任务一　力和平衡的概念

一、力的概念

力的概念是人类在长期的生活和生产实践中由感性认识到理性认识逐步形成的抽象概念。人们用手推、拉、掷、举物体时,由于肌肉有紧张收缩的感觉,从而产生了对力的感性认识。随着生产的发展,又进一步认识到：物体机械运动状态的改变和物体形状大小的改变都是其他物体对该物体施加力的结果。例如,水流冲击水轮机叶片带动发电机转子转动,起重机起吊构件,弹簧受力后伸长或缩短。

牛顿定律给出了力的科学定义：力是物体间相互的机械作用,这种作用使物体的机械运动状态发生改变,同时使物体发生变形。

物体间相互机械作用的形式多种多样,大致可以分为两类：一类是直接接触作用,如水对水坝的压力,机车牵引车厢的拉力等；另一类是间接作用,即通过“场”对物体作用,如地球引力场对物体的引力,电场对电荷的引力或斥力等。由力的定义可知：力不可能脱离物体而单独存在,一个物体受到了力的作用,一定有另一个物体对它施加了这种作用。

在力学中不研究力的物理本质,只研究力对物体产生的效应。力对物体的效应一般可分为两个方面：一是物体的运动状态发生改变；二是物体的形状和尺寸发生改变。前者称为力的运动效应或外效应,后者称为力的变形效应或内效应。实际上变形也是物体受力后内部各部分运动状态变化的结果。静力学研究的对象是刚体,只研究力的运动效应。

实践表明,力对物体的作用效应完全取决于力的三要素：①力的大小；②力的方向；③力的作用点。

力的大小是指物体间相互机械作用的强弱程度。国际单位制中,衡量力的大小的单位为牛顿(N)或千牛(kN)。既有大小又有方向的量称为矢量。由力的三要素可知,力是矢量,可用一个有向线段来表示。如图1-1所示,线段的起点A(或终点B)表示力的作用点；线段的方位和箭头的指向表示力的方向；线段的长度(按一定比例)表示力的大小。通过力的作用点沿力的方向的直线,称为力的作用线。

具有确定作用点的矢量称为定位矢量,不涉及作用点的矢量称为自由矢量。可见力是定位矢量。有时需要从任一点作一个自由矢量来表示力的大小和方向,这种只表示力的大小和方向的矢量称为力矢。本书采用黑体表示力矢量,如F,而用普通字母表示力的大小,如F。

应当注意的是,力和力矢的含义是不同的。如图1-2所示,力F1和力F2大小、方向相同,它们是等力矢,即F1＝F2。但是由于力F1与力F2的作用点不同,它们不是作用效应相等的力。

二、力系的概念

所谓力系,是指作用于物体上的一群力。

根据力系中各力作用线的分布情况可将力系分为平面力系和空间力系两大类。各力作用线位于同一平面内的力系称为平面力系,各力作用线不在同一平面内的力系称为空间力系。

若两个力系分别作用于同一物体上,其效应完全相同,则称这两个力系为等效力系。在特殊情况下,如果一个力与一个力系等效,则称此力为该力系的合力,而力系中的各力称为此合力的分力。用一个简单的等效力系(或一个力)代替一个复杂力系的过程称为力系的简化。力系的简化是刚体静力学的基本问题之一。

三、平衡的概念

平衡是指物体相对于惯性参考系保持静止或做匀速直线运动。平衡是物体机械运动的一种特殊形式。在一般的工程技术问题中,常取地球作为惯性参考系。例如,静止在地面上的房屋、桥梁、水坝等建筑物,在直线轨道上做等速运动的火车,它们都在各种力系作用下处于平衡状态。使物体处于平衡状态的力系称为平衡力系。研究物体平衡时,作用在物体上的力系应满足的条件是静力学的又一基本问题。

力系简化的目的之一是导出力系的平衡条件,而力系的平衡条件是设计结构、构件和机械零件时静力计算的基础。