第四章 静力学应用问题

1. 第四章 静力学应用问题 • 第一节 平面静定桁架 • 第二节 摩 擦 • 第三节 考虑滑动摩擦的平衡问题

2. 第一节 平面静定桁架 • 平面静定桁架的构成 • 桁架杆件内力计算的常用方法

3. 平面静定桁架的构成 桁架：由一些直杆彼此在两端用铰链连接而成的几何形状不变的结构 。 节点 ：桁架中杆件与杆件相连接的铰链 节点构造有 榫接，如图(a)所示焊接，如图(b)所示铆接 , 如图(c)所示整浇, 如图(d)所示 但均可抽象简化为光滑铰链

4. 平面桁架：所有杆件的轴 线都在同一平面内的桁架； 空间桁架：杆件轴线不在 同一平面内的桁架。 计算桁架各杆受力时的几点假设 • 各直杆两端均以光滑铰链连接； • 所有载荷在桁架平面内，作用于节点上； • 杆自重不计。如果杆自重需考虑时，也将其等效加于两端节点上。 满足以上假设条件的桁架称为理想桁架。理想桁架中的各杆件都是二力杆

5. 简单桁架：桁架由三根杆与三个节点组成一个基本三角形，然后用两根不平行的杆件连接出一个新的节点，依次类推而构成。简单桁架：桁架由三根杆与三个节点组成一个基本三角形，然后用两根不平行的杆件连接出一个新的节点，依次类推而构成。 组合桁架：由几个简单桁架，按照几何形状不变的条件组成的桁架 简单桁架 组合桁架 简单桁架与组合桁架都是静定桁架 其杆件数m及节点数n满足：2n＝m+3

6. 桁架杆件内力计算的常用方法 • 节点法 • 截面法

7. 以各个节点为研究对象的求解方法 • 逐个考虑各节点的平衡、画出它们的受力图 • 应用平面汇交力系的平衡方程，根据已知力求出各杆的未知内力。 • 在受力图中，一般均假设杆的内力为拉力，如果所得结果为负值，即表示该杆受压 节点法 求解要点 节点法适用于求解全部杆件内力的情况

8. 假想用一截面截取出桁架的某一部分作为研究对象假想用一截面截取出桁架的某一部分作为研究对象 • 被截开杆件的内力成为该研究对象外力，可应用平面一般力系的平衡条件求出这些被截开杆件的内力。 • 由于平面一般力系只有3个独立平衡方程，所以一般说来，被截杆件应不超出3个。 截面法 求解要点 适用于求桁架中某些指定杆件的内力，也可用于校核。

9. 零杆：桁架某些不受力的杆件 最常见的零杆发生在图示的节点处 零杆对保证桁架几何形状是不可缺的。在计算中，先判断零杆 。

10. 例4-1 一屋架的尺寸及载荷如图所示，求每根杆件的内力。 解：首先求支座A、H的反力，由整体受力图 (a) YA＝NH＝20 (kN)

11. 选取A节点 S1= –33.5 kN(压)，S2=30 kN(拉) 选取B节点 S6= 30 kN (拉)，S3= 0 (零杆)

12. 选取C节点 S4= –22.4 kN(拉)，S5= –11.2 kN(压) 选取D节点 S8= –22.4 kN(压)，S7= 10 kN(拉)

13. 由于结构和载荷都对称，所以左右两边对称位置的杆件内力相同，故计算半个屋架即可。现将各杆的内力标在各杆的旁边，如图 (f)所示。图中正号表示拉力，负号表示压力，力的单位为kN。 读者可取H节点进行校核。

14. 例4-2 求图所示桁架中CD杆的内力。 解：按常规解法的思路是先求出支座B的反力，然后以节点法由节点B、F、C依次列方程解出SCD。 如果用截面法求解，初看是解不出来，因为被截杆数超过3。

15. 用节点法配合一下，分析节点E的受力情况，可以由X＝0算出SED＝0，即为“零杆”，将“零杆”去掉，桁架受力情况与图 (c) 中的桁架等效，再用截面n–n截出右半部桁架，画受力图 (d)，列方程：

16. 通过以上分析可知，如果能判断出哪一根是“零杆”，解题就比较方便。本题可不用求反力，仅用一个方程即可解决，解题速度便大大提高。

17. 例4-3 已知如图所示桁架中∠CAB＝∠DBA＝ ∠CBA＝∠DAB＝ DA、DE、CB、CF均各为一杆，中间无节点，求桁架中1、2两杆的内力 解：研究整体

18. 用截面法,截出基本三角形CFB,受力如图 (b)示

20. 用X＝0方程校对： 求桁架各杆内力，主要是在受力分析和选取平衡研究对象上要多加思考，然后是求解平面汇交力系与平面一般力系的问题。

21. 解 题 思 路 • 一般先求出桁架的支座反力。 • 在节点法中逐个地取桁架的节点作为研究对象。须从两杆相交的节点开始（通常在支座上），求出两杆未知力的大小和方向。再取另一节点，该点的未知力不多于两个，求出这一节点上的未知力。如此逐个地进行，最后一个节点可用来校核所得结果是否正确。 • 在截面法中，如只需求某杆的内力，可通过该杆作一截面，将桁架截为两部分（只截杆件，不要截在节点上），但被截的杆数一般不能多于三根。研究半边桁架的平衡，在杆件被截处，画出杆件的内力。 • 在计算中，内力都假定为拉力

22. 第二节 摩 擦 • 摩擦现象 • 静滑动摩擦 • 摩擦角 • 自锁条件 • 摩擦角在工程中应用 • 动滑动摩擦 • 滚动摩擦

23. 摩擦现象 滑动摩擦：阻碍彼此间沿接触面公切线方向的滑动或滑动趋势的作用，这种摩擦现象称为滑动摩擦，相应的摩擦阻力称为滑动摩擦力。 滚动摩擦：两物体之间具有相对滚动或相对滚动趋势，彼此在接触部位将产生阻碍对方相对滚动的作用，这种摩擦称为滚动摩擦，相应的摩擦阻力实际上是一种力偶，称之为滚动摩擦阻力偶。

24. 当物体在外力作用下有运动趋势时，物体之间的摩擦力当物体在外力作用下有运动趋势时，物体之间的摩擦力 • 静滑动摩擦力 作用线沿接触面公切线 ，方向与滑动的趋势的方向相反。 F＝P • 最大静滑动摩擦力 在临界平衡状态时，静摩擦力达到最大值Fmax 0≤F≤Fmax Fmax＝f N

25. 摩擦角 全反力：法向反力N与静摩擦力F合成为全约束力R。 Q：主动力P与W的合力 显然：R= —Q 摩擦角 ：当达到最大静摩擦力时，全反力R与接触面法线的夹角达到最大值m，称之为两接触物体的摩擦角

26. 物体平衡时全反力的作用线一定在摩擦角内即：≤m物体平衡时全反力的作用线一定在摩擦角内即：≤m • 自锁条件 摩擦锥 ：如过全反力作用点在不同的方向作出在极限摩擦情况下的全反力的作用线，则这些直线将形成一个顶角为2m的圆锥 当物体所受主动力的合力Q的作用线位于摩擦锥以内时即0≤≤m，无论主动力Q的值增至多大，总有相应大小的反力R与之平衡，使此物体恒处于平衡状态，这种现象称为自锁

27. 摩擦角在工程中应用 • 静摩擦系数的测定

28. 摩擦角在工程中应用 把要测定的两个物体的材料分别做成一可绕O轴转动的平板OA和一物体B，如图所示， 并使接触表面的情况符合预定的要求。当角较小时，由于存在摩擦，物体B在斜面上保持静止并逐渐增大斜的倾角，直到物块刚开始下滑时为止 • 静摩擦系数的测定

29. 螺旋千斤顶的自锁条件 螺纹的自锁条件是使螺纹的升角m小于或等于摩擦角m。≤m

30. 动滑动摩擦 动摩擦力 ：两接触物体之间存在相对滑动时，其接触面上产生阻碍对方滑动的阻力称为动滑动摩擦力 动摩擦力的方向与物体接触部位相对滑动的方向相反，大小与接触面之间的正压力成正比 F＝f N f ：动滑动摩擦系数，它主要取决于物体接触表面的材料性质与物理状态（光滑程度、温度、湿度等等），与接触面积的大小无关

31. 半径为r、重为W的圆轮置于水平面上，处于平衡状态，如图 (a)示。今在轮心O施加一水平力P， 设水平面能提供足够大的摩擦力F，保证圆轮不滑动。由X=0，有F＝P，即P力与F力组成一力偶。此时，如果圆轮与水平面都是绝对刚性，在图 (b)情形下，圆轮受力不满足力矩平衡条件，将向右滚动。然而，当力P不太大时，圆轮既无滑动，也不滚动。这是什么缘故呢？ • 滚动摩擦

32. 原来圆轮与水平面之间并非刚性接触，而是有变形存在。为简单计，假设圆轮不变形，地面有变形，如图示。地面的约束力是一分布力系，向A点简化，得法向反力N，摩擦力F和阻力偶Mf，如图示。接触面之间产生的这种阻碍滚动趋势的阻力偶称为静滚动摩擦阻力偶，简称静滚阻力偶。其大小Mf ＝Pr，与主动力有关，转向与圆轮相对滚动趋势相反，作用于圆轮接触部位。

33. 滚动摩擦定律 Mf max＝N 当P力逐渐增大时，圆轮会达到一种欲滚而未滚动的临界平衡状态，此时，Mf达到最大静滚阻力偶Mf max，微小的扰动即使圆轮向右滚动 静滚阻力偶Mf应满足: 0≤Mf≤Mf max • :滚动摩阻系数， 单位：cm或mm 主要取决于物体接触面的变形程度，而与接触面的粗糙程度无关。

34. 滚动摩阻系数的几何意义: 将N与Mf max合成为一个力N ，N ＝N，作用线平移一段距离，如图示，这表明，滚动摩擦使正压力向滚动前进方向平移，平移的距离正好等于滚动摩阻系数。

35. 即圆轮总是先到达 一般情况下， 滚动临界平衡状态。这就是克服滚动摩擦比克服滑动摩擦要省力得多的原因。 圆轮滚动的临界平衡条件 圆轮滑动的临界平衡条件:

36. 第三节 考虑滑动摩擦的平衡问题

37. 例4-4 图示颚式破碎机，已知颚板与被破碎石料的静摩擦系数f＝0.3，试确定正常工作的箝制角的大小。（不计滚动摩擦） 解：为简化计算，将石块看成球形，并略去其自重。根据破碎机正常工作时岩石应不被挤压滑出颚板的条件，用几何法求解，岩石只在两处受力，此两力使岩石维持平衡必须共线，按自锁条件它们与半径间的最大角度应为m。

39. 例4-5 图示一挡土墙，自重为W，并受一水平土压力P的作用，力P与地面的距离为d，其它尺寸如图所示。设墙与地面间的摩擦系数为f；试求欲使墙既不滑动又不倾覆，力P的值所应满足的条件。 解：（1）先分析挡土墙不滑动的条件 取挡土墙为研究对象。在土压力P作用下墙体有向右滑动的趋势，地基对挡土墙的摩擦力F向左。

40. 根据静摩擦力的特点知 为了保证墙不滑动，力P值所应满足的条件为 PfW

41. （2）再分析挡土墙不倾覆的条件 当墙即开始倾覆时，力N与F将作用在B点，如图示。力P使墙绕B点倾覆的力矩，称为倾覆力矩，其值为Pd；同时，重力W阻止墙绕B点倾覆，力W对B点的力矩，称为稳定力矩，其 值为Wc。要使墙不倾覆，稳定力矩必须大于或等于倾覆力矩， 即：Wc≥Pd 故墙不倾覆的条件为

42. 例4-6 在坑道施工中，广泛采用各种利用摩擦锁紧的装置——楔联结。图示坑道支柱中的楔联结结构装置。它包括顶梁Ⅰ、楔块Ⅱ、用于调节高度的螺旋Ⅲ及底坐Ⅳ。螺旋杆给楔块向上的推力P。已知楔块与上下支柱间的静摩擦系数均为f（或摩擦角m）。求楔块不致滑出所须顶角的大小。

43. 解：以楔块为研究对象，其受力图如图 (b)所示。楔块因有向左滑出的趋势，故除压力P和法向约束反力N外，还有向右的摩擦力F1及F2。当楔块处于临界平衡状态时，根据摩擦定律有

44. 即 将f = tan m代入上式，得 楔块不会滑出的条件为 : 2m

45. 几何法求解 当楔块平衡时，力P与F1的合力R1，力N与F2的合力R2，应等值、反向、共线。设R1与P的夹角为1，R2与N的夹角为2 则楔块不会滑出的条件 : 根据图示的几何条件知：

46. 例4-7 某变速机构中滑移齿轮如图 (a)所示。已知齿轮孔与轴间的摩擦系数为f，齿轮与轴接触面的长度为b。问拨叉（图中未画出）作用在齿轮上的P力到轴线的距离a为多大，齿轮才不致于被卡住。设齿轮的重量忽略不计。 解：齿轮孔与轴间总有一定的间隙，齿轮在拨叉的推动下要发生侧倾，此时齿轮与轴就在A、B两点处接触。 取齿轮为研究对象

47. 则： 考虑平衡的临界情况（即齿轮将动而尚未动时）得： 联立以上五式可解得 这是临界情况所要求的条件 要保证齿轮不发生自锁现象（即不被卡住）

48. 例4-8 质量m＝20 kg的均质梁AB，受到力Q＝254 N的作用。梁的A端为固定铰链，另一段搁置在质量M＝35 kg的线圈架芯轴上。在线圈架的芯轴上绕一不计质量的软绳，如图示，如不计滚动摩擦，试求最少要在此绳上作用一多大的力P，才能使线圈架运动？线圈架与AB梁和地面E的滑动摩擦系数分别为fD＝0.4，fE＝0.2，图中R＝0.3m，r＝0.1m。

49. 解：线圈架由静止状态开始运动，就其临界状态而言，运动形式有三种可能性：（1）D和E均发生滑动；（2）沿地面滚动而无滑动（3）沿AB梁滚动而无滑动。解：线圈架由静止状态开始运动，就其临界状态而言，运动形式有三种可能性：（1）D和E均发生滑动；（2）沿地面滚动而无滑动（3）沿AB梁滚动而无滑动。 以AB梁为研究对象 以线圈架为研究对象

50. 此时： ＝128.6 N • 线圈架的D、E两点都滑动 讨论三种可能发生的运动情况 此时： • 线圈架沿AB梁滚动而无滑动