数量，来表示力偶的转动效应，称为力偶矩。 用符号 m(F , F ) 表示。
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思 考 题
2-1 设力F 在坐标轴上的投影为X 和Y ，力的作用线上任意点A 的坐标为（x ，y ）。
证明：yX xY F m -=)(0。
2-2 试计算下列各图中力P 对O 点的矩。
2-3 力偶不能用单独一个力来平衡，为什么图中的轮又能平衡呢？
2-4 四个力作用在同一物体的A 、B 、C 、D 四点（物体未画出），设1P
与3P 、2P
与
4P
大小相等，方向相反，且作用线互相平行，由该四个力所作的力多边形封闭，试问物
体是否平衡？为什么？
2-5 力偶中的两个力，作用与反作用的两个力，二力平衡条件中的两个力，三者间有什么相同点？有什么不同点？
2-6 试用力的平移定理，说明图示力F 和力偶（F '和F ''）对轮的作用是否相同？轮轴支承A 和B 的约束反力有何不同？设轮轴静止，F F F 2
1
=
''='，轮的半径为r 。
2-7 从力偶理论知道，力不能用以平衡力偶，但为什么螺旋压榨机（其主要部分如图示）上，力偶（P P ',）却似乎可以用被压榨物体的反力N 来平衡呢？试说明其实质。
思考题2-1图
4
P P 2
3
思考题 2-4 图
思考题2-2图
( e )
( f )
( g )
习 题
2-1 均质杆AB 重为w
，长为l ，在A 点用铰链支承，A 、C 两点在同一铅垂线上，
且AB=AC ，绳的一端在杆的B 点，另一端经过滑轮C 与重物Q 相连，试求杆的平衡位置θ。
2-2 铰接四连杆机构12ABO O ，在图示位置平衡，已知cm B O cm A O 60,4012==，作
用在O 2A 上的力偶矩)(11m N m ⋅=，试求力偶矩2m 的大小，及AB 杆所受力F
，各杆重量不计。
2-3 锻锤在工作时，如果锤头所受工件的作用力有偏心，就会使锤头发生偏斜，这
样在导轨上将产生很大的压力，会加速导轨的磨损，影响工件的精度，如已知打击力P =1000kN ，偏心矩e =20mm ，锤头高度h =200mm ，试求锤头给两侧导轨的压力。
2-4 卷扬机结构如图示，重物放在小台车C 上，小台车装有A 、B 轮，可沿垂直导轨ED 上下运动，已知重物Q =2000N ，试求导轨加给A 、B 两轮的约束反力。
2-5 剪切钢筋的机构，由杠杆AB 和杠杆DEO 用连杆CD 连接而成，图上长度尺寸单位是毫米，如在A 处作用一水平力)10(kN P P =
，试求E 处的臂力Q 为多大？
2-6 曲柄OA 长R =230mm ，当 20=α， 2.3=β时达到最大冲击压力P =213t 。
因转速较低，故可近似地按静平衡问题计算。
如略去摩擦，求在最大冲击压力P 的作用情况下，导轨给滑块的侧压力和曲柄上所加的转矩m ，并求这时轴承O 的反力。
（ a ）
F΄΄
思考题 2-6 图
思考题 2-7 图
题 2-1 图
题 2-2 图
题 2-3 图
2-7 电动机重P =1500kg ，放在水平梁AC 的中间，梁AC 长为l ,梁的A 端以铰链固定，C 端用杆BC 支持，BC 与梁的交角为 30，如忽略梁和杆的重量，求杆BC 的受力。
2-8 拔桩架如图所示，在D 点用力F 向下拉，即有较F 大若干倍的力将桩拔起。
若AB 及BD 各为铅直及水平方向，BC 及DE 各与铅直及水平方向成角 4=α，F =40kg ，
试求桩上所受的力。
2-9 压榨机由AB 、AC 杆及C 块组成，尺寸如图。
B 点固定，且AB=AC ，由在A 处的水平力P 的作用使C 块压紧物块D ，如不计压榨机本身的重量，各接触面视为光滑，试求物块D 所受的压力S 。
2-10 桁架如图所示，在B 点作用一垂直于地面的力Q =1000kg ，求桁架各杆所受的力。
杆的重量不计，各杆长均为a 。
题 2-4 图 题 2-5 图
题 2-6 图
题 2-8 图 题 2-9 图
题 2-7 图
2-11 如图所示A 、B 、C 、D 均为滑轮，经过B 、D 两滑轮的绳子两端拉力方向相反，大小均为400N ，绕过A ，C 两滑轮的绳子，两端拉力方向相反，大小均为300N ，已知两力偶位于同一平面内，结构尺寸如图，略去滑轮的大小，试求该两力偶的合力矩的大小和转向。
2-12 沿直角三棱柱边作用两个力偶，其作用力大小
60,,14321=∠=====COC a AO F F F F F 。
试求此两力偶的合
力偶矩矢的大小和方向。
2-13 齿轮箱有三根轴，其中A 轴水平，B 和C 位于铅垂面xoz 内，轴上作用力偶如图，求合力偶。
2-14 挂物架如图所示，三杆的重量不计，用铰链连结于O 点，平面BOC 是水平的，且BO =OC ，角度如图示。
若在O 点挂一重物，其重为G =1000N ，求三杆所受之力。
2-15 图示空间构架由三根无重直杆组成，在D 端用球
铰链接，A 、B 和C 端则用球铰链固定在水平地板上，如果在D 端的物重G =10kN ， 45DAB =∠，试求铰链在A 、B 和C 的反力。
2-16 设在图中水平轮上A 点作用一力P ，其作用线与过A 点的切线成 60角，且在过A 点而与轮子相切的平面内，而点A 与圆心O 的连线与通过O 点平行于y 轴的直线成 45角，试求力P 在三个坐标轴上的投影与对三个坐标轴的矩。
设P =1000N ，m r h 1==。
题 2-10图
题 2-11 图
Q
题2-12图
题2-13 图
题2-15 图题2-16 图。