工程力学习题集及部分解答指导 2.doc

安徽机电职业技术学院学生内部学习参考资料 丁梅龙 何俊 编前 言工程力学是我院机械类、机电类、近机类专业必修的一门重要技术基础课。工程力学讲述的基本理论、基本方法，在基础课和专业课之间起桥梁作用。它为各类机械的设计、专业设备及机器的机械运动分析和强度计算提供必要的理论基础。因此，学好该课程，理解掌握其“实用型知识结构体系”的基本理论和基本方法，对我院机械类及相关专业的学生尤为重要。为了使学生更好的学习，较好的理解掌握本课程的基本理论、基本知识、基本方法，我们按照本院工程力学课程教学大纲（适用于机制、模具、焊接、数控、汽车专业 2006年8月）及对学生考核的要求编写了本“工程力学习题集及部分解答指导”。以便使学生在“教与学”的互动中，同步练习。本“工程力学习题集及部分解答指导”的内容与我院所选教材张秉荣、章剑青主编工程力学及教学大纲要求的教学内容配套，按各章讲授内容编写。主要有四部分：判断题、单项选择题、计算与作图题、应用题。其中：计算与作图题、应用题主要以“必须、够用”为原则从讲授教材中选定；对于一些具有代表性的习题，着重从方法性的角度作了解答；每章后附有参考答案。对于习题集中带“*”号的习题，学生可选做，以此提高运用工程力学的基本原理和方法解决机械工程中的简单的力学问题的综合能力。特别说明的是，本习题集作为学习资料，仅适用于我院机械类及相关专业的学生内部学习使用。 编者 2007年10月第一章 静力学基础一、判断题1-1、如物体相对于地面保持静止或匀速运动状态,则物体处于平衡。 （ ）1-2、作用在同一刚体上的两个力,使物体处于平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。 ( )1-3、静力学公理中,二力平衡公理和加减平衡力系公理仅适用于刚体。 ( )1-4、二力构件是指两端用铰链连接并且指受两个力作用的构件。 ( ) 1-5、对刚体而言，力是滑移矢量，可沿其作用线移动。 （ ）1-6、对非自由体的约束反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。 （ ） 1-7、作用在同一刚体的五个力构成的力多边形自行封闭，则此刚体一定处于平衡状态。 （ ）1-8、只要两个力偶的力偶矩相等，则此两力偶就是等效力偶。 （ ）二、单项选择题1-1、刚体受三力作用而处于平衡状态,则此三力的作用线( )。 A、必汇交于一点 B、必互相平行C、必都为零 D、必位于同一平面内1-2、力的可传性（ ）。A、适用于同一刚体 B、适用于刚体和变形体 C、适用于刚体系统 D、既适用于单个刚体，又适用于刚体系统1-3、如果力FR是F1、F2二力的合力,且F1、F2不同向，用矢量方程表示为FR= F1+ F2，则三力大小之间的关系为()。A、必有FR= F1+ F2 B、不可能有FR= F1+ F2C、必有FRF1, FRF2 D、必有FRF1, FRF21-4、作用在刚体上的一个力偶，若使其在作用面内转移，其结果是（ ）。A、使刚体转动 B、使刚体平移 C、不改变对刚体的作用效果 D、将改变力偶矩的大小三、计算题1-1、已知：F1=2000N，F2=150N， F3=200N， F4=100N，各力的方向如图1-1所示。试求各力在x、y轴上的投影。解题提示 计算方法：Fx = + F cos Fy = + F sin 注意：力的投影为代数量；式中：Fx、Fy的“+”的选取由力F的指向来确定；为力F与x轴所夹的锐角。 图1-11-2、铆接薄钢板在孔A、B、C、D处受四个力作用，孔间尺寸如图1-2所示。已知：F1=50N，F2=100N， F3=150N， F4=220N，求此汇交力系的合力。解题提示计算方法。 一、解析法FRx=F1x+F2x+Fnx=Fx FRy=F1y+F2y+Fny=FyFR = FRx 2+ FRy2 tan=FRy/ FRx 二、几何法 按力多边形法则作力多边形，从 图1-2图中量得FR的大小和方向。1-3、求图1-3所示各种情况下力F对点O的力矩。图1-3解题提示计算方法。 按力矩的定义计算 MO（F）= + Fd 按合力矩定理计算 M O（F）= MO（Fx）+M O（F y） 1-4、求图1-4所示两种情况下G与F对转心A之矩。 解题提示 此题按合力矩定理计算各力矩较方便、简捷。 以图1-4a为例： 力F、G至A点的距离不易 确定，如按力矩的定义计算力矩 图1-4既繁琐，又容易出错。若将力F、G分别沿矩形两边长方向分解，则各分力的力臂不需计算、一目了然，只需计算各分力的大小，即可按合力矩定理计算出各力的力矩。 MA（F）= -Fcos b- Fsin a MA（G）= -Gcos a/2 - Gsin b/21-5、如图1-5所示，矩形钢板的边长为a=4m，b=2m，作用力偶M（F，F）。当F=F=200N时，才能使钢板转动。试考虑选择加力的位置与方向才能使所费力为最小而达到使钢板转一角度的目的，并求出此最小力的值。解题提示力偶矩是力偶作用的唯一度量。只要保持力偶矩的大小和力偶的转向不变，可以改变力偶中力的大小和力偶臂的长度，而不改变它对刚体的作用效应。 此题可通过改变力的方向、增大力偶 臂的长度，求得使钢板转动所费力的最小值。 图1-5四、作图题1-6、试画出图1-6所示受柔性约束物体的受力图。 图1-6解题提示柔性体只能给物体产生拉力。其约束反力的方向应沿柔索的中心线而背离物体。表示符号：字母“FT”。 图1-6a、b解题如下：1-7、试画出图1-7所示各受光滑面约束物体的受力图。图1-7解题提示 光滑接触面约束：其约束反力的方向应沿接触面、接触点的公法线 且指向物体。法向反力表示符号：字母“FN”。 FN31-8、试画出图1-8所示各受铰链约束物体的受力图。 图1-8解题提示固定铰链、中间铰链限制物体向任意方向的移动，其约束反力通常用通过铰链中心的两个相互垂直的正交分力FNx、FNy来表示。活动铰链仅限制物体在与支座接触处向着支承面或离开支承面的移动，其约束反力FN通过铰链中心，且垂直于支承面，指向待定。1-9、试画出图1-9所示所指定的分离体的受力图。 图1-9 解题提示固定端约束限制物体既不能移动也不能转动，使物体保持静止的约束形式。一般情况下，约束反力可简化为两个正交的约束反力和一个约束反力偶。 二力构件两端用铰链连接，且在两个力作用下处于平衡状态的构件。 FAy第一章 静力学基础习题参考答案一、判断题1-1（错）、1-2（对）、1-3（对）、1-4（错）、1-5（对）、1-6（对）、1-7（错） 、1-8（错）二、单项选择题1-1（A）、1-2（A）、1-3（B）、1-4（C）三、计算题1-1 F1x= -1732N，F1y= -1000N；F2x=0， F2y= -150N； F3x= 141.4N,F3y=141.4N； F4x= -50N， F4y=86.6N 1-2 FR= 90.6N，= -46.791-3 a）MO（F）=FL b）MO（F）=0 c）MO（F）=FL sin d）MO（F）= -Fa e）MO（F）=Facos FLsin f）MO（F）= FsinL2+b2 1-4 a）MA（F）= -Fcos b- Fsin a MA（G）= -Gcos a/2 - Gsin b/2 b）MA（F1）= F1（r- acos-bsin） MA（F2）= - F2（r+ acos+bsin） 1-5 Fmin=89.44N第二章 平面力系一、判断题2-1、平面任意力系向作用面内任一点简化，主矢与简化中心有关. （ ）2-2、平面任意力系向作用面内任一点简化，主矩与简化中心有关。 ( )2-3、当平面一任意力系对某点的主矩为零时,该力系向任一点简化的结果必为一个合力。 ( )2-4、当平面一任意力系对某点的主矢为零时,该力系向任一点简化的结果必为一个合力偶。 ( )2-5、某一平面任意力系向A点简化的主矢为零，而向另一点B简化的主矩为零，则该力系一定是平衡力系。 （ ）2-6、独立平衡方程数与未知个数相等，则这类问题称为静定问题。 （ ） 二、单项选择题2-1、如图1所示，物体上有等值且互成600的夹角的三力作用，则（ ）。 A、该力系为汇交力系 B、该力系为平衡力系 C、该物体不平衡 D、该力系主矩为零 图1 F1 2-2、如图2所示，物体受四个力F1、F1、F2、F2作用， 且位于同一平面内，作用点分别为A、B、C、D点。 A B F1、F1、F2、F2构成的力多边形封闭，则（ ）。 F2 F2F1 A、该力系为平衡力系 B、该物体不平衡 D C C、该力系主矩为零 D、该力系主矢不为零 图22-3、下列结构中，属于静不定问题的是图（ ）。 F F F F1 F2 （d） 三、计算题2-1、如图2-1所示，一平面任意力系每方格边长为a，F1=F2=F，F3=F4= = 2 F。试求力系向O点简化的结果。解题提示主矢的大小及方向的计算方法： FRx=Fx FRy=Fy 大小： FR= （Fx）2+（Fy）2 方向： tan=Fy Fx 为主矢FR与x轴所夹的锐角。主矩的计算方法：MO=MO（F）。 图2-12-2、如图2-2所示，已知q、a，且F=qa、M=qa2。求图示各梁的支座反力。图2-2解题提示 一、平面任意力系的平衡方程基本形式： Fx=0，Fy=0，MO（F）=0二力矩式：Fx=0（或Fy=0），MA（F）=0，MB（F）=0三力矩式：MA（F）=0，MB（F）=0，MC（F）=0二、平面平行力系的平衡方程基本形式：Fy=0 MO（F）=0 二力矩式：MA（F）=0，MB（F）=0三、求支座反力的方法步骤 1、选取研究对象，画其分离体受力图。 2、选择直角坐标轴系，列平衡方程并求解。以2-2图c）为例 选AB梁为研究对象，画受力图c） y选直角坐标系如图示，列平衡方程并求解。 FAx xFx=0 FAx =0 （1） FAy FBFy=0 FAy F+ FB q（2a）= 0 （2） 图c） MA（F）=0 FB（2a）F（3a）q（2a）a+M=0 （3） 解方程组得： FAx =0，FAy =qa，FB =2qa 2-3、组合梁及其受力情况如图2-3所示。若已知F、M、q、a，梁的自重力忽略不计，试求A、B、C、D各处的约束反力。 图2-3 解题提示 物系平衡问题的分析方法有两种：逐步拆开法先整体后部分拆开之法；解题时具体采用哪一种方法，要从物系中具有局部可解条件的研究对象选取而定。解2-3图b）分别选取CD杆、ABC杆为研究对象，画其受力图、。 （或分别选取CD杆、整体为研究对象，画其受力图、。） q F FC F q FAx M FAx M C D A B C A B C D FC FD FAy FB FAy FB FD CD杆 ABC杆 组合梁整体列平衡方程并求解。图：MD（F）=0 -FC a + qa*a/2 = 0 （1） MD（F）=0 FD a - qa*a/2 = 0 （2）图： Fx=0 FAx= 0 （3）Fy=0 FAy+ FB F - FC = 0 （4）MA（F）=0 FB a Fa - FC 2a - M= 0 （5） FAx=0 FB=F+qa+ M/a FC=FD= qa/2 FAy=M/a - qa/2 。 #四、应用题2-4、试计算图2-4所示支架中A、C处的约束反力。已知G，不计杆的自重力。 解题提示 画AB杆分离体受力图、 列平衡方程求解。 图2-42-5、如图2-5所示，总重力G=160kN的水塔，固定在支架A、B、C、D上。A为固定铰链支座，B为活动铰链支座，水箱右侧受风压为q=16kN/m。为保证水塔平衡，试求A、B间的最小距离。解题提示 取整体为研究对象、画其分离体受力图、 列平衡方程求解。 图2-52-6、如图2-6所示，汽车起重机的车重力WQ=26kN，臂重力G=4.5kN，起重机旋转及固定部分的重力W=31kN。设伸臂在起重机对称平面内，试求在图示位置起重机不致翻倒的最大起重载荷Gp。 解题提示这是一个比较典型的平面平行力系问题的实例。平面平行力系只有两个独立的平衡方程，而此题取汽车起重机整体为研究对象，由受力分析可知却有三个未知力：A、B两处的法向反力及Gp。故需考虑汽车起重机起吊时即将翻倒的临界平衡状态，此时A点的反力为零，从而列平衡方程可求得最大起重载荷Gp。 图2-6解：取汽车起重机整体为研究对象，考虑其起吊时即将翻倒的临界平衡状态，画受力图，此时FA=0。列平衡方程 MA（F）=02WQ-2.5G-5.5Gp=0 Gp=7.41kN FA FB2-7、如图2-7所示，重力为G的球夹在墙和均质杆之间。AB杆的重力为GQ=4G/3，长为l，AD=2l/3。已知G、=30，求绳子BC和铰链A的约束反力。 解题提示物系平衡问题的解题步骤： 明确选取的研究对象及其数目。画出各个研究对象的受力图。选取直角坐标轴，列平衡方程并求解。解： 分别取球、AB杆为研究对象，画受力 图2-7 图（a）、（b）。列平衡方程并求解。由图（a）Fy=0 FNDsin-G =0 （1）FND =2G FT B由图（b） FNE O FNDFx=0 FAx+FNDcos - FT= 0 （2）Fy=0 FAy- FNDsin - GQ= 0 （3） FND D MO（F）=0 （a） G FT lcos FND2l/3 s GQ in l/2=0 （4） GQ解得： FAx A FAx=0.192G， FAy=2.33G， FT=1.92G FAy （b） 2-8、在图2-8所示平面构架中，已知F、a。试求A、B两支座的约束反力。解题提示 方法一： 分别取AC杆、BC杆为研究对象，画其受力图，列平衡方程求解。 方法二： 分别取BC杆、构架整体为研究对象，画其受力图，列平衡方程求解。 图2-8 2-9*、图2-9所示为火箭发动机试验台。发动机固定在台上，测力计M指示绳子的拉力为FT，工作台和发动机的重力为G，火箭推力为F。已知FTG、G以及尺寸h、H、a和b，试求推力F和BD杆所受的力。解题提示方法一： 分别取AC杆、工作台和发动机一体为研究对象，画其受力图，列平衡方程求解。 方法二： 分别取结构整体、工作台和发动机一体为研究对象，画其受力图，列平衡方程求解。 图2-9 2-10*、图2-10所示为一焊接工作架简图。由于油压筒AB伸缩，可使工作台DE绕O点转动。已知工作台和工件的重力GQ=1kN，油压筒AB可近似看作均质杆，其重力G=0.1kN。在图示位置时，工作台DE成水平，点O、A在同一铅垂线上。试求固定铰链A、O的约束反力。解题提示 分别取结构整体、AB杆（或DE杆）为研究对象，画其受力图，列平衡方程求解。 图2-102-11*、图2-11所示构架中，DF杆的中点有一销钉E套在AC杆的导槽内。已知Fp、a，试求B、C两支座的约束反力。解题提示解题顺序应为：整体研究对象DF杆AC杆（或AB杆）。解题过程：1、选整体为研究对象，画受力图（a）。列平衡方程：MB（F）=0 FCy 2a-FP 2a = 0 （1）MC（F）=0 -FBy = 0 （2） Fx=0 FBx + FCx = 0 （3） FCy = FP ，FBy = 0 ；2、选DF杆为研究对象，画受力图（b）。列平衡方程： 图2-11MD（F）=0 FNE sin45 2a-FP 2a = 0 （4） FNE=2 2 FP3、选AC杆为研究对象，画受力图（c）。列平衡方程：MA（F）=0， -FNE2 a + FCx 2a + FCy 2a = 0 （5） FCx= FP 将此代入（3）式可得：FBx =- FP 。 Fp F Fp F （b） （a） （c） 2-12*、两个相同的均质球的重力为W，半径为r，放在半径为R的两端开口的直圆筒内，、如图2-12a所示。求圆筒不致翻倒所必需的最小重力G；又若圆筒有底，如图2-12b所示，那么不论圆筒多轻都不会翻倒，为什么？ 解：图a） 分别取两球一体、圆筒为研究对象，考虑圆筒即将翻倒时的临界平衡状态，画受力图（1）、（2）。列平衡方程并求解。由图（1）：Fx=0 FN2FN3 =0Fy=0 FN1WW=0 FN1=2W，FN2=FN3 图2-12故两球一体可视为在两力偶M（FN2、FN3）、M（FN1W、W）作用下平衡，即 M（FN2、FN3）M（FN1W、W）= 0亦即 M（FN2、FN3）=M（FN1W、W）=2（Rr）W由图（2）：无底圆筒可视为在两力偶M（FN2、FN3）、M（FNA、Gmin）作用下平衡，即 M（FNA、Gmin）M（FN2、FN3）= 0 故有 Gmin R2（Rr）W = 0 Gmin = 2（1r/R）W FN3 FN2 （1） （2） （3） 解：图b）若圆筒有底，选整体为研究对象，受力如图（3）所示。地面对装球的有底圆筒只有一个约束反力FN与整体的合力（G、W、W）平衡，且两力等值、反向、共线；故不论圆筒有多轻都不会翻倒。2-13*、如图2-13所示一气动夹具中，已知气体压强q=40N/cm2，气缸直径d=8cm，=15，a=15cm。求杠杆对工件的压力FQ的值。解题提示此题宜选用两个研究对象：铰链A、BCD杆。其受力图为 （a） （b） 图2-13由受力图（a）列平衡方程求得F1，再由图（b）列平衡方程求得FQ。2-14、用节点法试求图2-14所示桁架中各杆的内力。已知G=10kN，=45。2-15、若已知W值，试用截面法求图2-15所示桁架中杆1、2、3的内力。解题提示平面静定桁架内力的计算方法 1、节点法逐个取节点为研究对象，列平衡方程求出杆件全部内力的方法。其步骤如下：图2-14 图2-15一般先求出桁架的支座反力。从具有连接两个杆件且有主动力作用的节点（或只有两个未知反力的节点）开始，逐个取其它节点为研究对象，用解析法求出杆的内力的大小和方向。注意事项：画各节点受力图时，各杆的内力均以拉力方向图示；2、截面法用一截面假想地把桁架切开，取其中任一部分为研究对象，列平衡方程求出被截杆件内力的方法。其步骤如下：先求出桁架的支座反力。通过所求内力的杆件，用一截面把桁架切成两部分，取半边桁架为研究对象，用解析法求出杆的内力的大小和方向。注意事项：只截杆件，不截节点；所取截面必须将桁架切成两半，不能有杆件相连。每取一次截面，截开的杆件数不应超过三根。被截杆件的内力图示采用设正法。 图2-14 节点选取顺序：CBD。 图2-15 求出桁架的支座反力后，用一截面将桁架沿1、2、3杆截开，取桁架左部（或右部）为研究对象即可。第二章 平面力系习题参考答案一、判断题2-1（错）、2-2（对）、2-3（错）、2-4（对）、2-5（对）、2-6（对）二、单项选择题2-1（C）、2-2（B ）、2-3（C）三、计算题2-1 FR= 2 F，MO=2Fa2-2 （a）FAx=0，FAy= qa/3，FB=2qa/3 （b）FAx=0，FAy=-qa，FB=2qa（c）FAx=0，FAy= qa， FB=2qa （d）FAx=0，FAy=11 qa/6，FB=13qa/6（e）FAx=0，FAy=2qa，MA=-3.5qa2（f）FAx=0，FAy=3qa，MA=3qa2（g）FA=2qa，FBx=-2qa，FBy=qa （h）FAx=0，FAy=qa，FB=02-3 （a）FA=-F/2（），FB=F（），FC=F/2（），FD=F/2（）（b）FA=-（qa/2 + M/a）（），FB= qa + F + M/a（），FC= qa /2（），FD= qa/2（） 四、应用题2-4 （a）FAx=2G，FAy= -G，FB=22 G（拉） （b）FAx=-2G，FAy= -G，FB=22 G（压）2-5 l=25.2m 2-6 Gp=7.41kN2-7 FAx=0.192G， FAy=2.33G， FT=1.92G2-8 FAx=-4F/3，FAy= F/2，FBx=F/3，FBy=F/22-9 F= FTh/H，FBD =G/2 + FTha/2bH2-10 FOx=-0.45kN，FOy= 0.6kN，FAx=0.45kN，FAy=0.5kN2-11 FCx=FP，FCy = FP， FBx =-FP，FBy = 02-12 Gmin = 2（1r/R）W2-13 FQ=15kN2-14 F1=14.14kN，F2=-10kN，F3=10kN，F4=-10kN，F5=14.14kN，F6=-20kN2-15 F1=W, F2=-1.414W, F3=0第三章 空间力系一、判断题3-1、当力与某轴平行或相交时，则力对该轴之矩为零。 （ ）二、单项选择题3-1、如图1所示，力F作用在长方体的侧平面内。若以Fx、Fy、Fz分别表示力F在x、y、z轴上的投影，以M x（F）、M y（F）、 zM z（F）表示力F对x、y、z轴的矩，则以下表述正确的是（ ）。A.、Fx =0, M x（F）0B、 Fy =0, M y（F）0 F C、 Fz =0, M z（F）0 O yD、Fy =0, M y（F）=0 x 图1三、计算题3-1、如图3-1所示，已知在边长为a的正六面体上有F1=6kN，F2=4kN， F3=2kN。试计算各力在三坐标中的投影。 解题提示首先要弄清各力在空间的方位，再根据力的投影计算规则计算各力在三坐标轴上的投影量。本题中F1为轴向力，仅在z轴上有投影；F2为平面力，在z轴上无投影；F3为空间力，在三坐标轴上都有投影，故应按一次投影法或二次投影法的计算方法进行具体计算。 图3-13-2、如图3-2所示，水平转盘上A处有一力F=1kN作用，F在垂直平面内，且与过A点的切线成夹角=60，OA与y轴方向的夹角=45，h= r =1m。试计算Fx 、Fy 、Fz 、M x（F）、M y（F）、M z（F）之值。解题提示：题中力F应理解为空间力。解：Fx =Fcoscos=1000cos60cos45=354NFy =-Fcossin= -1000cos60sin45= -354NFz =-Fsin= -1000 sin60= -866NM x（F）= M x（Fy）+ M x（Fz） = -Fyh + Fz rcos=35418661cos45 =258N.mM y（F）= M y（Fx）+ M y（Fz） = Fxh- Fz rsin=3541+8661sin45 =966N.m 图3-2M z（F）= M z（Fxy）= -Fcosr = -1000 cos601=-500N.m3-3、如图3-3所示，已知作用于手柄之力F=100N，AB=10cm，BC=40