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1 静力学根底;本 章 内 容;1.1 力的概念; 实践证明,力对物体的作用效应决定于三个要素:(1) 力的大小;(2) 力的方向;(3) 力的作用点。这三个要素称为力的三要素。
力的大小是指物体间相互作用的强弱程度。
力的方向包含方位和指向两个含义。
力的作用点是指力对物体作用的位置。
作用于一点的力,称为集中力。
在力的三要素中,当其中任一要素发生改变时,力对物体的作用效应也随之改变。 ; 力是一个具有大小和方向的量,所以力是矢量。图示时,通常用一条带箭头的有向线段来表示。
线段的长度(按选定的比例尺)表示力的大小;线段的方位和箭头的指向表示力的方向;线段的起点或终点表示力的作用点。
通过力的作用点沿力的方向的直线,称为力的作用线。
如下图。
;图1.1 ;1.2 刚体的概念;1.3 静力学公理; 必须注意,对于变形体来说,二力平衡公理是不成立的。两个力等值、反向、共线的条件只能是二力平衡的必要条件而不是充分条件。例如,绳索的两端受到等值、反向、共线的两个拉力作用时处于平衡状态(图1.4(a)),但如受到等值、反向、共线的两个压力作用时,就不能平衡了(图1.4(b))。
在两个力作用下并处于平衡状态的物体称为二力体,如果该物体是个杆件,也可称二力杆。二力体(杆)上的两个力的作用线必为这两个力作用点的连线。例如,图所示的杆件AB。 ;图1.2 ;图1.3 ;图1.4 ;图1.5 ; 在作用于刚体上的任意力系中,加上或去掉任何一个平衡力系,不会改变原力系对刚体的作用效应。
推论 力的可传性原理
作用在刚体上的力可沿其作用线移动到刚体内任一点,而不改变该力对刚体的作用效应。
证明:设力F作用在刚体的A点,如下图。
在实践中,经验也告诉我们,在水平道路上用水平力F推车(图1.7(a))或沿同一直线拉车(图1.7(b)),两者对车(视为刚体)的作用效应相同。 ; 由力的可传性原理可知,对刚体而言,力的作用点已不是决定其效应的要素之一,而是由作用线取代。因此,作用于刚体上的力的三要素是:力的大小、方向和作用线。
例如,直杆AB的两端分别受到两个等值、反向、共线的力F1、F2作用而处于平衡状态(图1.8(a))。如果将这两个力沿其作用线分别移到杆的另一端(图1.8(b)),显然,直杆AB仍处于平衡状态。 ;图1.6 ;图1.7 ;图1.8 ; 作用于物体上同一点的两个力,可以合成为一个合力,合力也作用于该点,合力的大小和方向由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。
如下图,F1、F2为作用于物体上A点的两个力,按比例尺以这两个力为邻边作出平行四边形ABCD,那么从A点作出的对角线表示的矢量AC,就是F1与F2的合力R。
分力F1、F2合成为合力R可用以下矢量等式来表示:
R=F1+F2; 下面考虑几种常见的特殊情况:
(1) α=0°,即力F1与F2方向相同。
(2) α=180°,即力F1与F2方向相反。此时合力R的方向与分力中较大的一个力的方向相同,其大小为R=F1-F2或R=F2-F1。
(3) α=90°,即力F1与F2相互垂直(图)。此时所作的平行四边形成为矩形。合力的大小为
R=√F12+F22 ; 如图1.11(a)所示,力F既可以分解为力F1和F2,也可以分解为F3和F4等等。
推论 三力平衡汇交定理
当刚体受到共面而又互不平行的三个力作用而平衡时,那么此三个力的作用线必汇交于一点。
证明:设有共面而又互不平行的三个力F1、F2、F3分别作用在一刚体上的A1、A2、A3三点而成平衡,如图1.12(a)所示。;图1.9 ;图1.10 ;图1.11 ;图1.12 ; 两个物体间的作用力和反作用力,总是大小相等、方向相反、沿同一直线,并分别作用在这两个物体上。
这个公理概括了两个物体间相互作用力的关系,说明了作用力和反作用力总是成对出现的。例如,图1.13(a)所示。
这里应注意二力平衡公理和作用与反作用公理的区别。前者是表达了作用在同一物体上两个力的平衡条件,后者是描述两物体间的相互作用关系。例如,图1.13(b)中的W与T′、T与′、T1与T2′。; 作用力和反作用力是力学中普遍存在的一对矛盾。它们相互对立,相互依存,同时存在,同时消失。通过作用与反作用,相互关联的物体的受力即可联系起来。 ;图1.13 ;1.4 约束与约束反力; 在物体上,除约束反力以外的力,即能主动引起物体运动或使物体产生运动趋势的力,称为主动力。例如,重力、风力、水压力、土压力等都是主动力。主动力在工程中也称为荷载。 ;〔1〕 柔体约束
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