静力学1、静力学基础
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静力学基础
三、力与力系
力：物体间的相互机械作用，是矢量。
单位：国际：牛顿（N），千牛（kN）；
工程：千克力（kgf）。
注意：凡以人名命名的单位符号的第一个字母
要大写，如瓦特（W）、安培（A）、焦尔（J）
力系：同一个物体上作用着
两个及其以上的力，
则这些力组成力系。
F1 F3
F2
四、力的三要素
大小、方向、作用点。
力的基本性质是公理及其推论，它是静 力的作用面积很小，可以看做作用在一点上，称为集中力。
一般地：本课程研究的均为非自由体 在作用于刚体的任一力系中，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的运动效应。 （1）拉杆BC受力图见图(b)
力学的理论基础，是解题的依据。 §1-4 受力分析和受力图
一般地：本课程研究的均为非自由体 如放在地板上的讲台，地板给讲台一个支持力。 3、光滑圆柱铰链约束（铰链约束） 反力沿接触点的公法线方向，背离光滑面
注意：不是平衡力系！！ 为什么？
由于两个力作用于不同物体上，尽管有
“等值、反向、共线”
§1-3 约束与约束反力
证明：三个不平行的共面力F1、F2、F3分别作用于A1 、 A2 、 A3。
§1-3 约束与约束反力
一、自由体与非自由体 由于两个力作用于不同物体上，尽管有“等值、反向、共线”
B处由作用与反作用公理得R´B，与RB反向、等值。
② 其方向与被约束物体位移方向相反。 其由两带孔的物体用圆柱销钉插入孔中连接而成。 任何物体上都作用着一定的载荷，化工设备、机械是在一定载荷下工作的。
括总结出来，无需证明。 力的多边形法则（封闭边为合力） （多力合成） 。
力的多边形法则（封闭边为合力） （多力合成） 。 若刚体在两个力作用下平衡，充要条件是：两力大小相等，方向相反，并且在同一条直线上，即 （2）先画已知力（主动力）
1.1静力学基础
一点。
F1
证明：1 利用力的可传性原理找到、
F2两个力的交点O；
A
R12
2 利用平行四边形法则在交 点O合成一个合力R12；
CO
B
F2
3 合力R12与第三个力F3满足 二力平衡公理，必定共线，
F3
2020/9/26
各力的汇交点
即三力平衡必汇交与一点O。
4.作用与反作用原理公理（公理四）
两物体间相互作用的力，总是大小相等、方向相反、 沿同一作用线，分别作用在相互作用的两个物体上。
2020/9/26
1.平面力系— 力的作用线在同一平面上的力系为平面力
系。平面力系又可以分为：
平面汇交力系 —所有力的作用线汇交于一点的平面力系
平面平行力系 —所有力的作用线都互相平行的平面力系
平面力偶系—物体受同一平面的一群力偶作用
平面任意力系 —所有力的作用线既不交于同一点，又不
互相平行的平面力系。 如果作用于刚体上的一力系可用另一力系来代替，而不改 变刚体的运动状态，则称两力系互为等效力系。一个力与 一个力系等效，则称这个力为该力系的合力；力系中的各 个力称为合力的分力。将各分力代换成合力的过程，称为 力2系020/的9/26合成；将合力代换成分力的过程，则称为力的分解
R
R
怎 样 求 合 力 2020/9/26 ？
力三角形法则
求合力例题： 已知皮带预紧力s1、s2和包角，求对轴的压力Q
轴上压力Q 包角
怎 样 求 合 力 ？
皮带轮
2020/9/26
皮带预紧力S
推论2：三力平衡汇交定理
若刚体在三个力的作用下处于平衡，且其中二
力相交于一点，则第三个力的作用线必通过同
工程力学(静力学与材料力学)-1-静力学基础
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
工程中的
力偶实例
F1
F2
1. 力偶的定义
两个力大小相等、方向相反、作用线互相平行、
但不在同一直线上，这两个力组成的力系称为力
偶(couple)。
（F,F）
力偶臂
dF F
力偶的作用面
平面力偶及其性质
m
B
F
o
dA
F’
力偶没有合力，不能用一个力来代替，也不能用一个力与之平
力偶及其性质
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系 力偶的性质 力偶系及其合成
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
工程中的力偶实例
钳工用绞杠丝锥攻螺纹时， 两手施于绞杆上的力和，如果 大小相等、方向相反，且作用 线互相平行而不重合时， 便组成一力偶 。
O
d1
d d2
F1
力和力矩
合力之矩定理
FR
n
mOFR＝mOFi
i1
F2
例1 已知：如图 F、R、r, a , 求：MA(F)
解：应用合力矩定理
R Fy
F
r
a
a
Fx
M A ( F ) M A ( F x ) M A ( F y )
A
a a
M A ( F ) F x ( R r c) o F y r s sin
解 : 可以直接应用力矩公式计算力F 对O点之矩。但是，在本例的情形 下，不易计算矩心O到力F作用线的 垂直距离h。
如果将力F分解为互相垂直的
两个分力Fl和F2，二者的数值分别
为
F1＝Fcos45
第1章 静力学基础
第一章静力学基础学习目标：1.理解力、刚体、约束、约束力的概念和静力学公理。
2.掌握物体受力图分析。
静力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学，主要解决两类问题：一是将作用在物体上的力系进行简化，即用一个简单的力系等效地替换一个复杂的力系，这类问题称为“力系的简化（或力系的合成）问题”；二是建立物体在各种力系作用下的平衡条件，这类问题称为“力系的平衡问题”。
静力学是建筑力学的基础，在土木工程实际中有着广泛的应用。
它所研究的两类问题（力系的简化和力系的平衡），对于研究物体的受力和变形都有十分重要的意义。
力在物体平衡时所表现出来的基本性质，也同样表现于物体在一般运动的情形中。
在静力学中关于力的合成、分解与力系简化的研究结果，可以直接应用于动力学。
本章将阐述静力学中的一些基本概念、静力学公理、建筑工程上常见的典型约束力与约束反力，以及物体的受力分析。
第一节基本概念一、力力的概念是人们在生活和生产实践中，通过长期的观察、分析和总结而逐步形成的。
当人们推动小车时，由于手臂肌肉的紧张和收缩而感受到了力的作用。
这种作用不仅存在于人与物体之间，而且广泛地存在于物体与物体之间，例如机车牵引车辆加速前进或者制动时，机车与车辆之间、车辆与车辆之间都有力的作用。
大量事实表明，力是物体（指广义上的物体，其中包括人）之间的相互作用，离开了物体，力就不可能存在。
力虽然看不见摸不着，但它的作用效应完全可以直接观察，或用仪器测量出来。
实际上，人们正是从力的效应来认识力本身的。
1.力的定义力是物体之间相互的机械作用。
由于力的作用，物体的机械运动状态将发生改变，同时还引起物体产生变形。
前者称为力的运动效应（或外效应）；后者称为力的变形效应（或内效应）。
在本课程中，主要讨论力对物体的变形效应。
2.力的三要素实践表明，力对物体作用的效应，决定于力的大小、方向（包括方位和指向）和作用点，这三个因素称为力的三要素。
力的大小表示力对物体作用的强弱。
静力学基础知识
3
二.对受力的合理抽象与简化——集中力与均布力
如果物体之间接触面积很小，可以将其抽象为一个点，则物 体之间的作用力称为“集中力”。 如果接触面积较大而不能忽略，则力分布在整个接触面上， 其物体之间的作用力称为“均布力”。
三.对接触与连接方式的合理抽象与简化——约束
约束是构件之间接触与连接方式的抽象与简化。我们将在后续内 容中介绍。
可以向下
27
活动铰支座（辊轴支座）的几种表示
28
4、 固定端约束 地面对电杆的约束，车床上的刀架对车刀的约束，三爪卡盘 对圆柱工件的约束都是固定端约束的例子。
F
29
课堂思考
1、工程上常见约束中，哪些约束反力方向可以确定，哪 些不能确定？
柔体约束和光滑面约束的约束反力方向是确定的；活 动铰链支座的约束反力方位可以确定，但指向不明；光 滑圆柱铰链约束和固定铰链支座的约束反力方向不可确 定。
30
课堂小结
1、约束反力特点； 2、柔体约束和光滑面约束； 3、铰链约束
作业 1、柔体约束的特点是什么？其约束反力方向 如何确定？ 2、固定铰链支座有何特点？约束反力方向如 何确定？
31
复习提问
说明下列约束类型，它们的约束反力如何表示？
32
§1-5 物体的受力分析和受力图
无论是研究物体的平衡还是研究物体的运动规律，都需要分析物体的 受力情况。
平行四边形公理适用于所有受力物体。 2、物体受到共面、互不平行且汇交于一点的三力作用一定平
衡吗？为什么？ 答：不一定平衡。三力平衡汇交定理只是共面、互不平行且汇 交于一点的三力平衡的必要条件，不是充分条件。
18
§1-4 约束与约束反力
一、基本概念
约束存在的条件：只有在两个物体相互接触或连接 的地方有约束和约束反力。 自由体：位移不受任何限制的物体叫自由体。
静力学分析基础
与静力学有密切联系。
静力学在新技术领域的应用
1 2
静力学在机械设计中的应用
机械设计中的结构分析和优化设计需要应用静力 学理论，以确保机械设备的稳定性和可靠性。
静力学在航空航天领域的应用
航空航天器在静止状态下的受力分析需要应用静 力学理论，以确保其结构的完整性和安全性。
3
静力学在土木工程中的应用
土木工程中的建筑物和桥梁等结构的稳定性分析 和设计需要应用静力学理论。
静力学分析基础
目录
• 静力学基本概念 • 静力学基本原理 • 静力学分析方法 • 静力学在工程中的应用 • 静力学的发展与展望
01
静力学基本概念
力的概念
总结词
力的概念是静力学分析中的基本要素，它描述了物体之间的相互作用。
详细描述
力是一个矢量，具有大小和方向两个基本属性。在物理学中，力是改变物体运 动状态的原因。在静力学中，主要关注处于平衡状态的物体所受的力。
02
静力学基本原理
二力平衡原理
总结词
二力平衡原理是静力学的基本原理之一，它指出一个物体在两个大小相等、方向相反且作用线通过同一点的力作 用下，将处于平衡状态。
详细描述
二力平衡原理是静力学中最基本的原理之一。当一个物体受到两个大小相等、方向相反且作用线通过同一点的力 作用时，物体将处于平衡状态，不会发生运动或转动。这个原理是静力学分析的基础，广泛应用于各种工程领域。
05
静力学的发展与展望
静力学与其他学科的交叉研究
静力学与材料科学
01
静力学在材料科学中广泛应用于研究材料的力学性能，如强度、
刚度和稳定性等。
静力学与流体力学
02
流体力学中的流体静力学是研究流体静止或相对静止状态下的
静力学：第1章：静力学基础
Theoretical Mechanics
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§1–3 静力学公理
推论(三力汇交定理) 当刚体在三个力作用下平衡时， 当刚体在三个力作用下平衡时，设其中两力的作用线 相交于某点，则第三力的作用线必定也通过这个点。 相交于某点，则第三力的作用线必定也通过这个点。 F1 证明： A1 A A3 F3
Theoretical Mechanics
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§1–3 静力学公理
公理三(力平行四边形公理) 作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的 作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的 物体 一个力，即合力。 一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力 平行四边形的对角矢来表示。 平行四边形的对角矢来表示。 力三角形法 F2 FR FR F2 A F1 A F1 A F2 F1 FR
Theoretical Mechanics
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§1–3 静力学公理
推论 (力在刚体上的可传性) 作用于刚体上的力， 作用于刚体上的力，其作用点可以沿作用线在该刚 刚体上的力 体内前后任意移动，而不改变它对该刚体的作用 体内前后任意移动，而不改变它对该刚体的作用。
B F A
B
F1 F2
B
F1
=
F A
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§1–2
1.力的定义
力
力是物体相互间的机械作用， 力是物体相互间的机械作用，其作用结果使 物体的形状和运动状态发生改变。 物体的形状和运动状态发生改变。 外效应—改变物体运动状态的效应。 外效应 改变物体运动状态的效应。 改变物体运动状态的效应
2. 力的效应 内效应—引起物体变形的效应。 内效应 引起物体变形的效应。 引起物体变形的效应 大小 3. 力的三要素 方向 作用点 确定力的必要因素
静力学基础
第三节
物体的受力分析
一、约束的概念
１ 自由体与非自由体 在空间各方向位移均不受限制的物体称为自由体。 ２ 约束与约束反力 对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体或条件 称为约束。 约束对非自由体施加的力称为约束反力。 ３ 约束反力的特点 约束反力的方向总是与约束所能阻碍的物体的运动或 运动趋势的方向相反。
1、物体的受力分析：分析物体（包括物体系）受哪些力， 每个力的作用位置和方向，并画出物体的受力图。 2、力系的等效替换（或简化）：用一个简单力系等效代替 一个复杂力系。 3、建立各种力系的平衡条件：建立各种力系的平衡条件， 并应用这些条件解决静力学实际问题 。 刚体：绝对不变形的物体，或物体内任意两点间的距离 不改变的物体。 平衡：物体相对惯性参考系静止或作匀速直线运动。
例1
圆柱齿轮如图，受到啮合力Fn的作用，设 Fn=1400N， 齿轮的压力角α=200，节圆半径，r=60mm，试计算力 Fn对轴心O的力矩。
解： 1）直接法：由力矩定义求解
M o ( Fn ) Fn h Fn r cos
2）合力矩定理
将力Fn分解为切向力Ft和法(径) 向力Fr，即
约束特点： 由上面构件1或2 之一与地面或机架固定而成。
约束力：与圆柱铰链相同
以上三种约束（经向轴承、光滑圆柱铰链、固定 铰链支座）其约束特性相同，均为轴与孔的配合 问题，都可称作光滑圆柱铰链。
５ 固定端约束
• 通常将固定端约束反力画成两个正交分力和一 个约束反力偶。
三、力学模型的受力分析
在受力图上应画出所有力，主动力和约束力（被动力）
约 束 力
大小——待定 方向——与该约束所能阻碍的位移方向相反 作用点——接触处
二、常见工程约束的力学模型 １ 、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束
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力和力矩
力对点之矩
力和力矩
力对点之矩
作用在扳手上的力F使螺母 绕O点的转动效应不仅与力的大 小成正比，而且与点O到力作用 线的垂直距离h成正成比。点O 到力作用线的垂直距离称为力臂 (arm of force)。
力和力矩
力对点之矩
规定力F与力臂h的乘积作为 力F使螺母绕点O转动效应的度 量，称为力F对O点之矩，简称 力矩(force moment for a given point),用符号mO（F）表示。即
力和力矩
力对点之矩
用小手锤拔起钉子的两种加力方式。两种情形下，加 在手柄上的力F的数值都等于100N，手柄的长度l=100 mm。
试求：两种情况下，力F对点O之矩。
力和力矩
力对点之矩
解：1. 图a中的情形 这种情形下，力臂: O点到力F作用线的 垂直距离h等于手柄长度l，力F使手锤 绕O点逆时针方向转动，所以F对O点之 矩的代数值为
B
mO F F h 2ABO
其中O点称为力矩中心，简称矩 心(center of a force moment);力
矩的国际单位记号是N·m或kN·m。
力对点的矩矢
力 F 对刚体产生绕 O 点转动效应取决于：
➢转动效应的强度
Ar
➢转动轴的方位（力 F 与矩心 O 所在平面法向）
➢使刚体绕转动轴转动的方向
MO
(F)
r
F
r xi yj zk
F Fxi Fy j Fzk
i j k MO(F) r F x y z
z
Fz
F
rA O Fx
z x
Fy y
y
x
Fx Fy Fz
( yFz zFy )i (zFx xFz ) j (xFy yFx )k
MO (F ) x yFz zFy , MO (F ) y zFx xFz , MO (F ) z xFy yFx
力和力矩
合力之矩定理
FR
n
mO FR ＝ mO Fi
i 1
F2
例1 已知：如图 F、R、r, a , 求：M A(F )
解：应用合力矩定理
R Fy
F
r
a
MA(F ) MA(Fx ) MA(Fy )
A
MA(F) Fx (R r cosa) Fy r sina
M A(F ) F cos a(R r cos a ) F sina r sina
力和力矩 力偶及其性质 约束与约束力 平衡的概念 受力分析方法与过程 结论与讨论
第1章 静力学基础
力和力矩
力和力矩
力的概念 作用在刚体上的力的效应
与力的可传性 力对点之矩 力系的概念 合力之矩定理
力和力矩
力的概念
力和力矩
力的概念
力(force)对物体的作用效应取决于力的大小、方 向和作用点。
力使物体改变运动状态，称为力的运动效应；力使物体发 生变形，称为力的变形效应。
静力学研究物体的受力与平衡的一般规律，平衡是运动的 特殊情形，是指物体对惯性参考系保持静止或作匀速直线平 动。
静力学的研究模型是刚体。
工程力学（静力学与材料力学）
第一篇 静力学
第1章 静力学基础
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第1章 静力学基础
M A(F ) FR cos a Fr
1
a
Fx
例题 2
力和力矩
合力之矩定理
已 知 :作用在托架的A点力为
F以及尺寸 l1, l2 , .
求: 力F对O点之矩MO(F)
力和力矩
合力之矩定理
解 : 可以直接应用力矩公式计算力F 对O点之矩。但是，在本例的情形 下，不易计算矩心O到力F作用线的 垂直距离h。
Nanjing University of Technology
工程力学(静力学与材料力学）
课堂教学软件(1)
2020年7月6日
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工程力学(静力学与材料力学）
第一篇 静力学
工程力学（静力学与材料力学）
第一篇 静力学
力是物体间相互的机械作用。力的作用可以使物体的运动 状态发生改变，或者使物体发生变形。
可以得到
mO F F2 l F1 d F lcos45 dsin45
500N 0.2m cos45 0.1m sin45
35.35N m
第1章 静力学基础
力偶及其性质
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系 力偶的性质 力偶系及其合成
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
但不在同一直线上，这两个力组成的力系称为力
偶(couple)。
（F,F）
力偶臂
dF F
力偶的作用面
平面力偶及其性质
m
B
F
o
dA
F’
力偶没有合力，不能用一个力来代替，也不能用一个力与之平
衡，它是力学中的又一基本要素，其作用使物体发生转动，以力
偶矩表示。
大小：
m(F, F) mo (F) mo (F) FOA FOB Fd
mO F Fh＝Frsin
为矢径r与力F之间的夹角。
力矩矢量的作用线与力和矩心所组成的平面之法线一 致，它表示物体将绕着这一平面的法线转动。
力和力矩
力对点之矩
mO F r F
mO
力矩矢量的方向由右手定则确
定：右手握拳，手指指向表示力 矩转动方向，拇指指向为力矩矢 量的方向。
F r
例题 1
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
工程中的力偶实例
钳工用绞杠丝锥攻螺纹时， 两手施于绞杆上的力和，如果 大小相等、方向相反，且作用 线互相平行而不重合时， 便组成一力偶 。
力偶及其性质
力偶－最简单、最基本的力系
工程中的
力偶实例
F1
F2
1. 力偶的定义
两个力大小相等、方向相反、作用线互相平行、
Mx (F )i M y (F ) j Mz (F )k
所以力对点O的矩为：
2
2
2
MO(F) Mx(F) My(F) Mz(F)
cosa
M x (F) , cos b
M
y
(
F
)
,
cos g
Mz (F)
M O (F )
M O (F )
M O (F )
1
30
二、力对点的矩矢
FA
rA
rBA
rB F
O
B
y
x
③ 力偶对任意点的主矩 = r × F
q
胎作用在桥面上的力，当轮胎
与桥面接触面积较小时，即可
视为集中力；而桥面施加在桥
梁上的力则为分布力。
力和力矩
作用在刚体上的力的效应
力和力矩
作用在刚体上的力的效应与力的可传性
力使物体产生两种运动效应：
若力的作用线通过 物体的质心，则力将使物 体在力的方向平移。
若力的作用线不 通过物体质心，则力将 使物体既发生平移又发 生转动。
如果将力F分解为互相垂直的
两个分力Fl和F2，二者的数值分别
为
F1＝Fcos45
F2＝Fsin45
这时，矩心O至Fl和F2作用线的垂直 距离都容易确定。
力和力矩
合力之矩定理
F1＝Fcos45 F2＝Fsin45
于是，应用合力之矩定理，
mO (F) = mO (F cos)+mO(F sin )
已知投影求力
F Fxi Fy j Fzk
F Fx2 Fy2 Fz2
cosa Fx1 cos b Fy
F
F
cosg Fz
F
力和力矩
力的概念
实际上两物体接触处总会占有一定面积，力总是 分布地作用于物体的一定面积上的。
如果这个面积很小，则可将其抽象为一个点，这 时作用力称为集中力。
Fh
B
MO(F) r F
MO (F ) Fh 2SABO
MO(F)
O
❖ 力对点之矩矢等于矩心到该力作用点的矢径与该力的矢 量积。
❖ 力对点之矩矢是过矩心O的定位矢量。
❖ 力对点之矩矢服从矢量的合1成法则。
20
力和力矩
力对点之矩
mO F r F
力矩矢量的模描述转动效应的大小， 它等于力的大小与矩心到力作用线的垂 直距离（力臂）的乘积，即
力的大小反映了物体间相互作用的强弱程度。 国际通用的力的计量单位是“牛顿”简称“牛”，英 文字母N和kN分别表示牛和千牛。
力的方向指的是静止质点在该力作用下开始 运动的方向。沿该方向画出的直线称为力的作用线， 力的方向包含力的作用线在空间的方位和指向。
力的作用点是物体相互作用位置的抽象化。
力和力矩
SOAB cosg SOA'B'
故： MO (F ) cos g M z (F )
[MO (F )]z Mz (F )
1
29
定理：力对点的矩矢在通过该点的任意轴上的投影等于这力对于该
轴的矩。这就是力对点之矩与对通过该点轴之矩的关系，称
为力矩关系定理。
又由于 M O (F ) [M O (F )]x i [M O (F )]y j [M O (F )]z k
2. 力偶的基本性质
① 力偶不能与一个力等效
F
（即力偶没有合力），因此 也不能与一个力平衡。力偶
FR ≠ 0
是最基本、最简单的力系。
F
② 力偶的主矢 ≡ 0
F
FR ≡ 0
2
Mo =
∑
i=1
Mo( Fi)
= rA × F + rB × F
= ( rA － rB ) ×F = rBA × F