静力学：速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 12 道练习题，完整解答附在最后。

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1公式与方法

向量：点积和叉积

模: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
单位向量: û = a/|a|
由角度求分量: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
点积: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
a 在 b 上的标量投影: a·b/|b|
功: W = F·d
叉积: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
面积: 平行四边形 |a × b|，三角形 ½|a × b|
对 O 的力矩: M_O = r × F, r = A − O
平行六面体的体积: V = |a·(b × c)|

方法

把每个向量都写成分量形式；对于由大小和角度给出的力，用 F·cos θ 和 F·sin θ。
求长度和方向时，用模 √(x² + y² + z²) 和单位向量 a/|a|。
求夹角、投影、垂直关系和功时，用点积：a·b = |a||b|cos θ。
求垂直向量、面积和力矩时，用叉积：仔细写出三个分量，并保持 a × b 的顺序。

梁的支座反力

平衡: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
均布荷载: 合力 w·L 作用在荷载中点
力矩: M = F·d

方法

画受力图，并用支座反力代替每个支座。
用作用在形心处的单个集中力代替每个分布荷载。
对一个支座取矩，求另一个支座的反力。
用 ΣF_y = 0 求剩下的反力，并用第二个力矩方程验算。

桁架：节点法

节点法: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
截面法: ΣM = 0 about a cut point
杆件内力: 正 = 拉，负 = 压

方法

求整个桁架的支座反力。
节点法：从未知杆力不超过两个的节点开始，使用 ΣF_x = 0 和 ΣF_y = 0。
截面法：截断所需的杆件，对其他未知杆件的交点取矩。
假设杆件受拉；答案为负表示受压。

框架与机器

每根杆件的平衡: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
二力杆: 力沿通过其两个销钉的直线作用
销钉力: 作用在其连接的两根杆件上，大小相等、方向相反
销钉力的大小: F = √(F_x² + F_y²)
杠杆、钳子、曲柄摇臂: F_in·a = F_out·b
肘节机构: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
均布荷载: 合力 w·L 作用在荷载中点

方法

画出整个结构，若未知量不超过三个，就先求支座反力。
找出二力杆：只在两个销钉处受力，其力沿两销钉之间的连线作用。
把框架拆开，分别画出每根杆件，在杆件相连处画出大小相等、方向相反的销钉力。
对每根杆件，对有未知力的销钉取矩，再用 ΣF_x = 0 和 ΣF_y = 0；最后把分量合成为大小。

剪力和弯矩

剪力和弯矩: V = 一侧的 ΣF， M = 一侧的 ΣF·d
弯曲应力: σ = M·y/I
矩形: I = bh³/12
抗弯截面系数: W = I/y_max
简支梁，均布荷载: M_max = wL²/8

方法

由整根梁的平衡求支座反力。
在所需截面处截开梁，保留一侧。
剪力：该侧所有竖向力之和。弯矩：这些力对截面取矩之和。
求最大弯矩时，找出剪力为零的位置。

形心和惯性矩

形心: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
矩形: I = bh³/12
平行移轴定理: I = I_c + A·d²
组合截面: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2练习题

1.向量：点积和叉积中等

一个恒力 F = (10, −30, 15) N 作用在物体上，物体沿直线从点 A(0, 2, 1) 运动到点 B(−4, 4, −4)。坐标单位为米。求该力所做的功 W。

F = (10, −30, 15) NA(0, 2, 1) mB(−4, 4, −4) m

W = J

2.向量：点积和叉积困难

一个力 F = (20, −10, −20) N 作用在点 A(4, −4, 2)。坐标单位为米。求该力对点 O(0, 3, −1) 的力矩的大小 |M|。

F = (20, −10, −20) NA(4, −4, 2) mO(0, 3, −1) m

|M| = N·m

3.梁的支座反力中等

简支梁在 A 处为铰支座，在 B 处为滚动支座。求竖向支座反力 R_A。

L = 5 mP₁ = 45 kN 位于 1 mP₂ = 20 kN 位于 2.5 m

R_A = kN

4.梁的支座反力困难

简支梁在 A 处为铰支座，在 B 处为滚动支座。求竖向支座反力 R_B。

L = 4 mP = 55 kN 位于 1.5 mw = 3 kN/m，从 0 到 2 m

R_B = kN

5.桁架：节点法中等

用节点法求杆 BC 中的力 F_BC。拉力为正，压力为负。

跨度 = 6 m高度 = 3 mB 距 A 1 m竖向荷载 = 20 kN

F_BC = kN

6.桁架：节点法困难

在这些荷载下，这个桁架中恰有一根杆件不受力。哪一根是零杆？请在图中点击它。

B: 40 kN ↓C: 10 kN ↓F: 20 kN ↓G: 10 kN ↓H: 10 kN ←

1杆件 AB
2杆件 BC
3杆件 CD
4杆件 DE
5杆件 FG
6杆件 GH
7杆件 AF
8杆件 HE
9杆件 BF
10杆件 CG
11杆件 DH
12杆件 FC
13杆件 HC

7.框架与机器中等

水平梁 AB 在 A 处铰接于墙上，并由撑杆 CD 支撑，撑杆铰接于墙上 C 点，C 在 A 下方 0.8 m。B 处悬挂 10 kN 的载荷。忽略自重。求 A 处作用在梁上的销钉力的大小 A。

P = 10 kNAD = 0.8 mAB = 2.4 mAC = 0.8 m

A = kN

8.框架与机器困难

图示 A 形框架支承在 A 处的铰支座和 B 处的滚轴上，二者相距 3 m，顶部销钉 C 高 4 m，水平拉杆 DE 距地面 1 m。腿 AC 上的 K 点距 A 水平 0.9 m，作用 2 kN 的竖直载荷。求销钉 C 作用在腿 BC 上的力的大小 C。

P = 2 kNAB = 3 mC 的高度 = 4 mDE 的高度 = 1 mA 到 K 的水平距离 = 0.9 m

C = kN

9.剪力和弯矩中等

简支梁承受两个集中荷载。求梁中的最大弯矩 M_max。

L = 5 mP₁ = 10 kN 位于 3 mP₂ = 15 kN 位于 3.5 m

M_max = kN·m

10.剪力和弯矩困难

求距支座 A 为 x = 2 m 的截面处的弯矩 M_x。下侧受拉的弯矩取正，左侧截面上向上的剪力取正。

L = 6 mP = 15 kN 位于 2 mw = 2 kN/m，从 0 到 6 mx = 2 m

M_x = kN·m

11.形心和惯性矩中等

空心矩形（箱形）截面的外宽 B = 220 mm，外高 H = 325 mm，壁厚均为 t = 18 mm。求其对水平形心轴的回转半径 r。

B = 220 mmH = 325 mmt = 18 mm

r = mm

12.形心和惯性矩困难

焊接工字形截面的上翼缘为 110 × 16 mm，腹板高 390 mm、厚 16 mm，下翼缘为 290 × 20 mm（宽 × 厚）。求其对通过形心的水平轴 x 的惯性矩 I_x。

上翼缘: 110 × 16 mm腹板: 16 × 390 mm下翼缘: 290 × 20 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3溶液

1.向量：点积和叉积

答案: W = −175 J

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

位移

d = B − A = (−4, 4, −4) − (0, 2, 1) = (−4, 2, −5) m

功

W = F·d = 10·(−4) + (−30)·2 + 15·(−5) = −175 J

答案

W = −175 J

负功：力主要与运动方向相反。

2.向量：点积和叉积

答案: |M| = 241.9 N·m

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is M_O = r × F, with r = A − O.

从 O 到 A 的位置向量

r = A − O = (4, −4, 2) − (0, 3, −1) = (4, −7, 3) m

力矩 M = r × F

(r × F)_x = r_yF_z − r_zF_y = (−7)·(−20) − 3·(−10) = 170 N·m

(r × F)_y = r_zF_x − r_xF_z = 3·20 − 4·(−20) = 140 N·m

(r × F)_z = r_xF_y − r_yF_x = 4·(−10) − (−7)·20 = 100 N·m

模

|M| = √(170² + 140² + 100²) = 241.9 N·m

答案

|M| = 241.9 N·m

3.梁的支座反力

答案: R_A = 46 kN

静力平衡：静止物体对任意点满足 ΣF_x = 0、ΣF_y = 0 和 ΣM = 0。对一个支座取矩可从方程中消去该支座的反力。

受力图

用反力代替支座。滚动支座提供一个竖向反力；只有竖向荷载时，铰支座也只提供一个竖向反力。

平衡

对 A 取矩，逆时针为正。然后列竖向力平衡。

ΣM_A = 0: R_B·5 = 45·1 + 20·2.5

R_B = 95/5 = 19 kN

ΣF_y = 0: R_A = 65 − 19 = 46 kN

答案

R_A = 46 kN

4.梁的支座反力

答案: R_B = 22.13 kN

静力平衡：静止物体对任意点满足 ΣF_x = 0、ΣF_y = 0 和 ΣM = 0。对一个支座取矩可从方程中消去该支座的反力。

受力图

用反力代替支座。滚动支座提供一个竖向反力；只有竖向荷载时，铰支座也只提供一个竖向反力。

平衡

对 A 取矩，逆时针为正。然后列竖向力平衡。

均布荷载合力：W = w·ℓ = 3·2 = 6 kN，作用于 x̄ = 1 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 55·1.5 + 3·2·1

R_B = 88.5/4 = 22.13 kN

ΣF_y = 0: R_A = 61 − 22.13 = 38.88 kN

答案

R_B = 22.13 kN

5.桁架：节点法

答案: F_BC = −6.479 kN

节点法：桁架的每个节点都处于平衡，因此每个节点满足 ΣF_x = 0 和 ΣF_y = 0。从未知杆力不超过两个的节点开始。结果为负表示该杆受压。

支座反力

整个桁架的平衡。对 A 取矩，逆时针为正。

ΣM_A = 0: C_y·6 = 20·1 → C_y = 3.333 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 3.333 = 16.67 kN

节点 C

滚动支座只提供竖向反力，所以节点 C 只有两个未知杆力。假设两者都受拉。

sin γ = 3/5.831 = 0.5145, cos γ = 5/5.831 = 0.8575

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −3.333/0.5145 = −6.479 kN

答案

F_BC = −6.479 kN (受压)

6.桁架：节点法

答案: 杆件 DH

零杆：在节点处，各方向上的力都必须平衡。如果一个节点没有荷载也没有支座，且它的三根杆件中有两根共线，那么垂直于该直线方向上的平衡只涉及第三根杆件，所以它的力为零。如果在一个无荷载节点处只有两根杆件相交且不共线，则两根都是零杆。

节点 D

CD 和 DE 在同一条直线上，且该节点不受荷载。在垂直于该直线的方向上平衡力，只剩下 DH。

ΣF⊥ = 0 → F_DH = 0

用节点法检验

解出所有节点，得到这些杆件力（T = 受拉，C = 受压）。

AB: 47.5 kN (T), BC: 47.5 kN (T), CD: 22.5 kN (T), DE: 22.5 kN (T), FG: 55 kN (C), GH: 55 kN (C), AF: 81.32 kN (C), HE: 31.82 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 10 kN (C), DH: 0, FC: 3.536 kN (C), HC: 31.82 kN (T)

答案

零杆: DH

7.框架与机器

答案: A = 36.06 kN

框架与机器：与桁架不同，框架至少含有一根在两个以上的点受力、或在两销钉之间受载荷的杆件。首先找出二力杆：只在两个销钉处受力的杆件，其力沿通过两销钉的直线，因此只增加一个未知量，而不是两个。当未知量不超过三个时，用整个结构求支座反力。最后把框架拆开：分别画出每根杆件，在它们相连的两根杆件上画出大小相等、方向相反的销钉力，并写出 ΣF_x = 0、ΣF_y = 0 和 ΣM = 0。对某个销钉取矩，会使该销钉力的两个分量都从方程中消去。

撑杆力

F_CD = 10·2.4/(0.7071·0.8) = 42.43 kN

A 处的分量

A_x = F_CD·cos α = 30 kN （指向墙）

A_y = 10 − F_CD·sin α = −20 kN

模

A = √(30² + −20²) = 36.06 kN

答案

A = 36.06 kN

A_y 为负，表示墙在 A 处向下拉梁。

8.框架与机器

答案: C = 0.6708 kN

B 处的支座反力

B_y = 2·0.9/3 = 0.6 kN

拉杆力

T = 0.6·1.5/3 = 0.3 kN

BC 上的销钉力

C_x = 0.3 kN, C_y = −0.6 kN

C = √(0.3² + 0.6²) = 0.6708 kN

答案

C = 0.6708 kN

9.剪力和弯矩

答案: M_max = 25.5 kN·m

截面法：在需要求内力的位置截开梁，保留一侧。剪力 V 平衡该侧的竖向力，弯矩 M 平衡这些力对截面的矩。 最大弯矩：由于 dM/dx = V，弯矩的峰值出现在剪力过零的位置，可能在集中荷载处，也可能在分布荷载范围内。

支座反力

整根梁的平衡。

ΣM_A = 0: R_B·5 = 10·3 + 15·3.5

R_B = 82.5/5 = 16.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 25 − 16.5 = 8.5 kN

各荷载处的弯矩

保留每个荷载左侧的部分。

荷载点 P₁: M = R_A·3 = 8.5·3 = 25.5 kN·m

荷载点 P₂: M = R_B·1.5 = 16.5·1.5 = 24.75 kN·m

最大值

M_max = 25.5 kN·m (荷载点 P₁)

答案

M_max = 25.5 kN·m

10.剪力和弯矩

答案: M_x = 28 kN·m

截面法：在需要求内力的位置截开梁，保留一侧。剪力 V 平衡该侧的竖向力，弯矩 M 平衡这些力对截面的矩。

支座反力

整根梁的平衡。

均布荷载合力：W = w·ℓ = 2·6 = 12 kN，作用于 x̄ = 3 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 15·2 + 2·6·3

R_B = 66/6 = 11 kN

ΣF_y = 0: R_A = 27 − 11 = 16 kN

在 x = 2 m 处截开，保留左侧部分

只考虑截面左侧的力。一段均布荷载等效为作用在该段中点的一个集中力。

M = R_A·x − （截面左侧每个荷载 × 其到截面的距离）

M_x = 16·2 − 2·2·1 = 28 kN·m

答案

M_x = 28 kN·m

11.形心和惯性矩

答案: r = 118.9 mm

惯性矩：矩形对自身形心轴的惯性矩为 I = bh³/12，对其底边为 bh³/3（平行移轴定理 I = I_c + A·d²）。孔洞的处理方法是减去它的 I，前提是两部分对同一根轴计算。弹性抗弯截面系数为 S = I/c，其中 c 为到最外边缘纤维的距离。回转半径 r = √(I/A) 是这样一个距离：全部面积集中在该距离处时得到相同的 I；它用于压杆屈曲计算。

净面积和惯性矩

b = 184 mm, h = 289 mm

A = BH − bh = 220·325 − 184·289 = 18324 mm²

I = (BH³ − bh³)/12 = 2.592 × 10⁸ mm⁴

回转半径

r = √(I/A) = √(2.592 × 10⁸/18324) = 118.9 mm

答案

r = 118.9 mm

12.形心和惯性矩

答案: I_x = 345.5 × 10⁶ mm⁴

组合截面：将截面分成若干矩形。形心为面积加权平均 ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ。对形心轴的惯性矩等于各部分自身的 bh³/12 加上平行移轴项 A·d²，其中 d 为该部分形心到整体形心的距离。弯曲应力 σ = M·y/I。

分成三个矩形

每个 y 都从底边量起。

上翼缘: A = 1760 mm², y = 418 mm

腹板: A = 6240 mm², y = 215 mm

下翼缘: A = 5800 mm², y = 10 mm

形心

ȳ = (1760·418 + 6240·215 + 5800·10)/13800 = 154.7 mm

平行移轴定理

上翼缘: 110·16³/12 + 1760·263.3² = 1.22 × 10⁸ mm⁴

腹板: 16·390³/12 + 6240·60.27² = 1.018 × 10⁸ mm⁴

下翼缘: 290·20³/12 + 5800·144.7² = 1.217 × 10⁸ mm⁴

I_x = 1.22 × 10⁸ + 1.018 × 10⁸ + 1.217 × 10⁸

I_x = 3.455 × 10⁸ mm⁴ = 345.5 × 10⁶ mm⁴

答案

I_x = 345.5 × 10⁶ mm⁴

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