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如图(a)所示构架由三根杆子和一个滑轮铰接而成。在AB杆的下端B作用一水平力F,跨过滑轮H的绳索上挂一重量为G
如图(a)所示构架由三根杆子和一个滑轮铰接而成。在AB杆的下端B作用一水平力F,跨过滑轮H的绳索上挂一重量为G的重物。已知:G=F=5kN,滑轮半径为R=20cm,杆、滑轮和绳索的重量均不计,AD=DC=CB=HD=a=50cm,α=45°。求CE杆作用于销钉K的力(A点为铰接)。
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思路:本题初看起来较难,一时不知如何着手。由于要求CE杆作用于销钉K的力,所以结构必须从销钉K处拆开,以HDK及滑轮和重物为研究对象,可作出受力分析如图(c)所示。注意到水平段绳索的拉力等于物块的重力,以D为矩心列平衡方程,即可求得销钉K处受力的竖直分量。另一分量可以通过研究CKE杆的平衡求得。而CKE杆上的未知力较多,可从研究整体的平衡入手先求出E处受力。
解法一 (1)选取整体为研究对象,受力分析如图(b)所示。建立坐标系如图,以A点为矩心,列平衡方程
∑MA(F)=0 G(a+R)+F3a-FE2a=0
解方程得
FE=11kN
(2)选取HDK杆为研究对象受力分析如图(c)所示。以D点为矩心,列平衡方程
∑MD(F)=0 G(a+R)+FKya-FGR=0
解方程得
FKy=-5kN
(3)选取CKE为研究对象,受力分析如图(d)所示。以C为矩心,列平衡方程
∑MC(F)=0 -F'Kya-F'Kxa-FE2a=0
解方程得
F'Kx=FKx=-17kN
负号表示实际受力方向与图示情况相反。
解法二 首先取整体为研究对象,受力分析如图(b)所示,求解A、_E两处的约束反力。其次取由重物、滑轮H和杆HDK构成的组合体为研究对象,受力分析如图(c)所示,以D点为矩心,列力矩平衡方程式,求出K处的竖直分量。最后选去除杆CKE后的剩余部分为研究对象,以C点为矩心,列平衡方程式,求解K处的水平分量。读者可以按以上步骤进行求解,并与解法一进行比较。
解法三 分别取杆CKE、杆ADCB、杆HDK和滑轮H及重物构成的组合体为研究对象,未知量的总数为9个,独立平衡方程式的总数也是9个,列出全部九个平衡方程,联立求解全部的九个未知数。三种解法的简评:
解法一在选取研究对象、列平衡方程时,有明确的目的性,没有列出多余的平衡方程,也没有求解多余的未知量。每个平衡方程只含有一个未知量,从中可以体会力矩式平衡方程式的优点。
解法二的第一步,取整体为研究对象、并求出全部未知力是求解物体系统平衡问题的常规作法。第二次和第三次选取的研究对象中都含有K处的受力,有明确的目的性。与解法一比较,解法二所列的方程较多,方程式也较复杂。
解法三对研究对象的选取缺乏认真思考,导致未知量暴露太多,平衡方程数太多,求解工作量太大。是最不可取的一种解法。
(求解物体系统的平衡问题时应注意以下几点)
①首先要明确题目中需要求解的未知量是外部的约束反力还是内部的相互作用力。一般总要作整体的受力分析,研究整体的平衡可以得到部分甚至全部外部约束反力,为进一步求解未知量奠定基础。
②较为复杂的系统问题,一般需要二次或多次选取研究对象。此时,无论是选取研究对象还是列平衡方程式都要有明确的目的性。
③完成受力分析之后,应认真检查有无漏画、错画的力。特别注意局部受力图之间的相互作用力的方向要遵循作用与反作用定律,力的方向不能出现矛盾。
④分布载荷应先作简化处理。
⑤注意发现结构中的二力构件。
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