3-1平面任意力系向作用面内一点简化教案

河南省中等职业学校省级优质课参赛教案学校名称：南阳建筑工程学校课程名称：建筑力学（少学时）授课题目：平面任意力系的简化授课班级：11级4班授课时间：2012年3月授课教师：徐宠尧2012年5月2南阳建筑工程学校《建筑力学（少学时）》课程授课教案任课教师：徐宠尧授课班级：11级4班授课时数：1学时教学课题：第三章平面力系第一节平面任意力系的简化教学目的、要求：掌握平面任意力系向一点简化的方法会应用解析法求主矢和主矩熟知平面任意力系简化的结果教学重、难点：重点：1、平面任意力系向作用面内任一点的简化2、力系的简化结果难点：主矢和主矩的概念授课类型理论课√讨论课□实验课□练习课□其他□教学过程设计复习□授新课√安排讨论□布置作业√教学方式讲授√讨论□示教□指导□其他□教学过程及内容：复旧导新：通过课堂提问及举例,对力的平移定理,加减力系平衡原理等静力学公理加以回顾,从而引入本节讲授内容的理论基础。讲授新课：§3-1平面任意力系向作用面内一点简化及其结果分析一、概述：各力的作用线分布在同一平面内的任意力系称为平面任意力系，简称平面力系。平面力系的研究不仅在理论上而且在工程实际应用上都具有重要意义。首先，平面力系是工程中常见的一种力系。另外许多工程结构和构件受力作用时，虽然力的作用线不都在同一平面内，但其作用力系往往具有一对称平面，可将其简化为作用在对称平面内的力系。下面介绍的方法是力系向一点简化的方法。这种方法不但简便，易于分析简化结果，而且可以扩展到空间力系中去，力的平移定理是力系向一点简化的理论基础。1、力的平移定理FFFOdOOdFF0MO（3）(2)(1)定理：可以把作用在刚体上点O′的力平移到任一点O，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点O的力矩.3证明：设一个力F作用于刚体上的O′点，如图（1）所示在刚体上任取一点O，此点到力F作用线的距离为d，在O点加上大小相等、方向相反而且与力F平行的两力FF,，并使FFF，根据加减平衡力系公理，显然力系),,()(FFFF。但在力系),,(FFF中力F与F构成了力偶，于是原作用在O′点的力F，被一个作用在O点的力F和一个力偶),(FF所代替。而且F的大小和方向与原力F相同，因此可以把作用于O′的力平移到O点，但必须同时附加一个力偶。因此力F对O点的力矩dFFMo)(。所以附加力偶的力偶矩dFFMMo)(，又注意到O点的任意性，于是定理得证。2.平面力系向平面内一点简化.o1F2FnFF.o0M.o1F2FnF1M2MnM设在刚体上作用一平面力系),,(21nFFF，各力的作用点如图所示。O称简化中心iOiFMM主矢iFF22iyixFFFFFixcosFFiycos主矩iOOFMM结论：平面力系向作用面内任一点简化，一般可得到一个力和一个力偶，该力通过简化中心，其大小和方向等于力系的主矢，主矢的大小和方向与简化中心无关；该力偶的力偶矩等于力系对简化中心的主矩，主矩的大小和转向与简化中心相关。3．固定端约束（插入端约束）概念；物体的一部分固嵌于另一物体中所构成的约束。实例：阳台板,电线杆。4(a)(b)(c)(d).AA.AYFAMAXFAMAFA..当主动力为一平面力系时，物体在固嵌部分所受的力系也是一个平面力系，一般比较复杂，但可向点简化为一力和一力偶，力的大小和方向都是未知的，用如图d所示表示。4．平面力系简化的最后结果1）简化结果（1）0,0OMF平面力系平衡（2）0,0OMF平面力系简化为一合力偶，力偶矩的大小和转向由主矩决定，与简化中心无关。（3）0,0OMF平面力系简化为一合力，此合力过简化中心，大小和方向由主矢确定。（4）0,0OMF平面力系简化为一合力，合力F的作用线在点O的哪一侧，应使得F对O之矩与主矩OM的转向相同。图中FMdOFFFOdOOdFF0MO2）合力矩定理iOOOFMMFddFFM即平面力系的合力对作用面内任一点的矩等于力系中各力对同一点矩的代数和，称为平面力系的合力矩定理。3）合力作用线方程xyFFO(x,y)OoM5由平面内力对点之矩的解析表达式可知OxyOMyFxFFM其中是yx,合力作用线上任一点。二、例题:例1．已知：矩形板的四个顶点上分别作用四个力及一个力偶如图a所示。其中KNF21,KNF32,KNF43,KNF24力偶矩mKMM10，转向如图所示，图中长度单位为m。试分别求:1)力系向点B简化结果2)力系向点C简化结果3)力系简化的最后结果xy12ABCD451F2F3F4FMxyABCDBMxFyFFxyxyxyFABCDCMxyABCD(-3,0)F解：1计算力系的主矢F：KNFFFFixx245cos24KNFFFFFiyy145sin431所以KNFFFyx52255252cosFFx5551cosFFyF的解析式jiF122向B点简化的主矩mKNFMFFMB32245sin145cos344即平面力系向点B简化得到一力和一力偶，该力过点B，其大小和方向与力系的主矢F相同。该力偶的力偶矩等于主矩BM，如图b3、向C点简化的主矩6利用两点之矩的关系计算FMMMCBCKNFy523平面力系向点C简化仍得到一力和一力偶，该力过点C，其大小和方向仍与力系的主矢相同，该力偶的力偶矩等于主矩cM，如图c4力系简化的最后结果因为主矢0F，所以力系简化的最后结果为一合力F，其大小和方向与主矢F相同，作用线方程为：32yx合力F为轴x的交点坐标为（-3，0）。例2（备选）.求如图a，b所示的作用在AB梁上的分布载荷的合力的大小和作用线位置。1）梁上作用一均布载荷，载荷集度为mNq2）梁上作用一线形分布载荷，左端的载荷集度为零，右端的载荷集度为mNq02L2LABq(a)0qABxdxL(b)2L2LABq(c)Fcx0qABxdxL(d)F解：1）“均布载荷”的合力可当作均质杆的重力处理，所以合力的大小为qlF，作用在AB梁的中心，如图a3）当载荷不均匀分布时，可以通过积分来计算合力的大小和作用线位置。在梁上离A端x处取微元dx，由于载荷线性分布，在x处的集度lxqq01，于是在dx上作用力的大小为：ldxxqdxqdF017合力的大小为20000lqdxlxqdFFll利用合力矩定理计算合力作用线的位置。设合力F的作用线离A端的距离为cx，有LcxdFFx0321020dxlxqFxlc三、总结答疑：关于主矢和主矩，需弄清楚以下几点：1、主矢不是力，主矩不是力偶。主矢和主矩是描述平面任意力系对物体作用效果的量。2、主矢是自由矢量，只有大小和方向，描述平面任意力系使物体平动的作用效果；3、平面任意力系的主矩是代数量，只有大小和正负，描述平面任意力系使物体绕某点转动的作用效果。4、主矢与简化中心的选择无关。从这个意义上讲，主矢是力系的一个不变量。而主矩与简化中心的选择有关。四、复习思考题、作业题：1、思考题3-1某平面力系向A、B两点简化的主矩皆为零，此力系简化的最终结果可能是一个力吗？可能是一个力偶吗？可能平衡吗？2、课本习题3-1，3-2，3-3。五、下次课预习要点：平面任意力系的平衡条件和平衡方程附：本节PPT课件