第二篇 动力学
第五章 刚体动力学的基本概念
一、目的要求
1．深入地理解力、刚体、平衡和约束等重要概念。
2．静力学公理（或力的基本性质）是静力学的理论基础，要求深入理解。 3.能正确地将力沿坐标轴分解和求力在坐标轴上的投影，对合力投影定理有清晰的理解。
4. 理解力对点之矩的概念，并能熟练地计算。
5．深入理解力偶和力偶矩的概念，明确力偶的性质和力偶的等效条件。 6．明确和掌握约束的基本特征及约束反力的画法。
7．熟练而正确地对单个物体与物体系统进行受力分析，画出受力图。 二、基本内容
1．重要概念
1）平衡：物体机械运动的一种特殊状态。在静力学中，若物体相对于地面保持静止或作匀速直线平动，则称物体处于平衡。
2）刚体：在力作用下不变形的物体。刚体是静力学中的理想化力学模型。 3）约束：对非自由体的运动所加的限制条件。在刚体静力学中指限制研究对象运动的物体。约束对非自由体施加的力称为约束反力。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。
4）力：物体之间的相互机械作用。其作用效果可使物体的运动状态发生改变和使物体产生变形。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，理论力学只研究力的外效应。力对物体作用的效应取决于力的大小、方向、作用点这三个要素，且满足平行四边形法则，故力是定位矢量。
5）力的分类：集中力、分布力；主动力、约束反力
6）力系：同时作用于物体上的一群力称为力系。按其作用线所在的位置，力系可以分为平面力系和空间力系，按其作用线的相互关系，力系分为共线力系、平行力系、汇交力系和任意力系等等。
7）等效力系：分别作用于同一刚体上的两组力系，如果它们对该刚体的作用效果完全相同，则此两组力系互为等效力系。
8）平衡力系：若物体在某力系作用下保持平衡，则称此力系为平衡力系。 9）力的合成与分解：若力系与一个力FR等效，则力FR称为力系的合力，而力系中的各力称为合力FR的分力。力系用其合力FR代替，称为力的合成；反之，一个力FR用其分力代替，称为力的分解。
10）力在正交坐标轴系的投影与力的解析表达式
力F在x,y轴上的投影分别为
Fx?Fcos????Fy?Fcos??Fsin???
力的投影是代数量。
2．静力学公理及其推论 公理一 力的平行四边形法则
与一个力系相等效的力称为该力系的合力。作用在刚体上同一点的两个力的合力仍作用在该点，合力的大小与方向由这两个力为邻边构成的平行四边形对角线确定，即合力矢等于这两个力矢的矢量和（图5-5a）。以数学公式表示为
FR?F1?F2
如果取该平行四边形的一半作为二力合成法则，则称为力的三角形法则（图5-5b,c）。
FFFFFFFFF图5-5这一公理提供了一种最简力系合成或分解的方法。指出了作用于刚体上最简单力系的平衡条件。对刚体而言，这个条件既必要又充分，但对非刚体而言，这个条件并不充分。 公理二 二力平衡公理
作用在刚体上的两个力平衡的必要与充分条件是：二力沿着同一作用线、大小相等、方向相反，如图5-6a、b所示。此公理揭示了最简单的力系平衡。 只受二力且平衡的刚体称为二力构件或二力杆。 公理三 加减平衡力系公理 FF在作用于刚体上的已知力系中，加上或减去任意的平衡力系，不改变原力系对刚体的作用效应。
此公理是研究力系等效替换的重要依据和主要手段。
依据上述公理，可以导出下述推理。 推理一 力的可传性原理 作用与刚体上某点的力，可以沿其作用线移动到刚体内任意点，而不改变该力对刚体的作用。
图5-6FF推论表明，对刚体而言，力的作用点已不是决定力的作用效应的一个要素，它应由力的作用线所取代。由此可见，对刚体而言，力的三要素已变为：力的大FFFF图5-7小、方向和作用线。作用于刚体上的力矢可以沿着作用线移动，这种矢量称为滑动矢量。 推理二 三力平衡汇交定理 如果刚体在三个力作用下平衡，其中两个力的作用线汇交于一点，则第三个力的作用线必通过此汇交点，且三个力共面。 给出了三个不平行的共面力构成平衡力系的必要条件。当刚体受不平行的三力作用处于平衡时，常利用这个关系确定未知力的作用线方位 公理四 作用与反作用公理（定律）
作用力与反作用力总是同时出现、同时消失，两力等值、反向、共线，分别作用在两个相互作用的物体上。
此公理概括了任何两个物体间相互作用力之间的关系。 公理五 刚化公理
变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体看作（硬化）为刚体，其平衡状态不变。此公理说明了变形体平衡时，作用于其上的力系必须满足变形体刚化后刚体的平衡条件。从而建立了刚体的平衡条件和变形体平衡条件之间的联系，即刚体的平衡条件是变形体平衡的必要条件。这样，人们就能把刚体的平衡
图5-8FFFFFFF条件应用到变形体的平衡问题，扩大了刚体静力学的应用范围。 3．工程中常见的约束类型及其反力的画法。 1）光滑接触面：其约束反力沿接触点的公法线，指向被约束物体。 FFFF图5-172）光滑圆柱铰链和径向轴承：其约束反力位于垂直于销钉轴线的平面内，经过轴心，通常用过轴心的两个大小未知的正交分力表示。 3）固定铰支座：其约束反力与光滑圆柱铰链相同。 4）活动铰支座：与光滑接触面类似。其约束反力垂直于光滑支承面。 5）光滑球铰链：其约束反力过球心，通常用空间的三个正交分力表示。 6）止推轴承：其约束反力常用空间的三个正交分力表示。
7）二力体：所受两个约束反力必沿两力作用点连线且等值、反向。 8）柔软不可伸长的绳索：其约束反力为沿柔索方向的一个拉力，该力背离被约束物体。 9）固定端约束：其约束反力在平面情况下，通常用两正交分力和一个力偶表示；在空间情况下，通常用空间的三个正交分力和空间的三个正交分力偶表示。 FFFFFF图5-16
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