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| = √(ax² + ay² + az²)
单位向量
û = a/|a|
由角度求分量
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
点积
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a 在 b 上的标量投影
a·b/|b|
功
W = F·d
叉积
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
面积
平行四边形 |a × b|，三角形 ½|a × b|
对 O 的力矩
MO = r × F, r = A − O
平行六面体的体积
V = |a·(b × c)|

方法

  1. 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。
  2. 求长度和方向时，用模 √(x² + y² + z²) 和单位向量 a/|a|。
  3. 求夹角、投影、垂直关系和功时，用点积：a·b = |a||b|cos θ。
  4. 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
ΣFx = 0, ΣFy = 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

  1. 画受力图，并用支座反力代替每个支座。
  2. 用作用在形心处的单个集中力代替每个分布荷载。
  3. 对一个支座取矩，求另一个支座的反力。
  4. 用 ΣFy = 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
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
截面法
ΣM = 0 about a cut point
杆件内力
正 = 拉，负 = 压

方法

  1. 求整个桁架的支座反力。
  2. 节点法：从未知杆力不超过两个的节点开始，使用 ΣFx = 0 和 ΣFy = 0。
  3. 截面法：截断所需的杆件，对其他未知杆件的交点取矩。
  4. 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
ΣFx = 0, ΣFy = 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 = √(Fx² + Fy²)
杠杆、钳子、曲柄摇臂
Fin·a = Fout·b
肘节机构
Flink = 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

  1. 画出整个结构，若未知量不超过三个，就先求支座反力。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 对每根杆件，对有未知力的销钉取矩，再用 ΣFx = 0 和 ΣFy = 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/ymax
简支梁，均布荷载
Mmax = wL²/8

方法

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

形心和惯性矩

形心
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
矩形
I = bh³/12
平行移轴定理
I = Ic + A·d²
组合截面
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2练习题

1.向量：点积和叉积中等
xyzdFAB

一个恒力 F = (30, −20, 20) N 作用在物体上，物体沿直线从点 A(3, 1, −1) 运动到点 B(2, 1, 4)。坐标单位为米。求该力所做的功 W。

F = (30, −20, 20) NA(3, 1, −1) mB(2, 1, 4) m
W = J
2.向量：点积和叉积困难
xyzabc

求平行六面体的体积 V，其从一个顶点出发的三条棱为 a = (−2, 3, 3)、b = (−5, −5, −5) 和 c = (1, 4, 3)。

a = (−2, 3, 3)b = (−5, −5, −5)c = (1, 4, 3)
V =
3.梁的支座反力中等
P1​ = 50 kNP2​ = 45 kNABRA​ = ?RB​4 m3 m3 m

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 RA。

L = 10 mP1 = 50 kN 位于 4 mP2 = 45 kN 位于 7 m
RA = kN
4.梁的支座反力困难
w = 12 kN/mP = 10 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m1 m

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 RB。

L = 4 mP = 10 kN 位于 3 mw = 12 kN/m，从 0 到 1 m
RB = kN
5.桁架：节点法中等
ABBCACACB50 kN6 m4 m2 m

用节点法求杆 BC 中的力 FBC。拉力为正，压力为负。

跨度 = 6 m高度 = 2 mB 距 A 4 m竖向荷载 = 50 kN
FBC = kN
6.桁架：节点法困难
ABCDEFGH30 kN10 kN10 kN30 kN4 × 3 m3 m

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: 30 kN ↓F: 10 kN →G: 10 kN ↓H: 30 kN ↓
  1. 1杆件 AB
  2. 2杆件 BC
  3. 3杆件 CD
  4. 4杆件 DE
  5. 5杆件 FG
  6. 6杆件 GH
  7. 7杆件 AF
  8. 8杆件 HE
  9. 9杆件 BF
  10. 10杆件 CG
  11. 11杆件 DH
  12. 12杆件 FC
  13. 13杆件 HC
7.框架与机器中等
200 NQ = ?12°ABC

图示肘节夹具中，两根相等的连杆 AB 和 BC 在 B 处铰接，每根与直线 AC 成 12° 角。B 处施加 200 N 的向下力。滑块 C 压在工件上。忽略摩擦和自重，求水平夹紧力 Q。

F = 200 Nθ = 12°
Q = N
8.框架与机器困难
8 kN5 m0.8 m1.7 m1.5 mABCDEK

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 5 m，顶部销钉 C 高 2.5 m，水平拉杆 DE 距地面 0.8 m。腿 AC 上的 K 点距 A 水平 1.5 m，作用 8 kN 的竖直载荷。求销钉 C 作用在腿 BC 上的力的大小 C。

P = 8 kNAB = 5 mC 的高度 = 2.5 mDE 的高度 = 0.8 mA 到 K 的水平距离 = 1.5 m
C = kN
9.剪力和弯矩中等
15 kN/m55 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

标记 A 到 G 把梁分成六等份。在哪个标记点处弯矩的绝对值最大，不论是正弯矩还是负弯矩？请在图中点击它。

55 kN @ 6 m15 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
10.剪力和弯矩困难
10 kN/m55 kN40 kN30 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

标记 A 到 G 把梁分成六等份。在哪个标记点处弯矩的绝对值最大，不论是正弯矩还是负弯矩？请在图中点击它。

55 kN @ 0 m40 kN @ 12 m30 kN @ 6 m10 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
11.形心和惯性矩中等
120 mm200 mm120 mmØ60xIx​ = ?

一块 120 mm × 200 mm 的板在其竖直中心线上有一个直径 60 mm 的圆孔，孔心在底边之上 120 mm 处。求关于通过形心的水平轴的截面二次矩 Ix。

b = 120 mmh = 200 mmd = 60 mm孔心: y = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.形心和惯性矩困难
2203030016xM = 25 kN·m尺寸单位为 mm

T 形截面作为梁使用，翼缘在上，承受 25 kN·m 的正弯矩。 求顶边弯曲应力 σ顶部 的大小。

bf = 220 mmtf = 30 mmtw = 16 mmhw = 300 mmM = 25 kN·m
σ顶部 = MPa

3溶液

1.向量：点积和叉积

答案: W = 70 J

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |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 = (2, 1, 4) − (3, 1, −1) = (−1, 0, 5) m

功

W = F·d = 30·(−1) + (−20)·0 + 20·5 = 70 J

答案

W = 70 J
2.向量：点积和叉积

答案: V = 25

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) 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 MO = r × F, with r = A − O.

叉积 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−5)·3 − (−5)·4 = 5
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·1 − (−5)·3 = 10
(b × c)z = bxcy − bycx = (−5)·4 − (−5)·1 = −15

与 a 的点积

a·(b × c) = (−2)·5 + 3·10 + 3·(−15) = −25
V = |−25| = 25

答案

V = 25
3.梁的支座反力

答案: RA = 43.5 kN

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

P1​ = 50 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​4 m3 m3 m

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。

ΣMA = 0: RB·10 = 50·4 + 45·7
RB = 515/10 = 51.5 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 51.5 = 43.5 kN

答案

RA = 43.5 kN
4.梁的支座反力

答案: RB = 9 kN

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

w = 12 kN/mP = 10 kNABRA​RB​1 m2 m1 m

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 = 12·1 = 12 kN，作用于 x̄ = 0.5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 10·3 + 12·1·0.5
RB = 36/4 = 9 kN
ΣFy = 0: RA = 22 − 9 = 13 kN

答案

RB = 9 kN
5.桁架：节点法

答案: FBC = −47.14 kN

节点法：桁架的每个节点都处于平衡，因此每个节点满足 ΣFx = 0 和 ΣFy = 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。

ABBCACACB50 kNAy​Cy​

支座反力

整个桁架的平衡。对 A 取矩，逆时针为正。

ΣMA = 0: Cy·6 = 50·4 → Cy = 33.33 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 33.33 = 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 = 2/2.828 = 0.7071, cos γ = 2/2.828 = 0.7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −33.33/0.7071 = −47.14 kN

答案

FBC = −47.14 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 → FDH = 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: 42.5 kN (T), BC: 42.5 kN (T), CD: 37.5 kN (T), DE: 37.5 kN (T), FG: 45 kN (C), GH: 45 kN (C), AF: 45.96 kN (C), HE: 53.03 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 10 kN (C), DH: 0, FC: 3.536 kN (T), HC: 10.61 kN (T)

答案

零杆: DH
7.框架与机器

答案: Q = 470.5 N

机器：钳子、杠杆、连杆机构和夹具把输入力转化为更大或方向不同的输出力。把其中一个部件画成分离体，并对其枢轴取矩：销钉力消去，Fin·a = Fout·b 给出机械利益 a/b。然后对同一部件用 ΣF = 0 求销钉力。在肘节机构中，两根连杆以较小的角度 θ 相交；每根连杆是二力杆，所以接头处的小力 F 会产生很大的连杆力 F/(2 sin θ) 和夹紧力 F/(2 tan θ)。

销钉 B 的平衡

2·Flink·sin 12° = 200
Flink = 481 N

夹紧力

Q = Flink·cos 12° = 200/(2·tan 12°) = 470.5 N

答案

Q = 470.5 N

随着连杆伸直，力比 Q/F = 2.352 会无限增大。

8.框架与机器

答案: C = 4.268 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 ΣFx = 0、ΣFy = 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。

B 处的支座反力

By = 8·1.5/5 = 2.4 kN

拉杆力

T = 2.4·2.5/1.7 = 3.529 kN

BC 上的销钉力

Cx = 3.529 kN, Cy = −2.4 kN
C = √(3.529² + 2.4²) = 4.268 kN

答案

C = 4.268 kN
9.剪力和弯矩

答案: D (x = 6 m)

最大弯矩：只要剪力变化，M 的斜率就随之变化，所以它的峰值出现在剪力过零的地方：集中荷载下、均布荷载内部，或外伸梁的支座上方。悬臂梁固定端的弯矩在墙处最大。比较这些位置上 M 的大小，不论是正弯矩还是负弯矩。

支座反力

对一个支座取矩，然后用竖向力平衡。

R1 = 87.5 kN, R2 = 87.5 kN

每个标记点处的弯矩

把截面一侧所有力的力矩相加。使梁下凹（正弯矩）为正，使梁上凸（负弯矩）为负。

MA = 0, MB = 175, MC = 320, MD = 405 kN·m, ME = 320, MF = 175, MG = 0

答案

标记点 D: MD = 405 kN·m
10.剪力和弯矩

答案: B (x = 2 m)

最大弯矩：只要剪力变化，M 的斜率就随之变化，所以它的峰值出现在剪力过零的地方：集中荷载下、均布荷载内部，或外伸梁的支座上方。悬臂梁固定端的弯矩在墙处最大。比较这些位置上 M 的大小，不论是正弯矩还是负弯矩。

支座反力

对一个支座取矩，然后用竖向力平衡。

R1 = 113.8 kN, R2 = 91.25 kN

每个标记点处的弯矩

把截面一侧所有力的力矩相加。使梁下凹（正弯矩）为正，使梁上凸（负弯矩）为负。

MA = 0, MB = −110 kN·m, MC = −12.5, MD = 45, ME = 2.5, MF = −80, MG = 0

答案

标记点 B: MB = −110 kN·m
11.形心和惯性矩

答案: Ix = 78.08 × 10⁶ mm⁴

带孔的截面：把孔当作负面积。形心为 ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)，其中 A₁、y₁ 对应完整的板，A₂、y₂ 对应孔。对形心轴的截面二次矩，对每一部分使用平行轴定理，再减去孔：I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²)，其中 d 是各部分自身形心到通过 ȳ 的轴的距离。矩形的 Ic = bh³/12，圆的 Ic = πd⁴/64。

形心

ȳ = (24000·100 − 2827·120)/(24000 − 2827) = 97.33 mm

完整的板关于 ȳ

120·200³/12 + 24000·2.671² = 80.17 × 10⁶ mm⁴

孔关于 ȳ

π·60⁴/64 + 2827·22.67² = 2.089 × 10⁶ mm⁴

相减

Ix = 78.08 × 10⁶ mm⁴

答案

Ix = 78.08 × 10⁶ mm⁴
12.形心和惯性矩

答案: σ顶部 = 18.83 MPa

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。

分成两个矩形

每个 y 都从底边量起。

翼缘: Af = 220·30 = 6600 mm², yf = 300 + 30/2 = 315 mm
腹板: Aw = 16·300 = 4800 mm², yw = 300/2 = 150 mm

形心

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6600·315 + 4800·150)/11400 = 245.5 mm

平行移轴定理

翼缘: 220·30³/12 + 6600·(315 − 245.5)² = 3.235 × 10⁷ mm⁴
腹板: 16·300³/12 + 4800·(150 − 245.5)² = 7.98 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3.235 × 10⁷ + 7.98 × 10⁷ = 1.122 × 10⁸ mm⁴

弯曲应力

顶边距中性轴 h − ȳ。

y = 330 − 245.5 = 84.47 mm
σ = M·y/I = 2.5 × 10⁷·84.47/1.122 × 10⁸ = 18.83 MPa

答案

σ顶部 = 18.83 MPa

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