理论力学习题答案.doc

_第一章 静力学公理和物体的受力分析一、是非判断题1.1.1 在任何情况下，体内任意两点距离保持不变的物体称为刚体。 ( )1.1.2 物体在两个力作用下平衡的必要与充分条件是这两个力大小相等、方向相反，沿同一直线。 ( × )1.1.3 加减平衡力系公理不但适用于刚体，而且也适用于变形体。 ( × )1.1.4 力的可传性只适用于刚体，不适用于变形体。 ( )1.1.5 两点受力的构件都是二力杆。 ( × )1.1.6 只要作用于刚体上的三个力汇交于一点，该刚体一定平衡。 ( × )1.1.7 力的平行四边形法则只适用于刚体。 ( × )1.1.8 凡矢量都可以应用平行四边形法则合成。 ( )1.1.9 只要物体平衡，都能应用加减平衡力系公理。 ( × )1.1.10 凡是平衡力系，它的作用效果都等于零。 ( × )1.1.11 合力总是比分力大。 ( × )1.1.12 只要两个力大小相等，方向相同，则它们对物体的作用效果相同。 ( × )1.1.13 若物体相对于地面保持静止或匀速直线运动状态，则物体处于平衡。 ( )1.1.14 当软绳受两个等值反向的压力时，可以平衡。 ( × )1.1.15 静力学公理中，二力平衡公理和加减平衡力系公理适用于刚体。 ( )1.1.16 静力学公理中，作用力与反作用力公理和力的平行四边形公理适用于任何物体。( )1.1.17 凡是两端用铰链连接的直杆都是二力杆。 ( × )1.1.18 如图1.1所示三铰拱，受力F ，F1作用，其中F作用于铰C的销子上，则AC、BC构件都不是二力构件。 ( × )图1.1FABCF1图1.2MABC二、填空题1.2.1 力对物体的作用效应一般分为 外 效应和 内 效应。1.2.2 对非自由体的运动所预加的限制条件称为 约束 ；约束力的方向总是与约束所能阻止的物体的运动趋势的方向 相反 ；约束力由 主动 力引起，且随 主动 力的改变而改变。1.2.3 如图1.2所示三铰拱架中，若将作用于构件AC上的力偶M搬移到构件BC上，则A、B、C各处的约束力 C 。 A. 都不变； B. 只有C处的不改变； C. 都改变； D. 只有C处的改变。 三、受力图1.3.1 画出各物体的受力图。下列各图中所有接触均处于光滑面，各物体的自重除图中已标出的外，其余均略去不计。P2ABP1CCAqFBABF(b)(a)(c)qABBCAABC1.3.2 画出下列各物体系中各指定研究对象的受力图。接触面为光滑，各物自重除图中已画出的外均不计。ABCDFEP(a)CDABCFABCDFEPPABC(b)(销钉)BCABBC设B处不带销钉；BAEBDEFPABCDEF(c)Bd)PP1ABCDPP1CDABC.(e)ADBOCFEABE.DCECAODABKICIDEPABKCIDH(f)CFBADE(g)EDCBACE设ADC上带有销钉C；DqqCABCD(h)FABCDq1学时第二章 平面力系（汇交力系与平面偶系）一、 是非判断题2.1.1当刚体受三个不平行的力作用时，只要这三个力的作用线汇交于同一点，则刚体一定处于平衡状态。 ( × )2.1.2已知力F的大小及其与x轴的夹角，能确定力F在x轴方向上的分力。(方向未知) ( × )2.1.3凡是力偶都不能用一个力来平衡。 ( )2.1.4只要平面力偶的力偶矩保持不变，可将力偶的力和臂作相应的改变，而不影响其对刚体的效应。 ( )二、 计算题解：由(2-6)式：2.2.1 铆接薄板在孔心A、B和C处受三力作用，如图所示。F1=100N，沿铅直方向；F2=50N，沿水平方向，并通过点A；F3=50N，力的作用线也通过点A，尺寸如图。求此力系的合力。（答案：FR=161.2kN,与x轴的夹角为300）F1F2F3由(2-7)式：2.2.2 图示结构中各杆的重量不计，AB和CD两杆铅垂，力F1和F2的作用线水平。已知 F1=2kN，F2=l kN，CE、BC杆与水平线的夹角为300，求杆件CE所受的力。（答案：FCE=1.16kN）解：1）取销钉B为研究对象，设各杆均受拉力ABCEDF2F1B2）取销钉C为研究对象，设各杆均受拉力CCE杆受拉力2.2.3 在水平梁上作用着两个力偶，其中一个力偶矩M1=60kN.m，另一个力偶矩M2=40kN.m，已知AB=3.5m，求A、B两支座处的约束反力。（答案：FA=5.7kN）解：取梁为研究对象M1ABC3.5mM2力偶只能用力偶平衡，FA = FB方向如图。2.2.4 压榨机构如图所示，杆AB、BC的自重不计，A、B、C处均为铰链连接。油泵压力F=3kN，方向水平，h=20mm，l=150mm，试求滑块C施于工件的压力。（答案：FC=11.25kN）ABChllF解：1）取销钉B为研究对象，设AB、BC杆均受拉力B2）取滑块C为研究对象：滑块C施于工件的压力为：2.2.5 重为P的均质圆球放在板AB与墙壁AC之间，D、E两处均为光滑接触，尺寸如图示，设板AB的重量不计，求A处的约束反力及绳BC的拉力。（答案：FC= FT = 2 P/3；）解：1）取均质圆球为研究对象：BDAl/260l/260CBDAl/2EOP30l/22）取板AB为研究对象：方向如图O方向如图300DE2.2.6 锻锤工作时，如受工件给它的反作用力有偏心，则会使锻锤C发生偏斜，这将在导轨AB上产生很大的压力，从而加速导轨的磨损并影响锻件的精度。已知打击力F=100kN，偏心距e=20mm，锻锤高度h=200mm试求锻锤给导轨两侧的压力。（答案：FN=10kN）力偶只能用力偶平衡，FA = FB解：取锻锤为研究对象BAheCFF方向如图锻锤给导轨两侧的压力分别是FA和FB的反作用力第二章 平面力系（任意力系）一、 是非判断题2.1.1一个任意力系的合力矢是主矢。 （ × ）2.1.2某平面任意力系向A、B两点简化的主矩皆为零，即MA=MB=0，此力系简化的最终结果为：A、可能简化为一个力。 （ ）B、可能简化为一个力偶。 （ × ）C、可能平衡。 （ ）2.1.3若平面平行力系平衡，可以列出三个独立的平衡方程。（1个） （ × ）2.1.4平面任意力系的三个独立平衡方程不能全部采用投影方程。 （ ）2.1.5平面力系中，若其力多边形自行闭合，则力系平衡。 （ × ）对一空间任意力系，若其力多边形自行封闭，则该力系的主矢为零。（ ）2.1.6 静不定问题的主要特点是其未知量的个数多于系统独立平衡方程的个数，所以未知量不能由平衡方程式全部求出。 （ ）二、 填空题2.2.1在边长为d的正方形ABCD所在平面内，作用一平面任意力系，该力系向A点简化：MA=0，向B点简化：MB =Fd（顺时什转向），向D点简化：MD =Fd（逆时针转向）。则此力系简化的最后结果为 方向如图 （需说明大小和方向或在图中标出）。ADCBd注意：不能用m=2n-3判别。2.2.2如图所示各结构，属静不定的结构是 (a), (c), (d) 。PPP （a） (b) (c) (d)2学时三、计算题 2.3.1 把作用在平板上的各力向点O简化，已知F1=300kN，F2=200kN，F3=350kN，F4 =250kN，试求力系的主矢和对点O的主矩以及力系的最后合成结果。图中长度单位为cm。（答案：FR=678.86kN，MO=4600 kN.cm，d=6.78，=600）解：F3F2F1F4251055204530O1Oxy力系的最后合成结果为：2.3.2 露天厂房立柱的底部是杯形基础，立柱底部用混凝土砂浆与杯形基础固连在一起，已知吊车梁传来的铅直载荷F=60kN，风荷q=2kN/m，又立柱自身重P=40kN，a=0.5m，h=10m，试求立柱底部的约束反力。（答案：FAx=20kN，FAy=100kN，MA=130 kN.m）aFPqhAA解：取立柱为研究对象：（ ）2.3.3 试求下列各梁的支座反力。答案：（a）FAy=2qa，MA=5qa2/2；(b)FAx=0，FAy=3kN，FB=24.6kN解：取梁为研究对象：(a)AqCqaBaa（ ）解：取梁为研究对象：F=20kN(b)0.8mC0.8m0.8m0.8mABDq=2kN/mM=8kN.m2.3.4 悬臂式吊车的结构简图如图所示，由DE、AC二杆组成，A、B、C为铰链连接。已知P1=5kN，P2=1kN，不计杆重，试求杆AC杆所受的力和B点的支反力。（答案：FBx=3.33kN，FBy=0.25kN，FAC=6.65kN）解：取DE杆为研究对象:杆AC受压60BCAD2m2.5m1mP2P1EBCD2m2.5m1mP2EP1602.3.5 由AC和CD构成的组合粱通过铰链C连接，它的支承和受力如图所示，已知均布载荷强度q=10kN/m，力偶矩M=40kN.m，不计梁重，求支座A、B、D的约束反力和铰链C处所受的力。（答案：FB=40kN，FAy=15kN，FC=5 kN ，FD=15 kN）解：取CD为研究对象M2mA2m2m2mBCDqq取AC为研究对象：2mA2mBqCM2m2mCD2.3.6 如图所示组合梁由AC和DC两段铰接构成，起重机放在梁上，已知起重机重P=50kN，重心在铅直线EC上，起重载荷P1=10kN，如不计梁重，求支座A、B和D三处的约束反力。（答案：FB=100kN，FAy=48.3kN，FD=8.33 kN.m）解：1）取起重机为研究对象：4mP1PEABCD1m3m3m6m1m4mP1PE2）取CD段为研究对象：O1O23）取AC段为研究对象：ABC1m3m3mCD6m1m2.3.7 AB、AC、DE三杆用铰链连接，如图所示。DE杆的E端作用一力偶，其力偶矩的大小为1kN.m，又AD=DB=0.5m，不计杆重，求铰链D和E的约束反力。（答案：FAx=0，FAy=M/2a；FDx=0，FDy=M/a；FBx=0，FBy=M/2a）解：取整体为研究对象：取AB杆为研究对象：MEAD取DF杆为研究对象：BDF解：取整体为研究对象：2.3.8 构架如示，重物P=800N，挂于定滑轮A上，滑轮直径为20cm,不计构架杆重和滑轮重量，不计摩擦。求C、E、B处的约束反力。（答案：FCx=1.6 kN，FCy=1.067 kN；FEx=1.6 kN，FEy=1.867 kN；FBx=0.8 kN，FBy=1.867 kN）PABCED40cm30cm40cm取BE杆为研究对象：BED对整体：2.3.9结构尺寸如图，略去各杆自重C、E处为铰接，已知:P=10KN,M=12KN.m。试求A、B、C处的约束反力。（答案：FCx=6 kN，FCy=1 kN；FAx=6 kN，FAy=1 kN；FBx=10 kN，FBy=5 kN）E450DMH解：取整体为研究对象：C450DEBAHP434501m2mMH取BC杆为研究对象：HP43BC450CEA取AC杆为研究对象： 2.3.10平面桁架受力如图所示。已知F1=10kN，F2= F3=20kN，试求桁架4,5,7,10各杆的内力。答案：F4=21.83 kN（拉），F5=16.73 kN（拉）；F7=20kN（压），F10=43.64 kN（压）解：取整体为研究对象：F10C沿4、5和6杆截开，取左半部分为研究对象：F7F5F5F44F44沿4、5、7和10杆截开，取右半部分为研究对象：2.3.11图示桁架系统上，已知：F=1500kN，L1=4m， L2=3m。试求桁架中各杆（1，2，3，4，5，6，7）的内力。解：沿1、2和3杆截开，取右半部分为研究对象：ABCDA1B1C1L1L1L1L21234567 F取节点C1为研究对象：BCA1B1C11234567 FA取节点C为研究对象：取节点B1为研究对象：B1C1C第三章 空间力系一、是非题判断题3.1.1 对一空间任意力系，若其力多边形自行封闭，则该力系的主矢为零。 （ ）平面力系中，若其力多边形自行闭合，则力系平衡。（ × ）3.1.2只要是空间力系就可以列出6 个独立的平衡方程。 （ × ）3.1.3若由三个力偶组成的空间力偶系平衡，则三个力偶矩矢首尾相连必构成自行封闭的三角形。 （ ）3.1.4 空间汇交力系平衡的充分和必要条件是力系的合力为零；空间力偶系平衡的充分和必要条件是力偶系的合力偶矩为零。 （ ）二、填空题3.2.1 若一空间力系中各力的作用线平行于某一固定平面，则此力系有 5 个独立的平衡方程。3.2.2 板ABCD由六根杆支承如图所示，受任意已知力系而处于平衡，为保证所列的每个方程中只包含一个未知力，则所取力矩平衡方程和投影平衡方程分别为 ：三、计算题 解：3.3.1在图示力系中，F1=100N，F2=300N，F3=200N，各力作用线位置如图所示，求力系向点O简化的结果。3.3.2 如图所示的空间构架由三根杆件组成，在D端用球铰链连接，A、B和C端也用球铰链固定在水平地板上。今在D端挂一重物P=10kN，若各杆自重不计，求各杆的内力。解：取销钉D为研究对象：将（a）式代入得：由（a）式：解：由空间力偶系的平衡方程（3-20）式：y3.3.3 如图所示，三圆盘A、B、C的半径分别为15cm、10cm、5cm，三根轴OA、OB、OC在同一平面内，AOB为直角，三个圆盘上分别受三个力偶作用，求使物体平衡所需的力F和角。自然满足x由（a）式：3.3.4 某传动轴由A、B两轴承支承。圆柱直齿轮的节圆直径d=17.3cm，压力角=20º，在法兰盘上作用一力偶矩为M=1030N.m的力偶，如轮轴的自重和摩擦不计，求传动轴匀速转动时A、B两轴承的约束反力。（答案：FAx=4.2kN，FAz=1.54kN，FBz=7.7kN，FBz.=2.79kN）解：取传动轴为研究对象。xyzFDABM22cm12.2cmEFM传动轴绕y轴匀速转动 3.3.5 在半径为R的圆面积内挖出一半径为r的圆孔，求剩余面积的重心坐标。（答案：xC=rR/2(R2r2）用负面积法：解：由均质物体的形心坐标公式（3-30）式由对称性得：RR/22rOxy3.3.6 求图示型材截面形心的坐标。答案：(a) xC=0，yC=6.07；(b) xC=11，yC=0(a)(b)(b) 解：由均质物体的形心坐标公式（3-30）式(a) 解：由均质物体的形心坐标公式（3-30）式由对称性得：用分割法：用负面积法：由对称性得：3.3.7均质块尺寸如图所示，求其重心的位置。答案： xC=23.08mm，yC=38.46, zC=-28.08解：由均质物体的形心坐标公式（3-30）式用分割法：第四章 摩 擦一、 是非判断题4.1.1 只要受力物体处于平衡状态，摩擦力的大小一定是F= sFN。 ( × )4.1.2 在考虑滑动与滚动共存的问题中，滑动摩擦力不能应用F= sFN来代替。 ( )4.1.3 当考虑摩擦时，支承面对物体的法向反力FN和摩擦力Fs的合力FR与法线的夹角称为摩擦角。 ( × )4.1.4 滚动摩擦力偶矩是由于相互接触的物体表面粗糙所产生的。（物体形变） ( × )二、 填空题4.2.1 考虑摩擦时物体的平衡问题，其特点在于 P116 (1)，(2)，(3) 。4.2.2 物快重P，放置在粗糙的水平面上，接触处的摩擦系数为fs，要使物块沿水平面向右滑动，可沿OA方向施加拉力F1如图4.1所示，也可沿BO方向施加推力F2如图所示，两种情况比较图 （a） 所示的情形更省力。4.2.3材料相同、光洁度相同的平皮带和三角皮带,如图4.2所示,在相同压力F作用下, 三角 皮带的最大摩擦力大于 平 皮带的最大摩擦力。OPOPF2F1(a) (b)图4.1 图4.2三、选择题 4.3.1如图4.3所示，已知OA杆重W，物块M重P。杆与物块间有摩擦，而物体与地面间的摩擦略去不计。当水平力F增大而物块仍保持平衡时，杆对物块M的正压力 B 。A、由小变大； B、由大变小； C、不变。 = 30 0 f = 900 - m = 5504.3.2如图4.4所示，物块重5kN，与水平面间的摩擦角为m=35o，今用与铅垂线成60o角的力F=5kN推动物块，则物块将 A 。MAOFA、不动；60o哦FB、滑动；C、处于临界状态；600FFRD、滑动与否不能确定。W 图4.3， 图4.4四、计算题 解：取物块A为研究对象4.4.1 悬臂托架弹簧K的拉力F=8N，物块A与BO梁间的静摩擦系数fs=0.2，当q=30o时，试问物块A是否平衡？（答案：Fs=0.66N） 3N10NKOABq 物块A有向右滑动的趋势，FS指向左边；Aq物块A不平衡。最大摩擦力为：4.4.2 重P =100N的长方形均质木块放置在水平地面上，尺寸如图所示。木块与地面间的摩擦系数s=0.4，求木块能保持平衡时的水平力F的大小。（答案：F=31.25N）解：欲保持木块平衡，必须满足 1）不会向右滑动，2）不会绕D点翻倒。F100ABCD160PF100ABCD160P取木块为研究对象1) 木块不会向右滑动:F100ABCD160P若木块不会向右滑动，则应有：取木块为研究对象2) 木块不会绕D点翻倒:设木块处于临界状态，受力图如图所示。4.4.3 鼓轮利用双闸块制动器制动，设在杠杆的末端作用有大小为200N的力F，方向与杠杆垂直，如图所示。已知闸块与鼓轮的摩擦因数fs= 0.5，又 2R=O1O2=KD=DC=O1A= KL= O2L= 0.5m，O1B=0.75 m，AC=O1D=1m，ED=0.25m，不计自重，求作用于鼓轮上的制动力矩。（答案：M=300N.m）解：取BO1杆和AC杆为研究对象；取KE杆和EDC杆为研究对象；取O2K杆和闸块为研究对象并设初始鼓轮顺时针转动q取鼓轮研究对象；形成制动力偶制动力矩为：4.4.4 一半径为R、重为P1的轮静止在水平面上，如图所示。在轮上半径为r的轴上缠有细绳，此细绳跨过滑轮A，在端部系一重为P2的物体。绳的AB部分与铅直线成角。求轮与水平面接触点C处的滚动摩阻力偶M、滑动摩擦力Fx和法向反作用力Fy。解：取轮为研究对象； o 4.4.4 重P的物块放在倾角大于摩擦角N的斜面上，在物块上另加一水平力F，已知：P=500N，F=300N，f=0.4，=300。试求摩擦力的大小。（答案： Fs=9.8N）解：取物块为研究对象；FP物块有沿斜面向上滑动的趋势，则设FS的方向如图：方向如图。上面所求摩擦力正确，即：第五章 点的运动学一、是非判断题5.1.1动点速度的方向总是与其运动的方向一致。 ( )5.1.2只要动点作匀速运动，其加速度就为零。（匀速圆周） ( × )5.1.3若切向加速度为正，则点作加速运动。 ( × )5.1.4若切向加速度与速度符号相同，则点作加速运动。 ( )5.1.5若切向加速度为零，则速度为常矢量。（常量） ( × )5.1.6若，则必等于零。 ( × )方向会变5.1.7若，则必等于零。 ( × )5.1.8若与始终垂直，则不变。 ( × )5.1.9若与始终平行，则点的轨迹必为直线。 ( )5.1.10切向加速度表示速度方向的变化率，而与速度的大小无关。 ( × )5.1.11运动学只研究物体运动的几何性质，而不涉及引起运动的物理原因。 ( )二、填空题5.2.1已知某点沿其轨迹的运动方程为s=b+ct，式中的b、c均为常量，则该点的运动必是 匀速 运动。注意：t=3时折返注意：t=3时折返5.2.2点作直线运动，其运动方程为x=27tt3，式中x以m计，t以s计。则点在t=0到t=7s时间间隔内走过的路程为 262 m。5.2.3已知点的运动方程为 由此可得其轨迹方程为 x2+y2=25 ， y2=4x 。5.2.4点的弧坐标对时间的导数是 速度的代数值，点走过的路程对时间的导数是速度的大小，点的位移对时间的导数是速度矢。三、选择题：5.3.1点的切向加速度与其速度（ B ）的变化率无关，而点的法向加速度与其速度（ A ）的变化率无关。A、大小； B、方向。5.3.2一动点作平面曲线运动，若其速率不变，则其速度矢量与加速度矢量 B 。 A、平行； B、垂直； C、夹角随时间变化。四、计算题5.4.1 图示曲线规尺各杆长分别为OA=AB=20cm，CD=DE=AC=AE=5cm。如杆OA以等角速度绕O轴转动，并且当运动开始时，杆OA水平向右，求尺上D点的运动方程和轨迹。解：D点的运动方程D点的轨迹方程消去t得：yDCBAxEOqy5.4.2如图所示，偏心凸轮半径为R，绕O轴转动，转角=t（为常数），偏心距OC=e，凸轮带动顶杆AB沿铅垂直线作往复运动。求顶杆的运动方程和速度。解：建立参考系如图，由于顶杆作平动，所以由顶杆上的A点的运动方程：COAB 为顶杆的运动方程。R顶杆的速度为：D方向沿y轴方向。x 5.4.3图示摇杆滑道机构，销子M同时在固定的圆弧BC和摇杆OA的滑槽中运动。BC弧的半径为R，摇杆绕O轴以匀角速度转动，