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工程力学(理论力学)· 静力学
第 1–2 章 知识体系
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1第 1 章 · 静力学基本概念
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力物体间的相互机械作用
- 两种效应:运动效应(外效应)、变形效应(内效应)
- 三要素:大小、方向、作用点
- 单位:N、kN;1 kg 物体受 9.8 N 重力
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刚体在力的作用下大小和形状都不变的物体
- 静力学最基本的理想化模型
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平衡相对惯性参考系静止或作匀速直线运动
- 平衡 ≠ 不动,而是加速度为零
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力系 / 平衡力系
- 力系 = 作用在物体上的一群力
- 平衡力系 = 使物体处于平衡的力系
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力物体间的相互机械作用
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2第 1 章 · 五条公理与两条推论
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公理 1二力平衡公理
- 等值、反向、共线、作用于同一个刚体
- 对刚体是充要条件;对变形体只是必要条件
- 二力体(二力杆):只在两个力作用下平衡的刚体
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公理 2加减平衡力系原理
- 加上或减去平衡力系,不改变原力系对刚体的作用
- 推论 1 力的可传性:力可沿作用线移到刚体内任一点
- 对刚体,力作用三要素 = 大小、方向、作用线(滑动矢量)
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公理 3力的平行四边形法则
- 同一点的两个力可合成一个合力:R = F₁ + F₂
- 推论 2 三力平衡汇交定理:三力必汇交于一点且共面
- 特殊情况:三力平行时在无穷远处汇交
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公理 4作用力和反作用力定律
- 等值、反向、共线、异体、同时存在
- 与公理 1 的根本区别:同体 vs 异体;作用反作用力不能求合力
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公理 5刚化原理
- 平衡的变形体刚化后,平衡状态保持不变
- ⟹ 处于平衡状态的变形体可用刚体静力学理论求解
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公理 1二力平衡公理
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3第 1 章 · 约束与约束反力
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基本定义
- 自由体位移不受限制 / 非自由体位移受限制
- 约束 = 对非自由体某些位移预先施加的限制条件(名词)
- 约束反力 = 约束给被约束物体的力
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方向原则约束力方向必与所能阻碍的位移方向相反
- 大小未知 → 与主动力组成平衡力系,用平衡条件求
- 作用点 → 物体与约束相接触的那一点
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七类约束看约束 → 报出约束力
- ① 光滑接触面:1 个力,沿公法线指向受力物体(法向约束力)
- ② 柔索(绳、链、带):1 个力,沿绳索背离物体,只能受拉;绕轮时沿轮缘切线
- ③ 向心轴承:作用线过轴心且垂直轴线 → 用 FAx, FAy 表示
- ④ 圆柱铰链:2 个正交分力 X, Y
- ⑤ 固定铰链支座:2 个正交分力 XA, YA
- ⑥ 活动铰支座(辊轴):1 个法向力,方向可能向下
- ⑦ 固定端(插入端):Fx, Fy, MA —— 2 力 + 1 力偶矩
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基本定义
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4第 1 章 · 受力分析与受力图
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受力分析选研究对象 → 结合约束类型与公理分析受力
- 主动力:重力、风力、气体压力等
- 被动力:约束反力
- 四步法① 选研究对象 ② 取分离体 ③ 画主动力 ④ 画约束反力
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八条注意
- 明确研究对象(不同对象受力图不同)
- 正确确定受力数目:先主动力后约束力;接触处必有力
- 按约束特性画约束力,不能主观臆测
- 遵循作用反作用关系;内力成对出现,不必画出
- 不要多画力(每个力都要说得出施力体)
- 不要漏画力(接触处必有力)
- 不要画错力的方向(严格按约束类型)
- 受力图上不能再带约束(必须画在分离体上)
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两个整体性要求
- 只画外力,不画内力;拆开后原内力变成新研究对象的外力
- 整体与局部必须一致、协调,不矛盾
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三个关键技巧
- 二力杆:两端铰接、中间不受力、自重不计 → 力沿两铰连线
- 三力平衡汇交:定出第三个力的作用线
- 尖点问题:尖点处应去掉约束
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受力分析选研究对象 → 结合约束类型与公理分析受力
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5第 2 章 · 平面汇交力系
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力系分类平面力系 / 空间力系
- ① 平面汇交力系:作用线共面且汇交于一点
- ② 平面平行力系(平面力偶系是特殊情况)
- ③ 平面一般力系(任意力系):既不汇交又不平行
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几何法合成与平衡
- 两共点力:平行四边形法则 / 三角形法则
- 余弦定理:R² = F₁² + F₂² + 2F₁F₂cosα
- 正弦定理:F₁/sinφ = R/sin(180° − α)
- 任意个力:力多边形规则,FR = ΣFi,作用线过汇交点
- 平衡:ΣFi = 0 ⟺ 力多边形自行封闭
- 四步:选对象 → 画受力图 → 作力多边形(从已知力开始)→ 求未知量
- 不足:精度差、作图要求高、不能表达函数关系
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解析法坐标法
- 投影:X = Fcosα,Y = Fsinα;F = √(Fx² + Fy²)
- 合力投影定理:FRx = ΣFix,FRy = ΣFiy
- FR = √(FRx² + FRy²);方向余弦定方向;作用点为汇交点
- 平衡:ΣFix = 0,ΣFiy = 0 → 2 个独立方程
- 技巧:三力且角度特殊 → 几何法;力多/方向不定 → 解析法;投影轴垂直于未知力;负值 = 方向设反
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力系分类平面力系 / 空间力系
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6第 2 章 · 平面力偶与力对点之矩
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力偶等值、反向、不共线的两个平行力
- 既没有合力(作用点在无穷远处)、本身又不平衡
- 力和力偶是静力学的两个基本力学量
- 力偶臂 d = 两力间的垂直距离;力偶作用面 = 力偶所在平面
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力偶矩M = ±F·d = ±2⊿ABC,单位 N·m
- 两要素:大小(力 × 力偶臂)、方向(转动方向)
- 符号:逆时针为正,顺时针为负
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三条性质
- 力偶在任意坐标轴上的投影等于零
- 保持力偶矩不变,可在作用面内任意转移;也可同时改变力与力臂
- 力偶没有合力,只能由力偶来平衡
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平面力偶系合成与平衡
- 合成结果仍是力偶:MR = ΣMi(代数和)
- 平衡充要条件:ΣM = 0 → 1 个独立方程
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力对点之矩MO(F) = ±F·h = r × F
- 两要素:大小(F·h)、方向(转向);O 为矩心,h 为力臂
- 是代数量;F = 0 或 h = 0 时为零;单位 N·m / kN·m
- MO(F) = 2⊿AOB;逆时针为正,顺时针为负
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合力矩定理MO(F) = ΣMO(Fi)
- 用途:把斜力分解为分量求矩(径向力过矩心 → 力矩为零)
- 分布力:合力 = 荷载图面积,作用线过形心
均布 ql 在中点;三角 ql/2 在距零端 2l/3
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力偶等值、反向、不共线的两个平行力
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7第 2 章 · 平面任意力系的简化
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力的平移定理力 ⇌ 力 + 力偶
- 把 A 点的力平行移到 B 点,必须附加力偶 M = MB(F) = F·d
- 揭示力与力偶的关系;是力系简化的理论基础
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向一点简化主矢与主矩
- 主矢 FR′ = ΣFi:与简化中心无关
- 主矩 MO = ΣMO(Fi) = Σ(xiFiy − yiFix):与简化中心有关
- FR′ = √(ΣFix)² + (ΣFiy)²;方向余弦定方向;作用于简化中心
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简化结果四种情形
- FR′≠0, MO=0 → 合力,作用线过简化中心
- FR′≠0, MO≠0 → 合力,作用线距简化中心 d = |MO|/FR′
- FR′=0, MO≠0 → 合力偶,与简化中心位置无关
- FR′=0, MO=0 → 平衡,与简化中心位置无关
- 合力矩定理(任意力系)MO(FR) = ΣMO(Fi)
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固定端约束Fx, Fy, MA
- 限制平动(2 个力)+ 限制转动(1 个力偶矩)
- 工程实例:悬臂梁、雨搭
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力的平移定理力 ⇌ 力 + 力偶
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8第 2 章 · 平面任意力系的平衡
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充要条件主矢和对任意点的主矩都等于零
- FR′ = 0 且 MO = 0
- 有一个不为零 → 简化为合力或合力偶 → 不能平衡
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平衡方程三形式均为 3 个独立方程
- 一般式:ΣFx=0, ΣFy=0, ΣMO=0
- 二矩式:ΣFx=0, ΣMA=0, ΣMB=0(A、B 连线不得垂直于投影轴)
- 三矩式:ΣMA=0, ΣMB=0, ΣMC=0(A、B、C 不得共线)
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典型题型
- 支架 / 起重机:一个方程解一个未知量
- 简支梁:分布力先合成,再用总量关系校核
- T 型刚架:固定端 3 个未知量对 3 个方程
- 临界/翻倒题:一侧支座力 = 0,并对该支座取矩
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充要条件主矢和对任意点的主矩都等于零
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9第 2 章 · 物体系平衡 · 静定与超静定
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独立方程数汇交 2 / 力偶 1 / 任意 3
- 汇交力系:有 1 个方程自然满足
- 力偶系:有 2 个方程自然满足
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物系概念外力与内力
- 物系 = 若干物体通过约束组成的系统
- 外力 = 外界作用于系统;内力 = 系统内部各物体间的力
- 内力成对、组成平衡力系 → 画整体受力图时不画
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物系特点与解法
- 物系静止;每个单体也平衡;n 个物体共有 3n 个方程
- 由整体 → 局部,由局部 → 整体
- 组合梁:先算附加部分,后算基础部分,否则要解联立方程
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静定判别未知量数 vs 独立方程数
- 相等 → 静定问题(可求解)
- 未知量多 → 超静定问题;需加变形协调条件,属材力/结力范畴
- 增加多余约束可提高刚度与坚固性
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独立方程数汇交 2 / 力偶 1 / 任意 3
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10第 2 章 · 平面简单桁架内力计算
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构成与判定从三角形开始,逐次加一个节点 + 两根不共线杆
- m = 2n − 3 → 平面简单(静定)桁架
- m > 2n − 3 → 平面复杂(超静定)桁架
- m < 2n − 3 → 非桁架(机构)
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四点假设
- ① 各杆为直杆,轴线共面
- ② 杆件间均用光滑铰链连接
- ③ 载荷作用在节点上,且在桁架平面内
- ④ 各杆自重不计或均分布在节点上
- ⟹ 每根杆件均为二力杆
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节点法逐个取节点(每个节点是平面汇交力系)
- 先求支座反力;从只有两个未知杆力的节点开始
- 最后取一个节点校核
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截面法假想截开,取任一部分平衡
- 只求某几根杆内力时用;一次最多截 3 根
- 取矩点选在两被截杆的交点,让未知量只剩一个
- 内力负值代表受压(先按拉力假设)
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构成与判定从三角形开始,逐次加一个节点 + 两根不共线杆
基本概念
公理 / 平衡
约束 / 物体系
受力图 / 桁架
汇交力系
力偶与力矩
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流程解题流程决策图
从拿到题目到交出答案的六个决策点这张图不是知识,而是动作顺序。做题卡住时,沿着这六个决策点回查,通常能立刻定位问题出在哪一步。
解题流程
从题目到答案的决策路径
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①选定研究对象
- 单个物体?还是物体系统?
- 目标是让下一个方程里未知量最少
- 物体系:先整体看全局,再拆局部;组合梁先附属后基础
- 不同研究对象的受力图不同
- 内力 vs 外力随研究对象改变
- 单个物体?还是物体系统?
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②取分离体、画受力图
- 四步:选对象 → 取分离体 → 画主动力 → 画约束反力
- 查约束表确定约束力方向与个数
- 光滑面 1 个法向力 / 柔索 1 个拉力 / 铰链 2 个分力
- 活动铰支座 1 个法向力 / 固定端 2 力 + 1 力偶矩
- 先找二力杆与三力汇交
- 认出二力杆 → 方向确定、只剩一个未知量
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③判断力系类型
- 作用线共面且汇交于一点 → 平面汇交力系(2 个方程)
- 只有力偶 → 平面力偶系(1 个方程)
- 既不汇交又不平行 → 平面任意力系(3 个方程)
- 数未知量,与方程数比较 → 判断静定 / 超静定
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④选择解法与方程形式
- 三个力且角度特殊 → 几何法(力三角形)
- 力多、角度不特殊、方向不定 → 解析法
- 方程形式:一般式 / 二矩式 / 三矩式
- 二矩式:A、B 连线不得垂直于投影轴
- 三矩式:A、B、C 不得共线
- 让方程解耦的两个技巧
- 投影轴垂直于某个未知力 → 该力不出现
- 取矩点选在两个未知力的交点 → 这两个力不出现
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⑤列方程求解
- 先统一符号约定(逆时针为正)
- 分布力先合成为集中力(合力 = 面积,作用线过形心)
- 力偶只进取矩方程,不进投影方程
- 解出负值 → 说明实际方向与假定相反,不要改假定重算
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⑥校核
- 用未用过的方程代回检查
- 总量校核:竖直方向各力之和 = 总载荷
- 桁架:最后取一个节点校核(水平、竖直合力均为零)
- 整体与局部的受力必须一致、不矛盾
公式公式地图
按"用在哪一步"归类,而不是按章节A
把力变成数(投影与合成)
力在轴上的投影X = Fcosα , Y = Fsinα
由分量求力F = √(Fx² + Fy²)
合力投影定理FRx = ΣFix , FRy = ΣFiy
合力大小FR = √(FRx² + FRy²)
两力合成(几何法)R² = F₁² + F₂² + 2F₁F₂cosα
矢量求和FR = ΣFi(力多边形封闭 ⟺ 平衡)
B
转动效应(力矩与力偶)
力对点之矩MO(F) = ±F·h = ±2⊿AOB
矢量式MO(F) = r × F
力偶矩M = ±F·d
合力矩定理MO(F) = ΣMO(Fi)
力偶系合成MR = ΣMi
分布力合力 = 面积;作用线过形心
C
整体简化(主矢与主矩)
力的平移F → F′ + M,M = F·d
主矢(与中心无关)FR′ = ΣFi
主矩(与中心有关)MO = Σ(xiFiy − yiFix)
合力到中心的距离d = |MO| / FR′
平衡的充要条件FR′ = 0 且 MO = 0
D
求解未知力(平衡方程)
汇交力系ΣFx = 0 , ΣFy = 0
力偶系ΣM = 0
任意力系·一般式ΣFx = 0 , ΣFy = 0 , ΣMO = 0
任意力系·二矩式ΣFx = 0 , ΣMA = 0 , ΣMB = 0
任意力系·三矩式ΣMA = 0 , ΣMB = 0 , ΣMC = 0
桁架静定判定m = 2n − 3
符号约定(全篇统一,不要中途改)
力矩与力偶矩:逆时针为正,顺时针为负。
投影:与坐标轴正向夹角为锐角时为正,钝角时为负。
桁架杆件内力:先假设为拉力(背离节点),解出负值代表受压。
约束力:方向可任意假定,解出负值表示实际方向与假定相反。
投影:与坐标轴正向夹角为锐角时为正,钝角时为负。
桁架杆件内力:先假设为拉力(背离节点),解出负值代表受压。
约束力:方向可任意假定,解出负值表示实际方向与假定相反。