理论力学(范钦珊、刘燕清华大学出版社)第3章静力学平衡问
题
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习题解
第3章 静力学平衡问题
3,1 图示两种正方形结构所受荷载F均已知。试求其中1,2,3各杆受力。
解:图(a): 2Fcos45:,F,03
2 F,F(拉) 32
F = F(拉) 13
F,2Fcos45:,023
F = F(受压) 2
, 图(b): F,F,033
F = 0 1习题3,1图 F = F(受拉) 2
FF FF3 3FD3DF33A, 45A 1 FF22 F1FF, 13F, 3 (b-2) (a-1) (a-2) (b-1)
3,2 图示为一绳索拔桩装置。绳索的E、C两点拴在架子上,点B与拴在桩A上的绳索AB连接,
在点D加一铅垂向下的力F,AB可视为铅垂,DB可视为水平。已知= 0.1rad.,力F = 800N。试求绳AB,中产生的拔桩力(当很小时,tan?)。 ,,,
FFCB ED
D,,FDB ,FDB B
F F(a) AB 习题3,2图 (b)
F,F,0Fsin,,F解:, F ,yEDEDsin,
F,F,0Fcos,,F , F,,10FxEDDBDB,tan
由图(a)计算结果,可推出图(b)中:F = 10F = 100F = 80 kN。 ABDB
3,3 起重机由固定塔AC与活动桁架BC组成,绞车D和E分别控制桁架BC和重物W的运动。桁
架BC用铰链连接于点C,并由钢索AB维持其平衡。重物W = 40kN悬挂在链索上,链索绕过点B的滑轮,
并沿直线BC引向绞盘。长度AC = BC,不计桁架重量和滑轮摩擦。试用角=?ACB的函数来表示钢索,AB的张力F以及桁架上沿直线BC的压力F。 ABBC yFAB, 2
, FBC ,x WW (a) 习题3,3图
— 1 —
,,解:图(a):,, ,F,02sinFcos,Wsin,,0F,WxABAB22
,,F,0 , F,W,Wcos,Fsin,0,yBCAB2
,2 即 cos2sin,W,Wcos,,W(1,cos,),2WF,W,W,W,BC2
3,4 杆AB及其两端滚子的整体重心在G点,滚子搁置在倾斜的光滑刚性平面上,如图所示。对于给定的角,试求平衡时的角。 ,,
解:AB为三力汇交平衡,如图(a)所示ΔAOG中:
, AO,lsin,,AOG,90:,,
, ,OAG,90:,,,AGO,,,,
l
,,sin1llsin3,由正弦定理:, ,sin(,,)3cos,),sin(,,,)sin(90:,,)
即 3sin,cos,,sin,cos,,cos,sin, 习题3,4图 即 2tan,,tan,
O1 ,,arctan(tan,)2,l注:在学完本书第3章后,可用下法求解: A3,G ,F,0,F,Gsin,,0 (1) 2lxRA3F,F,0 ,F,Gcos,,0 (2) RAyRBBlG ,M(F),0, (3) ,Gsin(,,,),Flsin,,0ARB3FRB,1 解(1)、(2)、(3)联立,得 ,,arctan(tan,)(a) 2
3–5 起重架可借绕过滑轮A的绳索将重力的大小G=20kN的物体吊起,滑轮A用不计自重的杆AB和AC支承,不计滑轮的自重和轴承处的摩擦。求系统平衡时杆AB、AC所受力(忽略滑轮的尺寸)。
解:以A为研究对象,受力如图(a)
所示,其中:F = G。 T
FT , ,F,0F,Fcos30:,Gsin30:,0ABABTFAB A
F,G(cos30:,sin30:),7.32kNFAC ABG
(a)
, ,F,0F,Gcos30:,Fsin30:,0ACACT
习题3-5图 F,G(cos30:,sin30:),27.32kNAB
3–6图示液压夹紧机构中,D为固定铰链,BCE为铰链。已知力F,机构平衡时角度如图所示,、、
求此时工件H所受的压紧力。
F FFEC CD B FNB F CB FFBC NH C FCE x F H
(a) (b) (c) 习题3-6图
— 2 —
解:以铰B为研究对象,受力如图(a)。
F,; (1) ,F,0Fsin,,F,0F,yBCBCsin,
以铰C为研究对象,受力如图(b)。
FCB,; (2) ,F,0F,Fsin2,,0F,xCBCECEsin2,
以铰E为研究对象,受力如图(c)。
,; (3) ,F,0F,Fcos,F,Fcos,,0yHECHEC
F由于;,联立式(1)、(2)、(3)解得: F,FF,FF,BCCBECCEH22sin,
3–7三个半拱相互铰接,其尺寸、支承和受力情况如图所示。设各拱自重均不计,试计算支座B的约束力。
′ F D
F D
F F AxCx F BF Cy F Ay
(b) 习题3-7图 (a)
解:先分析半拱BED,B、E、D三处的约束力应汇交于点E,所以铰D处的约束力为水平方向,取CDO为研究对象,受力如图(a)所示。
,; ,M(F),0Fa,Fa,0F,FCDD
以AEBD为研究对象,受力如图(b)。
,,; ,M(F),0F,2F3aF,3aF,3aF,0ABDB
3,8 折杆AB的三种支承方式如图所示,设有一力偶矩数值为M的力偶作用在折杆AB上。试求支承处的约束力。
习题3—8图 FFB BDBDFB ,B45FBB FFDMBDFMD MMAA AAFFF A AA F A (b) (a) (c) (d)
— 3 —
M 解:图(a):F,F,AB2l
M 图(b): FF,,ABl
由图(c)改画成图(d),则
M FF,,ABDl
M ? FF,,BBDl
M2FF ,2, DBDl
3,9 齿轮箱两个外伸轴上作用的力偶如图所示。为保持齿轮箱平衡,试求螺栓A、B处所提供的约束力的铅垂分力。
习题3,9图 F ByF Ay (a)
,500,125,F,0.5,0解:ΣM = 0, iAy
F = 750N(?), F = 750N(?) AyBy
(本题中F,F等值反向,对力偶系合成结果无贡献。) Ax Bx
3,10 试求图示结构中杆1、2、3所受的力。
解:杆3为二力杆
图(a):
ΣM = 0 i
F,d,M,0 3
M F,3d习题3,10图 F = F(压) 3F1Fd图(b): 2
MΣF = 0 x
d3AF = 0 122
ΣF = 0 yAMF,F,(拉) F13dFA F
(a) (b)
3–11图示空间构架由三根不计自重的有杆组成,在D端用球铰链连接,A、B和C端则用球铰链固定在水平地板上,若拴在D端的重物P = 10 kN,试求铰链A、B、C的反力。
解:
FF C A FB
(a) 习题3-11图
— 4 —
取铰D为研究对象,受力如图(a)。
,; (1) F,0Fcos45:,Fcos45:,0F,Fx,BABA
, (2) F,0,Fcos15:,2Fsin45:cos30:,0yCA,
, (3) ,Fsin15:,2Fsin45:sin30:,P,0F,0,CAz
联立式(1)、(2)、(3)解得:kN,kN F,33.46F,F,,26.39CBA
3–12 图示空间构架由三根不计自重的有杆组成,在O端用球铰链连接,A、B和C端则用球铰链固
定在水平地板上,若拴在O端的重物P=10kN,试求铰链A、B、C的反力。
解: z
FC
FB y x
FA
(a) 习题3-12图
取铰O为研究对象,受力如图(a)。
F,0,; Fcos45:,Fcos45:,0F,FxBCBC,
,; F,,2P,,14.14kN,Fcos45:,P,0F,0,AzA
F,0,;kN F,F,7.07,Fsin45:,2Fsin45:,0yBC,AB
3–13 梁AB用三根杆支承,如图所示。已知F=30kN,F= 40kN,M=30kN?m, q = 20N/m,试求12 三杆的约束力。
解:
O
FD FC FB F AF CF B (d) (c)
(1)图(a)中梁的受力如图(c)所示。
F,0,; ,Fcos60:,Fcos60:,0F,F,30kNxC1C1,
M(F),08F,8Fsin60:,M,4F,3Fsin60:,1.5,3q,0,; F,,63.22kN,BA12CA
— 5 —
,; M(F),08F,M,4F,5Fsin60:,6.5,3q,0F,,88.74kN,AB2CA
(2)图(b)中梁的受力如图(d)所示。
M(F),0,; 6F,4F,M,2Fcos30:,0F,,3.45kN,OC12C
,; M(F),08F,6F,M,4Fsin45:,2Fsin30:,0F,,57.41kN,BC1D2D
M(F),0,4F,M,2F,2Fsin30:,4Fsin45:,0; F,,8.42kN,DC12BB
2 3,14 一便桥自由放置在支座C和D上,支座间的距离CD = 2d = 6m。桥面重kN/m。试求当汽13车从桥上面驶过而不致使桥面翻转时桥的悬臂部分的最大长度l。设汽车的前后轮的负重分别为20kN和40kN,两轮间的距离为3m。
解:图(a)中,
2q,1 kN/m 3
习题3,14图 F = 40 kN(后轮负重)
M = 0 ΣDFqq(6,2l),3,Fl,0
5DC,(6,2l),3,40l,0 F3RD6,ll l = 1m (a) 即 l = 1m max
3,15 图示构架由杆AB、CD、EF和滑轮、绳索等组成,H,G,E处为铰链连接,固连在杆EF上的销钉K放在杆CD 的光滑直槽上。已知物块M重力P和水平力Q,尺寸如图所示,若不计其余构件的自重和摩擦,试求固定铰支座A和C的反力以及杆E F上销钉K的约束力。
FF AyCy
FCx F Ax
习题3,15图 (a)
FCyF TF KC FH Cx F K F Hx K F Hy F′ K D FDx(b) (c) F Dy
解:取系统整体为研究对象,其受力如图(a)所示。
— 6 —
,3(P2Q)3aP,6aQ,4aF,0,; M(F),0,F,ACyCy4
,7P6Q),; F,0F,P,F,0,F,yAyCyAy4
F,0, (1) Q,F,F,0,xAxCx
取轮E和杆EF为研究对象,其受力如图(b)所示。
M(F),0,(F = P);(F = P) F,2P3aP,aF,2aFcos45:,0TT,HKTK
取杆CD为研究对象,其受力如图(c)所示。
,P6Q22aF,4aF,4aF,0M(F),0,; ,F,KCyCxDCx4
,2QP将F的值代入式(1),得: ,FAxAx4
3-16滑轮支架系统如图所示。滑轮与支架ABC相连,AB和BC均为折杆,B为销钉。设滑轮上绳的拉力P = 500N,不计各构件的自重。求各构件给销钉B的力。
F′ ByP B FB F′Bx Bx , , FBC FF T BAFBy
C
(a) A (b)
习题3,16图
解:取滑轮为研究对象,其受力如图(a)所示。
F,0,F,F,0(F = P);F,P,500N T,yByTBy
F,0,; F,P,500NF,P,0,xBxBx
43tan,取销钉B为研究对象,其受力如图(b)所示(,tan,)。 ,,34
,F,0,Fsin,,Fsin,,F,0 (1) ,yBABCBy
,F,0, (2) Fcos,,Fcos,,F,0,xBABCBx
联立式(1)、(2)解得:; F,100NF,700NBCBA
3-17 图示结构,由曲梁ABCD和杆CE、BE、GE构成。A、B、C、E、G均为光滑铰链。已知F = 20kN,
q = 10kN/m,M = 20kN?m,a=2m,设各构件自重不计。求A、G处反力及杆BE、CE所受力。
FAy
FEB FFAx EC
FGx
FGy FGx FGy (b) (a) 习题3,17图
— 7 —
解:取系统整体为研究对象,其受力如图(a)所示。
2,aF,M,aF,2aq,0; M(F),0F,50kN,AGxGx
,; F,0F,70kNF,F,F,0,xAxGxAx
, (1) F,0F,F,2aq,0,yAyGy
取杆GE为研究对象,其受力如图(b)所示。
F,0,;F,502kN F,Fcos45:,0,xECGxEC
M(F),0,M,aF,aFcos45:,0; F,40kN,GEBECEB
M,aF,0,; M(F),0F,10kN,EGyGy
将F的值代入式(1),得: F,30kNGyAy
3-18 刚架的支承和载荷如图所示。已知均布载荷的集度q= 4kN/m,q= 1kN/m,求支座A、B、C1 2 三处的约束力。 FEy
解:取CE为研究对象, F F其受力如图(a)所示。 Ex
M(F),0, ,E
4F,20q,0 C2
F,5kNC
取系统整体为研究对象,其受 3m 3m FC 力如图(c)所示。 (a) 习题3,18图M(F),0, ,Aq1 10F,18q,6F,0 FC1ByFx F F F,3.67kN ByFFy F,0, ,y
F,F,6q,F,0AyBy1C
F,15.33kN FFFBx Bx Ax AyFFFBy By Ay F,0, ,x3m 3m 3m FC FC (1) F,F,4q,0(c) AxBx2(b) 取CDEFB为研究对象,其受力如
图(b)所示。
7F,24q,4.5q,3F,6F,0M(F),0,; F,,0.67kN,FC21ByBxBx将F的值代入式(1),得: F,4.67kNBxAx
3-19 试求图示多跨梁的支座反力。已知:
(a)M = 8kN?m, q = 4kN/m;
(b)M = 40kN?m,q = 10kN/m。
习题3-19图
习题3,19图
— 8 —
解:
FBx FCx FFC Cy FFD By
(c) (e)
FFAx Ax MA FB FFC D FFAy Ay
(d) (f)
(1)取图(a)中多跨梁的BC段为研究对象,受力如图(c)所示。
M(F),0,; 4F,3,6q,0F,18kN,BCC
取图整体为研究对象,受力如图(d)所示。
M(F),0,; M,M,8F,7,6q,0M,32kN,m,AACA
F,0,; F,6q,F,0F,6kN,yAyCAy
F,0, F,0,xAx
(2)取图(b)中多跨梁的CD段为研究对象,受力如图(e)所示。
M(F),0,; 4F,M,2q,0F,15kN,CDD
取图整体为研究对象,受力如图(f)所示。
M(F),0,; 2F,8F,M,16q,0F,40kN,ABDB
F,0,F,F,4q,F,0;F,,15kN ,yAyBDAy
F,0, F,0,xAx
3,20 厂房构架为三铰拱架。桥式吊车顺着厂房(垂直于纸面方向)沿轨道行驶,吊车梁重力大小W = 20kN,其重心在梁的中点。跑车和起吊重物重力大小W = 60kN。每个拱架重力大小W = 60kN,其123重心在点D、E,正好与吊车梁的轨道在同一铅垂线上。风压在合力为10kN,方向水平。试求当跑车位于离左边轨道的距离等于2m时,铰支承A、B二处的约束力。
W3W3R10kN WWF21lF WrW12 FAxBF Bx2m2m4m FFAyBy (a) (b) 习题3,20图
F,8,2W,4W,0 解:图(a):ΣM = 0, Lr21
8F,2,60,4,20,0 ,F = 25 kN (1) rrWC3 图(b):ΣM = 0, A,FrF,12,10,5,W,2,W,10,W,4,W,6,0 By3321
12F,50,120,600,240,120,0F,94.2 ,kN ByByFBxB ΣF = 0,F = 106 kN yAyFByF,F,10 ΣF = 0,kN (2) xBxAx(c) 图(c):ΣM = 0, C
— 9 —
,,(W,F),4,F,10,W,6,0,F = 22.5 kN Bx3rBxBy
kN 代入(2),得 F,,12.5Ax
3,21 图示为汽车台秤简图,BCF为整体台面,杠杆AB可绕轴O转动,B、C、D三处均为铰链。
杆DC处于水平位置。试求平衡时砝码重W与汽车重W的关系。 12
F ByW2B BOA
,WF1By (b) C (a) 习题3,21图
解:图(a):ΣF = 0,F = W (1) yBy2
,W,l,F,a,0 图(b):ΣM = 0, (2) O1By
Wa1,由式(1)、(2),得 Wl2
3-22 立柱AB以球铰支于点A,并用绳BHBG拉住;D处铅垂方向作用力P的大小为 20kN,杆CD、
在绳BH和BG的对称铅直平面内(如图所示)。求系统平衡时两绳的拉力以及球铰A处的约束力。
FG FH
FAy FAz FAx
习题3,22图 (a) 解:取整体为研究对象,受力如图(a)所示。
M(F),0,5Fcos60:sin45:,5Fcos60:sin45:,0; F,F,yHGHG
M(F),0,; F,F,28.3kN2,5Fcos60:cos45:,5P,0,xHGH
F,0,F,0 ,xAx
F,0,F,2Fcos60:cos45:,0;F,20kN ,yAyHAy
F,0F,69kN,; F,2Fsin60:,P,0,zAyAzH
3-23 正方形板ABCD用六根杆支撑,如图所示,在A点沿AD边作用一水平力F。若不计板的自重,
求各支撑杆之内力。
F4 F3
FF5 2 F1 F6
(a) 习题3,23图
— 10 —
解:取整体为研究对象,受力如图(a)所示。
,; M(F),0F,,2FFcos45:a,Fa,0,,BB22
,; M(F),0F,2FFcos45:a,Fa,0,,CC55
M(F),0,; F,2F(F,F)cos45:a,0,,AA424
,; M(F),0F,,F(F,Fcos45:)a,0,AD334
,; M(F),0F,,F(F,Fcos45:)a,0,CD665
M(F),0,; (F,F)a,0F,F,,,BC161
3,24 作用的齿轮上的啮合力F推动胶带轮绕水平轴AB作匀速转动。已知胶带紧边的拉力为200N,
松边为拉力为100N,尺寸如图所示。试求力F的大小和轴承A、B的约束力。
x200N100NFFBx
,z20FAx BDA CFBy
FAy y (a) 习题3,24图
解:图(a):ΣM = 0,,F = 70.95 N Fcos20:,120,(200,100),80z
ΣM = 0,,Fsin20:,100,300,250,F,350,0, F = -207 N(?) yBxBx
ΣF = 0,F,F,Fsin20:,300,0, F = -68.4 N(?) xAxAxBx
,Fcos20:,100,F,350,0 ΣM = 0,, F = -19.04 N xByBy
F,Fcos20:,F,0 ΣF = 0,, F = -47.6 N yAyAyBy
F,(,68.4i,47.6j)F,(,207i,19.04j) F = 70.95 N;N;N RARB
3,25 水平轴上装有两个凸轮,凸轮上分别作用已知力F(大小为800N)和未知力F。如轴平衡,1求力F的大小和轴承A、B的约束力。
FBz
FAz
FBx
FAx
(a) 习题3,25图
解:取整体为研究对象,受力如图(a)所示。
M(F),0,; 20F,20F,0F,F,800N,y11
M(F),0,; 100F,40F,0F,,320N,xBzBz
M(F),0,100F,140F,0,; F,,1120N,zBx1Bx
— 11 —
,; F,0F,F,F,0F,320N,xAxBx1Ax
,; F,0F,F,F,0F,,480kN,zAzBzAz
3,26 图示折杆ABCD中,ABC段组成的平面为水平,而BCD段组成的平面为铅垂,且?ABC =?BCD = 90?。杆端D用球铰,端A用滑动轴承支承。杆上作用有力偶矩数值为M、M和M的三个力偶,123其作用面分别垂直于AB、BC和CD。假定M、M大小已知,试求M及约束力F、F的各分量。已知231RARDAB = a、BC = b、CD = c,杆重不计。 FAz解:图(a):ΣF = 0,F= 0 xDx FAAyM2F, ΣM = 0,, M,F,d,0yMAz2Az11dM12CBMx2MF,, ΣF = 0, 3zDzd1FFDxDyMDy3M,F,d,0F,, ΣM = 0,, z3Ay1Ayd1F 习题3-26图Dz M ΣF = 0, 3y,F(a) Dyd1
dd32,M,F,d,F,d,0M,M,M ΣM = 0,, x1Ay3Az2132dd11
3,27 如图所示,组合梁由AC和DC两段铰接构成,起重机放在梁上。已知起重机重力的大小P = 150kN,重心在铅直线EC上,起重载荷P = 10kN。如不计梁自重,求支座A、B和D三处的约束反力。 2
4m
EEWFPFGWFPFFABGDP
FFRGRF1m1m3m3m6m3m1m1m 习题3,27图 (a)
,FFRGAyWFPFCDAxFCxGAGFDBF1mCyFRDFF6mRBRD
(b) (c)
解:(1)研究对象和受力图(a):
,, 2F,1F,5W,0F,50 kN,M(F),0RGPRGF
(2)研究对象和受力图(b)
' ,6F,1F,0, ,M(F),0F,8.33 kNDGCRDRR
(3)整体作研究对象,受力图(c)
,, ,M(F),012F,10W,6F,3F,0F,100 kNARDPRBRB
, ,F,0F,0xAx
,F,0F,,48.33 kN , yAy
3,28 图示构架中,物体P重1200N,由细绳跨过滑轮E而水平系于墙上,尺寸如图。不计杆和滑轮的自重,求支承A和B处的约束力,以及杆BC的内力F。 BC
— 12 —
习题3,28图 (a) (b)解:
(1)整体为研究对象,受力图(a), F,WT
,, ,M,0F,4,W(2,r),F(1.5,r),0F,1050 NARBTRB
, F,F,W,1200 N,F,0xAxT
, ,F,0F,150 NyAy
(2)研究对象CDE(BC为二力杆),受力图(b)
, Fsin,,1.5,W,r,F(1.5,r),0,M,0BCTD
,W,1200,,,,1500 N F(压力) BC4,sin
5
3,29 在图示构架中,A、C、D、E处为铰链连接,BD杆上的销钉B置于AC杆光滑槽内,力F = 200N,
力偶矩M = 100N?m,各尺寸如图,不计各构件自重,求A、B、C处所受力。
习题3,29图 (a) (b) (c)
解:
(1)整体为研究对象,受力图(a)
,1.6F,M,F(0.6,0.4),0,F,,87.5 N ,M,0AyAyE
(2)研究对象BD,受力图(b)
,, F,0.8sin30:,M,0.6F,0F,550 N,M,0NBNBD
(3)研究对象ABC,受力图(c)
'1.6sin60:,F,0.8F,0.8F,0,, ,M,0F,267 NAxAyBCNAx
',F,Fcos30:,F,0, F,209 N,F,0AxBCxxCxN
'F,Fsin30:,F,0,F,0F,,187.5 N,, AyBCyyCyN
3-30 平面桁架的尺寸和支座如图所示。试求其各杆之内力。
— 13 —
习题3,30图 解:
(1) 取图(a)中桁架为研究对象,求支座的约束力, 受力如图(c)所示。由对称性可得:
F,F,60kNAE
取节点A为研究对象,受力如图(d)所示。 FFE A F,0,; F,Fsin60:,0F,,69.28kN,yA11(c) 40 kN FF,0,; F,Fcos60:,0F,34.64kN1 ,x212
BA F取节点B为研究对象,受力如图(e)所示。 F4 2
,F,0,; (F,F)sin60:,40,0F,23.09kN,FF′ y313FA 13
(d)(e) ,F,0,; (F,F)cos60:,F,0F,46.19kN,x3144
F′F3 7 F 取节点C为研究对象,受力如图(f)所示。 5
E ,F,0,; (F,F)sin60:,40,0F,23.09kNC,y535FF′ F′6 6 2
,,FF,0,; (F,F)cos60:,F,F,0F,34.64kN40 kN E ,x53626
(g) 取节点E为研究对象,受力如图(g)所示。 (f)
F,0,; F,Fsin60:,0F,,69.28kN,yA77
(2) 取图(b)中桁架为研究对象,求
支座的约束力,受力如图(h)所示。
M,0, 20,2,10,4,8F,0,HA
FH F,0, F,F,20,10,10,0FA ,yAH
(h)解得:; F,10kNF,30kNAH
其中零杆有:F = F = F = 0 10 kN 3411F1 取节点A为研究对象,受力如图(i)所示。 DA F2 1F7 F,F,0F,0,; F,,22.36kNF 5,A1y1FA F56
(i)(j) 2F,F,0F,0,; F,20kN10 kN 21,x220 kN 5FF′12 7 由节点C和节点B可得: G H F13 F′F 12 8; F,F,,22.36kNF,F,20kNF5192H
(l) (k) 取节点D为研究对象,受力如图(j)所示。
F,0, F,F,,22.36kN,x75
1(F,F),F,10,0F,0,; F,10kN,576y65
取节点H为研究对象,受力如图(l)所示。
— 14 —
1F,F,10,0,; F,0F,,44.72kN,H12y125
2F,F,0F,0,; F,40kN,1312x135
由节点F可得: F,F,40kN1013
取节点G为研究对象,受力如图(k)所示。
2,,(F,F,F),0F,0,; F,,22.36kN,1278x85
3-31 求图示平面桁架中1、2、3杆之内力。
习题3,31图
解:
(1) 取图(a)中桁架为研究对象,求支座B A B C 处的约束力,受力如图(c)所示。
FFB M,0, 4F,100,2,50,3,0A ,AB
解得: F,87.5kNB
(c) 用截面将杆1、2、3处截开,取右半部分为研究对象
受力如图(d)所示。 B F1 C 1F,0,F,F,50,0; F,53kN,yB22F2 2FB M,0,; F,F,87.5kNF,F,0F,CB33B3
1F,0,; F,F,F,0F,,125kN,x1231(d) 2
(2) 取图(b)中桁架为研究对象,用截面将杆1、2 处截开,取右半部分为研究对象,受力如图(e)所示。 F1 A M,0,; 10a,2asin30:F,0F,10kN,A22F2 B M,0,; F,103kNatan30:F,10a,0,B11(e)
再用截面将杆3处截开,取右半部分为研究对象受力如图(f) 所示。
M,0,; 10a,2aF,0F,,5kN,A33A
F3 B
(f)
— 15 —
3,32 桁架的尺寸以及所受的载荷如图所示。试求杆BH、CD和GD的受力。
,F,0解:(1)节点G:, F,0yGD
,F,0 (2)节点C:, F,0yHC
(3)整体,图(a)
, ,M,015F,10,60,5,40,0BRE
kN(?) F,26.67RE (4)截面法,图(b) 习题3-32图 ,;kN(压) ,M,0,5F,5,60,10,26.67,0F,,6.67HCDCD
2,F,0 ,,F,60,26.67,0;kN F,,47.1yBHBH2HGFFHI
F BH
EEBBDFCD 40kNFREF60kNRB26.7kN 60kN (a) (b)
3,33 图示桁架所受载荷F=F,F=2F,尺寸a为已知。试求杆件CD、GF、和GD的内力。 12
解:截面法,受力如图(a)所示。
M,0, F,0,DGFFGF 1F,0, F,F,0,yGD2FGD 2
F,22F FCD GD
F,0, ,x(a) 习题3,33图1; F,F,F,0F,,F1GDCDCD2
3-34 两物块A、B放置如图所示。物块A重P= 5kN。物块B重P= 2kN,A、B之间的静摩擦因数1 2 f= 0.25,B与固定水平面之间的静摩擦因数f= 0.20。求拉动物块B所需力F的最小值。 s1 s2
解:取A为研究对象,受力如图(a)所示。
F,0, (1) Fsin30:,P,F,0,yT1NA
F,0, (2) F,Fcos30:,0,xAT习题3,34图 FT (3) F,f,FAmaxs1NA
取B为研究对象,受力如图(b)所示。
F,A F,0, (4) F,P,F,0,yNB2NAPF1 NA ,F,0, (5) F,F,F,0,xAB(a)
(6) F,f,FBmaxs2NBF′ NA解式(1)——(6),得: F′ A
f,fFB s1s2F,P,fP,2.366kN PF2 min1s22NB ftan30:,1s1(b)
— 16 —
3-35 起重绞车的制动装置由带动制动块的手柄和制动轮组成。已知制动轮半径R=50cm,鼓轮半径r =
30cm,制动轮与制动块间的摩擦因数f= 0.4,被提升的重物重力的大小G = 1000N,手柄长l = 300cm, a s
= 60cm,b = 10cm,不计手柄和制动轮的自重。求能够制动所需力F的最小值。
解:取轮与重物为研究对象,受力如 FN 图(a)所示。 F
F, (1) Gr,FR,0M,0Ox ,Of
取杆AB为研究对象,受力如图(b)所示。 FOy ,,, (2) Fa,Fb,FL,0M,0,ANf
(3) F,f,FfmaxsN习题3,35图 G(a) 解式(1)——(3),得:
GraFAy F,(,b),280NminLRfs
FAx F′ F′ N
(b)
3-36 尖劈起重装置如图所示。尖劈A的顶角为,B块上受力F的作用。A块与B块之间的静摩擦,Q因数为f(有滚珠处摩擦力忽略不计)。如不计A块和B块的自重,试求保持平衡时主动力F的范围。 sP
解:(1)B几乎要下滑时,F = F Pmin
,F,0 图(a), y
Fcos,,Fsin,,F,0 (1) N11Q
图(b),,F,0 x
,, ,Fcos,,Fsin,,F,0 (2) 1N1min
F = fF (3) 1N1
解(1)、(2)、(3),得:
,,sin,fcos 习题3-36图F,F (4) minQcos,,fsin,
(2)B几乎要向上滑时,F = F Pmax
,F,0 图(c), y
Fcos,,Fsin,,F,0 (5) N22QFQ,F,0 图(d), xFNBF,,Fcos,,Fsin,,F,0 (6) 1B2N2max
F = fF (7) 2N2, 解(5)、(6)、(7),得: FN1 ,,sin,fcosF,F (8) (a) maxQcos,,fsin,
若令,由(4)、(8),得: tan,,fm
tan(,,,)F,F,tan(,,,)F mQPmQ
' FO'F'2FFN2N1 FNB FF'max1Fmin,AAB
FNAF F2FN2NA (b) (c) (d)
— 17 —
3-37 砖夹的宽度250mm,杆件AGB和GCED在点G铰接。砖重为W,提砖的合力F作用在砖夹的P
对称中心线上,尺寸如图所示。如砖夹与砖之间的静摩擦因数f = 0.5,试问d应为多大才能将砖夹起(ds是点G至到砖块上所受正压力作用线的距离)。
FBF GFP FFN2N1 d
'FWA N1F' (a) 习题3-37图
(b) ,F,0解:(1)整体(题图):,F = W (1) Py
W,F,0 (2)图(a): , (2) F,y2
,F = F ,F,0N1N2x
(3) F,fFN1
FWFF,,, (4) N1N2f2f
WW,,95W,30,,d,0 (3)图(b):,M,0,F,95,F,30,Fd,0,,mm d,110GPN122f
3-38 图示为凸轮顶杆机构,在凸轮上作用有力偶,其力偶矩为M,顶杆上作用有力F。已知顶杆与导Q轨之间的静摩擦因数为f,偏心距为e,凸轮与顶杆之间的摩擦可忽略不计。要使顶杆在导轨中向上运动而s
不致被卡住,试问滑道的长度l应为多少,
解:(1)对象:凸轮;受力图(b)
W, ,M,0, (1) F,ON2e
(2)对象:顶杆,受力图(a)
,F,0F,2F,F , (2) yQsN2
F,F,F ss1s2
F,fF (3) ssN1
式(1)、(3)代入(2),得 M F,fF, (4) 2习题3-38图 QsN1e
,M(F),0,F,l,F,e,M CN1N2
M F,FN1QleFFN1N2代入式(4),得
MMF F,f,, 2s1QsleOF'C'N1FMMefs12s l ,eMFe,F'QN2 2Mefs(a) (b) l, 即 minMFe,Q
3-39为轻便拉动重物P,将其放在滚轮O上,如图所示。考虑接 触处A、B的滚动摩阻,则作用在滚轮上的滚动阻力偶的转向是 。
(A)M为顺时针转向,M为逆时针转向; fAfB
(B)M为逆时针转向,M为顺时针转向; fAfB
(C)M、M均为逆时针转向; fAfB
(D)M、M均为顺时针转向。 fAfB 解:选择(C) 习题3-39图
— 18 —
因为滚轮相对于地面和相对于重物均为顺时针滚动,所以A、B处的滚动摩阻力偶均为逆时针转向。
3-40 图示物块重5kN,与水平面间的摩擦角, =35:,今欲用力F推动物块,F=5kN。则物块将 。 m
(A) 不动;
60? (B) 滑动;
(C) 处于临界平衡状态; F (D) 滑动与否不能确定。
解:选择(A)
因为重力与力F大小相等,故其合力的作用线与接触面法线之习题3-40图 间的夹角为30º,小于摩擦角,所以物块静止不动。
3-41在平面曲柄连杆滑块机构中,曲柄OA长r,作用有一矩为M的力偶,小滑块B于水平面之间的摩擦因数为f。OA水平。连杆与铅垂线的夹角为,,力与水平面成,角,求机构在图示位置保持平衡时力P的值。(不计机构自重,, ,, =arctanf ) m
解:取杆AB为研究对象,受力如图(a)。
FA FO M(a) ,; M,Fcos,r,0M,0F,,OAArcos,FPB F PB B取物块B为研究对象,设其有向右运动的趋 B, , 势,受力如图(b)。(F = F) BAF1 F 习题3-41图2 F,0, F,Psin,,Fcos,,0F,yN FNBN (b) (c) F,0, Fsin,,Pcos,,F,0,xB1
F,f,F1maxN
,,,,Msin,cosfMsin(,)mP,,,解得: minrcos,cos,,sin,frcos,cos(,,,)m
取物块B为研究对象,设其有向左运动的趋势,受力如图(c)。
F,0, Fsin,,Pcos,,F,0,xB2
F,f,F2maxN
,,,,Msin,cosfMsin(,)mP,,,其余方程不变,解得: maxrcos,cos,,sin,frcos,cos(,,,)m
,,,,Msin(,)Msin(,)mm,P,所以: rcos,cos(,,,)rcos,cos(,,,)mm
*3-42某人骑自行车匀速上一坡度为5%的斜坡,如图所示。人与自行车总重力的大小为820N,重心在点G。若不计前轮的摩擦,且后轮处于滑动的临界状态,求后轮与路面静摩擦因数为多大,若静摩擦因数加倍,加在后轮上的摩擦力为多大,为什麽可忽略前轮的摩擦力,
1解:设斜坡的倾角为,,则有, ,tan,20
受力如图所示。
M,0, ,B
(1080,460)Pcos,,700Psin,,F,1080,0N1
F,0F,Psin,,0, ,AB
F,f,FmaxsN1A F B ,1080sinP 解得: f,,0.082sFN1 FN2 ,,620cos,700sin
若静摩擦因数加倍,则加在后轮上的摩擦力为: 习题3-42解图 F,Psin,,40.95N
— 19 —
*3-43匀质杆AB和BC在B端铰接,A端铰接在墙上,C端则靠在墙上,如图所示。墙与C端接触处的摩擦因数f=0.5,两杆长度相等并重力相同,试确定平衡时的最大角, 。铰链中的摩擦忽略不计。
FFAy By
FBx FAx F
P F P FN
PF N
(b) (a) 习题3-43图
解:取整体为研究对象,受力如图(a)所示。设杆长为l。
,l,M,0, (1) 2sin,2cos,0FlP,AN222
取杆BC为研究对象,受力如图(b)所示。
l,,,M,0, (2) Flsin,Pcos,Flcos,0,BN2222
(3) F,f,FmaxN
,,解式(1)——(3),得: cos(2,fcot),022
,,不合题意,舍去; cos,02
,,,,28.07: cot,42
3-44 如图所示,圆柱体A与方块B匀重100N,置于倾角为30?的斜面上,若所有接触处的摩擦因数均f=0.5,试求保持系统平衡所需的力F的最小值。 s 1
解:取圆柱体A为研究对象,受力如图(a)所示。
F,0, (1) Psin30:,F,F,0,xAN2
M,0, (2) (F,F)r,0,AABA 习题3-44图
(3) F,fFABsN2FAB A FA 取方块B为研究对象,受力如图(b)所示。
,F,0, (4) Psin30:,F,F,F,0x ,xB1N2FFN1 N2 P
(a),F,0, (5) F,Pcos30:,F,0,yN3AB
′ FAB (6) F,fFBsN3F′ N2解式(1)——(6),得: B F,Psin30:(2,f),Pfcos30:,31.7N1ssF1 PF B
FN3 (b)
*3-45 如图所示,均质圆柱重W,半径为r,搁在不计自重的水平
杆和固定斜面之间。杆A端为光滑铰链,D端受一铅垂向上的力F作用,
圆柱上作用一力偶,已知F=W,圆柱与杆和斜面间的静滑动摩擦因数fS
皆为0.3,不计滚动阻碍。当,=45?时,AB=BD。试求此时能保持系统
静止的力偶矩M的最小值。
习题3-45图
— 20 —
解:取杆AD为研究对象,受力如图(a)所示。(设杆长l) FFAy NB l,; FM,0Fl,F,0F,2WB ,ANBNB2FAx 取圆柱O为研究对象,受力如图(b)所示。 (a) ,M,0, (1) Fr,M,Fr,0,OEBFNE ,, (2) F,0Fcos45:,Fsin45:,F,0,xNEEB
FE ,F,0, (3) F,Fsin45:,Fcos45:,W,0,yNBNEE
设E处的静摩擦力先达到最大值: F,fFEsNEF′ B327F′NB 由式(2)、(3)解得:; FW,F,W,F,0.6WEBBmax1313(b) ,由式(1)得: M,Fr,Fr,0.212WrminBE
*3-46 如图所示起重用抓具,由弯杆ABC和DEF组成,两根弯杆由BE杆的B、E两处用铰链连接,
抓具各部分的尺寸如图示。这种抓具是靠摩擦力抓取重物的。试求为了抓取重物,抓具与重物之间的静摩
擦因数应为多大(BE尺寸不计)。
习题3,46图 (a) (b) (c)
解(1)研究对象重物,受力图(a)
FQ F,,F,0,2F,F, (a) yQ2
FQf, , (b) F,F,fFsmaxsN2FN
(2)研究对象吊环,受力图(b)
, ,F,0F,FxDA
,F,0,2Fcos60:,F,F,F (c) yDQDQ
(3)研究对象弯杆CFED,受力图(c)
' ,F,0.6,F,0.2,F,0.15,0 ,M,0DNE
式(a)、(b)、(c)代入,得
FQ0.6F,0.1F,0.15,0 , f,0.15QQs2fs
— 21 —