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1、第四章平面一般力系第一节力的平移定理上面两章已经研究了平面汇交力系与平面力偶系的合成与平衡。为了将平面一般力系简化为这两种力系，首先必须解决力的作用线如何平行移动的问题。设刚体的A点作用着一个力 F (图4 3 (a),在此刚体上任取一点 0。现在来讨论怎 样才能把力F平移到0点，而不改变其原来的作用效应？为此，可在0点加上两个大小相等、方向相反，与 F平行的力F和F ,且F =F =F (图4 3 (b)根据加减平衡 力系公理，F、F 和F 与图4 3 (a)的F对刚体的作用效应相同。显然F和F组成一个力偶，其力偶矩为m Fd Mo(F)这三个力可转换为作用在 0点的一个力和一个力偶 (图4
2、 3 (c)。由此可得力的平移 定理：作用在刚体上的力 F，可以平移到同一刚体上的任一点0,但必须附加一个力偶，其力顺便指出，根据上述力的平移的逆过程， 共面的一个力和一个力偶总可以合成为一个力, 该力的大小和方向与原力相同，作用线间的垂直距离为：偶矩等于力d回F力的平移定理是一般力系向一点简化的理论依据，也 是分析力对物体作用效应的一个重要方法。例如，图4a所示的厂房柱子受到吊车梁传来的荷载F的作用，为分析F的作用效应，可将力 F平移到柱的轴线上的 0点上， 根据力的平移定理得一个力F ，同时还必须附加一个力偶(图4 4( b)。力F经平移后，它对柱子的变形效果 就可以很明显的看出，力F 使
3、柱子轴向受压，力偶使柱弯曲。图4-4第二节平面一般力系向作用面内任一点简化一、简化方法和结果设在物体上作用有平面一般力系Fi, F2,，Fn,如图4 5 (a)所示。为将这力系简化，首先在该力系的作用面内任选一点0作为简化中心，根据力的平移定理，将各力全部平移到0点(图4 5 ( b),得到一个平面汇交力系 Fi, F2，Fn和一个附加的平面力偶系mi,m2, ,mn。其中平面汇交力系中各力的大小和方向分别与原力系中对应的各力相同，即 Fl =F1, F2 =F2,，Fn =Fn各附加的力偶矩分别等于原力系中各力对简化中心0点之矩，即mi M o(Fi), m2 M o(F 2), mn Mo
4、(Fn),由平面汇交力系合成的理论可知，Fi, F2,，Fn可合成为一个作用于O点的力R/,并称为原力系的主矢(图 4 5 ( c), 即卩R = F 1 +F 2 + +F n = Fi+F 2+ +Fn = F i(41)求主矢R 的大小和方向，可应用解析法。过O点取直角坐标系oxy，如图4 5所示。主矢R 在x轴和y轴上的投影为Rx = xi +X2 + +xn =xi+x2+ +Xn = E XRy = yi +y2 + +yn =yi+y2+ +yn=E Y式中：Xi、yi和Xi、yi分别是力Fi和Fi在坐标轴x和y轴上的投影。由于 Fi和 Fi大小相等、方向相同，所以它们在同一轴上
5、的投影相等。主矢R的大小和方向为Ry2( X)2 ( Y)2(4 2)(4 3)tanRx(c),并称为为R 与x轴所夹的锐角，R 由力偶系合成的理论知， mi, m2, 原力系对简化中心 0的主矩，即的指向由刀X和刀Y的正负号确定。，mn可合成为一个力偶(如图 4 5M O mimnMo(F 1)MO(Fn)Mo(Fi)(4 4)是一个力和一综上所述，得到如下结论：平面一般力系向作用面内任一点简化的结果，个力偶。这个力作用在简化中心， 它的矢量称为原力系的主矢， 并等于原力系中各力的矢量 和；这个力偶的力偶矩称为原力系对简化中心的主矩， 并等于原力系各力对简化中心的力矩 的代数和。应当注意，
6、作用于简化中心的力R 般并不是原力系的合力，力偶矩为R的大小和方向与简化中心的位置无关。 取不同的点作为简化中心， 各力的力臂 因而，主矩一般随着简化中心的位置不Mo也不是原力系的合力偶，只有R与Mo 两者相结合才与原力系等效。由于主矢等于原力系各力的矢量和，因此主矢 而主矩等于原力系各力对简化中心的力矩的代数和， 都要发生变化，则各力对简化中心的力矩也会改变， 同而改变。、平面一般力系简化结果的讨论平面力系向一点简化， 一般可得到一力和一个力偶，但这并不是最后简化结果。根据主矢与主矩是否存在，可能出现下列几种情况：(1) 若R =0, Mo 丰0，说明原力系与一个力偶等效，而这个力偶的力偶矩
7、就是主 矩。由于力偶对平面内任意一点之矩都相同，因此当力系简化为一力偶时，主矩和简化中心的位置无关，无论向哪一点简化，所得的主矩相同。(2) 若Rm 0, Mo，=0,则作用于简化中心的力 R 就是原力系的合力，作用线通 过简化中心。(3) 若Rm 0, Mo，工0,这时根据力的平移定理的逆过程，可以进一步合成为合力 R,如图4 6所示。将力偶矩为Mo，的力偶用两个反向平行力 R、R表示，并使 R，和R等值、共线， 使它们构成一平衡力图 4 6 ( b),为保持Mo,不变，只要取力臂 d为dR R2(ft)(c)图4-6将R和R，这一平衡力系去掉，这样就只剩下R力与原力系等效(图 4 6 (c
8、)。合力R在0点的哪一侧，由 R对0点的矩的转向应与主矩 Mo 的转向相一致来确定。(4) R，=0，Mo, =0，此时力系处于平衡状态。三、平面一般力系的合力矩定理由上面分析可知，当 Rm 0，Mom 0时，还可进一步简化为一合力R，见图4 6，合力对0点的矩是MO(R) R d而Rd MO MOMo(F)所以Mo(R)Mo(F)由于简化中心 0是任意选取的，故上式有普遍的意义。于是可得到平面力系的合力矩 定理。平面一般力系的合力对作用面内任一点之矩等于力系中各力对同一点之矩的代数和。例4 1如图4 7 (a)所示，梁AB的A端是固定端支座，试用力系向某点简化的方 法说明固定端支座的反力情况
9、。解：梁的A端嵌入墙内成为固定端，固定端约束的特点是使梁的端部既不能移动也不 能转动。在主动力作用下，梁插入部分与墙接触的各点都受到大小和方向都不同的约束反力作用（图4 7 （b）,这些约束反力就构成一个平面一般力系，将该力系向梁上A点简化就得到一个力Ra和一个力偶矩为 Ma的力偶（图4 7（ c），为了便于计算，一般可将约束反 力Ra，用它的水平分力 Xa和垂直分力 Y来代替。因此，在平面力系情况下，固定端支座 的约束反力包括三个； 即阻止梁端向任何方向移动的水平反力Xa和竖向反力Ya，以及阻止物体转动的反力偶 Ma。它们的指向都是假定的（图 4 7 （d）。ffi 4 7例4 2已知素混凝
10、土水坝自重 G1度q 80kN/m，各力的方向及作用线位置如图 化，并求简化的最后结果。解：以底面A为简化中心，取坐标系如图可求得主矢R的大小和方向。由于1X q 82Y G-i G2tan.(X)2Y)2900320.(320)2(900)2955.2kN2.813600kN，G2300kN，水压力在最低点的荷载集4 8 （a）所示。试将这三个力向底面A点简4 8 （a）所示，由式（4 2）和式（4 3）1-80 8320kN2600 300900kN所以70.43因为刀X为正值，刀可求得主矩为Y为正值，故R指向第一象限与 x轴夹角为，再由式（4 4）Ma Ma(F)11_ _q 88 G1
11、 1.5 G2 4231180 88 600 1.5 300 4232953.3kN m计算结果为负值表示 Ma 是顺时针转向。（b）所示，所以还可进一步合成为一个 A点的距离为因为主矢Rm 0,主矩Ma 丰0,如图4 8 合力R。R的大小、方向与 R相同，它的作用线与MoR2953.33.10m955.2因ma为负，故Ma （R ）也应为负，即合力 R应在A点右侧，如图4 8 （ C）所示。第三节平面一般力系平衡条件及其应用一、平面一般力系的平衡条件平面一般力系向任一点简化时，当主矢、主矩同时等于零，则该力系为平衡力系。 因此,平面一般力系处在平衡状态的必要与充分条件是力系的主矢与力系对于任
12、一点的主矩都等 于零，即：R =0Mo =0根据式（4 2）及式（4 4）,可得到平面一般力系的平衡条件为X 0Y 0（4 5）Mo 0式（4-5）说明，力系中所有各力在两个坐标轴上的投影的代数和均等于零，所有各力对任一点之矩的代数和等于零。式（4- 5）中包含两个投影方程和一个力矩方程，是平面一般力系平衡方程的基本形 式。这三个方程是彼此独立的（即其中的一个不能由另外两个得出），因此可求解三个未知量。例4 3梁AB 一端为固定端支座，另一端无约束，这样的梁称为悬臂梁。它承受均布 荷载q和一集中力 P的作用，如图4 9( a)所示。已知P=10kN， q=2kN/m , l=4m，45 ，梁的
13、自重不计，求支座 A的反力。解：取梁AB为研究对象，其受力图如图 4 9 (b)所示。支座反力的指向是假定的， 梁上所受的荷载和支座反力组成平面一般力系。在计算中可将线荷载 q用作用其中心的集中力Q 来代替。选取坐标系，列平衡方程。2X0Xa - Pcos010 0.7077.07kN()XaPcosY0Ya虫Psi n02ql2Psi n2 42100.70711.07kN()Ma0mA Ql-Psinl02243ql2,32 42mAPsi nl100.7074 40.28kNm ()88力系既然平衡，则力系中各力在任一轴上的投影代数和必然等于零，力系中各力对任点之矩的代数和也必然为零。因此，我们可以列出其它的平衡方程，用来校核计算有无错误。4 40.28 0校核Mb 1 Wl mA 2 4 4 11.072 424可见，Ya和mA计算无误。例4 4图4 10 (a)所示一伸臂梁。受到荷载 P 2kN，三角形分布荷载 q 1kN/m 作用。如果不计梁重，求支座 A和B的反力。(a)(b)S 4-10解：取CD梁为研究对象，受力图如图 4 10 (b)所示，列平衡方程。X 0Xa01Ma 0P 1q 3 12Yb0213Yb22 q 210.25
