二
物体系统的平衡问题
一 物体系统的平衡问题
1 物体系统及其特点
由两个或两个以上物体所组成的系统,称为“物体系统”,称为“物体系”。
在物体系统中,一方面物体数目不止一个;另一方面约束和受力都比较复杂。因此,一般情形下,如果只考虑整个物体系统(简称“整体”)的平衡,或者只考虑某个局部、某个物体(简称“局部”)的平衡,都不能解出全部未知力。
但是,如果所讨论的物体系统是静定的和平衡的,则通过研究整体的和局部的平衡,就可以解出全部未知力。
2 物体系统静定与静不定性质判断
在很多物体系统中,如果只考虑整个系统的平衡,其未知约束力的个数多于3个(平面一般力系只能提供3个独立的平衡方程,但是,若将系统“拆开”后,依次考虑各个物体的平衡,则未知约束力数目与平衡方程数目相等,这种物体系统便是静定的)。
当然,还有一些物体系统,在系统“拆开”之后,未知约束力个数仍然多于平衡方程的数目,因而无法求解全部未知力,这种物体系统便是静不定的。
求解物体系统的平衡问题之前,应先判断物体系统的静定与静不定的性质。只有是静定的,才能用静力平衡方程求解。
判断物体系统静定与静不定性质的方法是:先将物体系统中各物体连接处拆开,根据约束性质分析各连接处未知约束力的个数,总数计为k。然后,依次以每个物体为研究对象,根据这些物体的受力性质(是平面基本力系,还是平面一般力系)确定可以提供的独立的平衡方程的数目,总计为m。若k=m,则物体系统是静定的、可解的;否则是静不定的。
如果物体系统中,有n1 个二力构件; n2
个承受汇交力系的物体;有n3 个承受平面一般力系的物体;因为它们分别提供1个、2个和3个独立的平衡方程,故物体系统的独立平衡方程总数:m=n1+n2+n3
需要指出的是,物体系统是不是静不定的,完全取决于未知约束力的个数与独立平衡方程的数目,而与研究对象被使用的次数无关。初学者常常会出现这样的错觉,以为在考虑了一个物体的平衡之后,再考虑一次总体平衡,就可以多出几个平衡方程。实际上,如果物体系统中的每个物体都是平衡的,则物体系统必然是平衡的。因此,整体平衡方程已经包含各个物体平衡方程之中,即整体平衡方程与各个物体的平衡方程是相依的,而不是独立的。
3 求解物体系统平衡问题的基本方法
求解物体系统平衡问题的基本方法与分析单个物体平衡问题的方法大体相似,但也有一些差异。根据物体系统平衡问题的特点,求解物体系统平衡问题,一般可按下列步骤进行:
首先判断物体系统的静定与静不定性质,只有肯定了所给的物体系统是静定的,才着手求解。
先考虑整体平衡,求得某些未知约束力,然后根据要求的未知量,选择合适的局部或单个物体作为研究对象,根据约束性质及作用与反作用定律,区分施力体与受力体,区分内力与外力,画出研究对象的受力图。
分别考虑不同的研究对象的平衡,建立平衡方程,求解未知量。