③ 核心知识讲解
3.1 力在坐标轴上的投影
投影(大白话):用手电筒从正上方往下照,力在 x 轴上留下的“影子”有多长,就是它在 x 轴上的投影。
从力 F 的起点和终点分别向 x 轴、y 轴作垂线,两垂足之间的线段长度再加上正负号,就是投影 Fx、Fy。
Fx = ± F cos α Fy = ± F sin α (α 为力与 x 轴所夹的锐角)
➕➖ 正负号怎么定? 看分力的指向:分力指向与坐标轴正方向一致 → 正;相反 → 负。
⚠ 注意:分力 Fx、Fy 是矢量(带箭头);投影 Fx、Fy 是代数量(只是一个带正负号的数)。在直角坐标系里,二者大小相等。
👉 试一试:① θ = 0° 时,Fx = F、Fy = 0(力与轴平行,投影等于力的大小);② θ = 90° 时,Fx = 0(力与轴垂直,投影为零);③ 力转到第二、三象限,看看 Fx 什么时候变负。
3.2 合力投影定理 & 平面汇交力系的合成
平面汇交力系:各力在同一平面内,作用线交于一点(如吊钩上的几根绳子)。
合力投影定理:合力在某轴上的投影 = 各分力在同一轴上投影的代数和(带正负号相加)。
FRx = ΣFx FRy = ΣFy FR = √(FRx² + FRy²) tan α = |FRy / FRx|
🔑 平面汇交力系平衡 ⇔ 合力 FR = 0 ⇔ 力多边形自行封闭(最后一个力的箭头回到第一个力的起点)⇔ ΣFx = 0,ΣFy = 0。
🎬 动画对比:平面汇交力系的合成与平衡(2D vs 3D) 蓝=已知力 绿=合力 FR 红=待求力
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3.3 平面任意力系的简化(本课难点)
平面任意力系:各力在同一平面内,作用线既不全交于一点、也不全平行(车间里绝大多数构件的受力都是这样)。
怎么对付它?用上节课的力的平移定理:把每个力都平移到同一点 O(简化中心),每平移一个力,就附加一个力偶。
🎬 分步动画:把三个“乱七八糟”的力搬到 O 点
任意力系 ──平移到 O──▶ 汇交力系(合成为主矢 F′R)+ 力偶系(合成为主矩 MO)
🎬 动画对比:平面任意力系向一点简化(2D vs 3D) 蓝=原力 绿=平移后的力/主矢 紫=力偶/主矩
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3.4 平面任意力系的平衡方程
物体平衡 = 不移动也不转动。
不移动 ⇒ 汇交力系的合力 F′R = 0;不转动 ⇒ 力偶系的合力偶矩 MO = 0。两个条件必须同时满足。
ΣFx = 0 ΣFy = 0 ΣMO(F) = 0
翻译成大白话:左右的力抵消、上下的力抵消、绕任一点的转动抵消。三个独立方程,最多能解出 3 个未知量(一个物体)。矩心 O 可以任意选——选得巧,计算就简单。
👉 小技巧:先对 A 点列 ΣMA = 0,式子里没有 FA(它过矩心,力臂为零),一步就求出 FB;再用 ΣFy = 0 求 FA。
🎬 动画对比:平面任意力系的平衡方程(2D vs 3D) 蓝=已知力 红=待求约束力 紫=力矩
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3.5 三种特殊情况:方程变少了
| 力系 | 长什么样 | 平衡方程 | 能解几个未知量 |
| 平面汇交力系 | 各力交于一点(吊钩、绳结、二力杆铰接点) | ΣFx = 0,ΣFy = 0 | 2 个 |
| 平面平行力系 | 各力互相平行(梁上的竖直载荷、车轴受力) | ΣFy = 0,ΣMO(F) = 0 或二力矩式:ΣMA(F) = 0,ΣMB(F) = 0 | 2 个 |
| 平面力偶系 | 只有几个力偶(多轴钻床同时钻孔) | ΣM = 0 | 1 个 |
| 平面任意力系 | 一般情况 | ΣFx = 0,ΣFy = 0,ΣMO(F) = 0 | 3 个 |
图 平行力系 & 力偶系
平行力系二力矩式有个条件:A、B 两点的连线不能与各力平行;一矩式中投影轴不能与各力垂直。
力偶系作用在同一平面内的几个力偶。合成结果是一个合力偶:M = M₁ + M₂ + … + Mn = ΣMi(逆正顺负,代数相加)。平衡时 ΣMi = 0。
记一记力偶在任何轴上的投影都是 0,所以列投影方程时不写力偶;但列力矩方程时要把力偶矩直接加进去(不用乘力臂,也不管矩心在哪)。
🎬 动画对比:三种特殊力系的平衡方程(2D vs 3D) 蓝=已知力 红=待求力 紫=力偶
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3.6 例题精讲
例 1 悬臂吊车梁(平面任意力系)
题目:AB 是吊车梁,BC 是钢索,A 端为铰链支座。电葫芦和重物共重 G = 5 kN,钢索与梁夹角 θ = 25°,l = AB = 2.5 m,电葫芦距 A 点 a = 2 m,梁自重不计。求钢索 BC 的拉力和铰链 A 的约束力。
🔍 拖滑块发现:电葫芦越往 B 端跑,钢索拉力越大;跑到 B 端(a = l)时 FAy = 0,钢索拉力最大 11.83 kN。所以选钢索要按最危险位置计算,再乘安全系数。
例 2 三角支架(结果出现负号怎么办?)
题目:水平梁 AB 用铰链 A 和斜杆 CD 支承,AC = CB = l,斜杆与梁成 45°,B 端挂重物 G = 10 kN,不计自重。求铰链 A 和杆 CD 的受力。
解:(1) 取梁 AB,CD 是二力杆,力 FC 沿 DC 方向(先假设为压力);A 处画 FAx、FAy。
(2) 列方程(矩心选 A,消去两个未知力):
ΣMA = 0:FC·sin45°·l − G·2l = 0 ⇒ FC = 28.28 kN
ΣFx = 0:FAx + FCcos45° = 0 ⇒ FAx = −20 kN
ΣFy = 0:FAy + FCsin45° − G = 0 ⇒ FAy = −10 kN
❗ 算出负号不是算错了!它说明实际方向与假设方向相反:A 点实际受力向左 20 kN、向下 10 kN。受力图不用重画,答案里写清“负号表示方向相反”即可。
🎬 例 2 三角支架:算出负号怎么办?(2D vs 3D) 蓝=已知力 红=待求约束力
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例 3(教材例 1-6) 减速器齿轮轴:空间受力怎么变成平面问题?
对比要点:3D 看得到齿轮、轴承和箱体;2D 只保留轴线 + 力 + 尺寸,空间问题就变成了平面任意力系。
解:已知 F、a。取齿轮轴为研究对象,受力图见 2D 图。
ΣFx = 0:F − FBx = 0 ⇒ FBx = F
ΣMB(F) = 0:−FAy·3a + F·2a + 2F·a − F·a = 0 ⇒ FAy = F
ΣFy = 0:FAy + FBy − F − 2F = 0 ⇒ FBy = 2F
🔍 注意力矩方程里的 “−F·a”:锥齿轮上的水平轴向力虽然是横着的,但它的作用线在轴线上方 a 处,对 B 点有力臂 a,会产生顺时针力矩——这正是“用力的平移原理建立平衡方程”的关键。
🎬 例 3 减速器齿轮轴:空间受力怎么变成平面问题?(2D vs 3D) 蓝=已知力 红=待求约束力
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3.7 功率和效率
功率 P:单位时间内做的功,P = W / t,单位 W(瓦)或 kW。它代表机器“干活的本事”,电动机、机床铭牌上都标有额定功率。
直线运动:P = F · v 回转运动:M = 9550 P / n
F—作用力(N);v—速度(m/s);M—转矩(N·m);P—功率(kW);n—转速(r/min)
机械效率 η:机器稳定工作时,有用功率 P1 与输入功率 P 之比:η = P1 / P,P = P1 + P2(P2 是摩擦、发热等无用功率)。η 总是小于 1。
⚠ 功率大小和效率高低无关:功率大≠效率高,效率高≠功率大。
🧪 功率计算台
💬 课堂讨论:汽车爬坡用高速挡还是低速挡?带传动为什么放在高速级?
① 发动机功率 P 基本一定,由 F = P / v:速度越低,牵引力越大。所以爬坡要换低速挡,用速度换力气。
② 由 M = 9550P / n:功率一定时,转速越高,转矩越小。带传动靠摩擦力工作,转矩小、带受的拉力就小,不容易打滑,所以把带传动布置在电动机出来的高速级。
例 4(教材例 1-7) 车削外圆:切削力、功率和电动机功率
题目:车刀车削直径 d = 200 mm 的外圆,主轴转速 n = 180 r/min,主轴转矩 M = 250 N·m,传动效率 η = 0.8。求:(1) 切削力和切削速度;(2) 切削功率;(3) 电动机功率。
(1) F = M ÷ (d/2) = 250 ÷ 0.1 = 2500 N;v = (d/2)·(πn/30) = 0.1 × 3.14 × 180 ÷ 30 = 1.884 m/s(π 取 3.14,与教材一致)
(2) P1 = M·n / 9550 = 250 × 180 ÷ 9550 ≈ 4.712 kW(验算:F·v = 2500 × 1.884 ≈ 4.71 kW ✔)
(3) P = P1 / η = 4.712 ÷ 0.8 ≈ 5.890 kW
⚠ d = 200 mm 先换成 0.2 m,半径 d/2 = 0.1 m。
图 车削:工件转、车刀不动,切削力 F 阻碍工件转动