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 = (20, −25, −10) N 作用在物体上，物体沿直线从点 A(4, −2, 5) 运动到点 B(−4, 1, −3)。坐标单位为米。求该力所做的功 W。

F = (20, −25, −10) NA(4, −2, 5) mB(−4, 1, −3) m

W = J

2.向量：点积和叉积困难

求平行六面体的体积 V，其从一个顶点出发的三条棱为 a = (−1, −5, −3)、b = (1, 5, −1) 和 c = (−5, 0, 4)。

a = (−1, −5, −3)b = (1, 5, −1)c = (−5, 0, 4)

V =

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 = 10 mP₁ = 60 kN 位于 7 mP₂ = 10 kN 位于 8 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_A。

L = 8 mP = 25 kN 位于 1 mw = 6 kN/m，从 4 到 7 m

R_A = kN

5.桁架：节点法中等

用节点法求杆 AB 中的力 F_AB。拉力为正，压力为负。

跨度 = 8 m高度 = 3 mB 距 A 2 m竖向荷载 = 20 kN

F_AB = kN

6.桁架：节点法困难

用节点法求杆 AB 中的力 F_AB。拉力为正，压力为负。

跨度 = 6 m高度 = 4 mB 距 A 2 m竖向荷载 = 15 kN水平荷载 = 30 kN →

F_AB = kN

7.框架与机器中等

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 4 m，顶部销钉 C 高 4 m，水平拉杆 DE 距地面 1.5 m。腿 AC 上的 K 点距 A 水平 1.2 m，作用 15 kN 的竖直载荷。求拉杆中的拉力 T。

P = 15 kNAB = 4 mC 的高度 = 4 mDE 的高度 = 1.5 mA 到 K 的水平距离 = 1.2 m

T = 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 3.2 m，顶部销钉 C 高 4.5 m，水平拉杆 DE 距地面 1 m。腿 AC 上的 K 点距 A 水平 1.2 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 = 3.2 mC 的高度 = 4.5 mDE 的高度 = 1 mA 到 K 的水平距离 = 1.2 m

C = kN

9.剪力和弯矩中等

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 @ 3 m35 kN @ 2 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

10.剪力和弯矩困难

求距支座 A 为 x = 0.5 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 = 5 mP = 40 kN 位于 2.5 mw = 8 kN/m，从 0 到 5 mx = 0.5 m

M_x = kN·m

11.形心和惯性矩中等

一块 100 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 80 mm 处。求关于通过形心的水平轴的截面二次矩 I_x。

b = 100 mmh = 200 mmd = 60 mm孔心: y = 80 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.形心和惯性矩困难

一块 100 mm × 240 mm 的板有一个宽 60 mm、高 40 mm 的矩形切口，位于竖直中心线上，切口中心在底边之上 84 mm 处。求关于通过形心的水平轴的截面二次矩 I_x。

b = 100 mmh = 240 mm切口: 60 × 40 mm孔心: y = 84 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3溶液

1.向量：点积和叉积

答案: W = −155 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, 1, −3) − (4, −2, 5) = (−8, 3, −8) m

功

W = F·d = 20·(−8) + (−25)·3 + (−10)·(−8) = −155 J

答案

W = −155 J

负功：力主要与运动方向相反。

2.向量：点积和叉积

答案: V = 100

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.

叉积 b × c

(b × c)_x = b_yc_z − b_zc_y = 5·4 − (−1)·0 = 20

(b × c)_y = b_zc_x − b_xc_z = (−1)·(−5) − 1·4 = 1

(b × c)_z = b_xc_y − b_yc_x = 1·0 − 5·(−5) = 25

与 a 的点积

a·(b × c) = (−1)·20 + (−5)·1 + (−3)·25 = −100

V = |−100| = 100

答案

V = 100

3.梁的支座反力

答案: R_A = 20 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·10 = 60·7 + 10·8

R_B = 500/10 = 50 kN

ΣF_y = 0: R_A = 70 − 50 = 20 kN

答案

R_A = 20 kN

4.梁的支座反力

答案: R_A = 27.5 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 = 6·3 = 18 kN，作用于 x̄ = 5.5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 25·1 + 6·3·5.5

R_B = 124/8 = 15.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 43 − 15.5 = 27.5 kN

答案

R_A = 27.5 kN

5.桁架：节点法

答案: F_AB = −18.03 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·8 = 20·2 → C_y = 5 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 5 = 15 kN

节点 A

假设每根杆受拉（背离节点）。在 A 处只有 AB 有竖向分量。

sin α = 3/3.606 = 0.8321

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −15/0.8321 = −18.03 kN

答案

F_AB = −18.03 kN (受压)

6.桁架：节点法

答案: F_AB = 11.18 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 = 15·2 + 30·4 → C_y = 25 kN

ΣF_y = 0: A_y = 15 − 25 = −10 kN

ΣF_x = 0: A_x = −30 kN

节点 A

假设每根杆受拉（背离节点）。在 A 处只有 AB 有竖向分量。

sin α = 4/4.472 = 0.8944

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −−10/0.8944 = 11.18 kN

答案

F_AB = 11.18 kN (受拉)

7.框架与机器

答案: T = 3.6 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。

整个框架：对 A 取矩

B_y = 15·1.2/4 = 4.5 kN

腿 BC：对 C 取矩

4.5·2 = T·2.5

T = 3.6 kN

答案

T = 3.6 kN

8.框架与机器

答案: C = 0.8247 kN

B 处的支座反力

B_y = 2·1.2/3.2 = 0.75 kN

拉杆力

T = 0.75·1.6/3.5 = 0.3429 kN

BC 上的销钉力

C_x = 0.3429 kN, C_y = −0.75 kN

C = √(0.3429² + 0.75²) = 0.8247 kN

答案

C = 0.8247 kN

9.剪力和弯矩

答案: D (x = 3 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 = 50.83 kN, R₂ = 39.17 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。

M_A = 0, M_B = 50.83, M_C = 101.7, M_D = 117.5 kN·m, M_E = 78.33, M_F = 39.17, M_G = 0

答案

标记点 D: M_D = 117.5 kN·m

10.剪力和弯矩

答案: M_x = 19 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 = 8·5 = 40 kN，作用于 x̄ = 2.5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 40·2.5 + 8·5·2.5

R_B = 200/5 = 40 kN

ΣF_y = 0: R_A = 80 − 40 = 40 kN

在 x = 0.5 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 = 40·0.5 − 8·0.5·0.25 = 19 kN·m

答案

M_x = 19 kN·m

11.形心和惯性矩

答案: I_x = 64.71 × 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 = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²)，其中 d 是各部分自身形心到通过 ȳ 的轴的距离。矩形的 I_c = bh³/12，圆的 I_c = πd⁴/64。

形心

ȳ = (20000·100 − 2827·80)/(20000 − 2827) = 103.3 mm

完整的板关于 ȳ

100·200³/12 + 20000·−3.293² = 66.88 × 10⁶ mm⁴

孔关于 ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−23.29² = 2.17 × 10⁶ mm⁴

相减

I_x = 64.71 × 10⁶ mm⁴

答案

I_x = 64.71 × 10⁶ mm⁴

12.形心和惯性矩

答案: I_x = 111.4 × 10⁶ mm⁴

形心

ȳ = (24000·120 − 2400·84)/(24000 − 2400) = 124 mm

完整的板关于 ȳ

100·240³/12 + 24000·−4² = 115.6 × 10⁶ mm⁴

孔关于 ȳ

60·40³/12 + 2400·−40² = 4.16 × 10⁶ mm⁴

相减

I_x = 111.4 × 10⁶ mm⁴

答案

I_x = 111.4 × 10⁶ mm⁴

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