4静力学第四章习题答案

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1、静力学第四章部分习题解答4-1力铅垂地作用于杆AO上,。在图示位置上杠杆水平，杆DC与DE垂直。试求物体M所受的挤压力的大小。rArCrBrDrE解：1.选定由杆OA，O1C，DE组成的系统为研究对象，该系统具有理想约束。作用在系统上的主动力为。2.该系统的位置可通过杆OA与水平方向的夹角完全确定，有一个自由度。选参数为广义坐标。3.在图示位置，不破坏约束的前提下，假定杆OA有一个微小的转角，相应的各点的虚位移如下：，代入可得：4.由虚位移原理有：对任意有：，物体所受的挤压力的方向竖直向下。4-4如图所示长为l的均质杆AB，其A端连有套筒，又可沿铅垂杆滑动。忽略摩擦及套筒重量，试求图示两种情况

2、平衡时的角度。解：4a1.选杆AB为研究对象，该系统具有理想约束。设杆重为P,作用在杆上的主动力为重力。2.该系统的位置可通过杆AB与z轴的夹角完全确定，有一个自由度。选参数为广义坐标。由几何关系可知：杆的质心坐标可表示为：3.在平衡位置，不破坏约束的前提下，假定杆AB逆时针旋转一个微小的角度，则质心C的虚位移：4.由虚位移原理有：对任意有： 即杆AB平衡时：。解：4b1.选杆AB为研究对象，该系统具有理想约束。设杆重为P,作用在杆上的主动力为重力。2.该系统的位置可通过杆AB与z轴的夹角完全确定，有一个自由度。选参数为广义坐标。由几何关系可知：杆的质心坐标可表示为：3.在平衡位置，不破坏约束

3、的前提下，假定杆AB顺时针旋转一个微小的角度，则质心C的虚位移：4.由虚位移原理有：对任意有： 即平衡时角满足：。4-5被抬起的简化台式打字机如图所示。打字机和搁板重P，弹簧原长为，试求系统在角保持平衡时的弹簧刚度系数值。解：1.选整个系统为研究对象，此系统包含弹簧。设弹簧力，且，将弹簧力视为主动力。此时作用在系统上的主动力有，以及重力。2. 该系统只有一个自由度，选定为广义坐标。由几何关系可知：3.在平衡位置，不破坏约束的前提下，假定有一个微小的虚位移，则质心的虚位移为：弹簧的长度，在微小虚位移下：4.由虚位移原理有：其中，代入上式整理可得： 由于，对任意可得平衡时弹簧刚度系数为：4-6复合

4、梁AD的一端砌入墙内，B点为活动铰链支座，C点为铰链，作用于梁上的力，以及力偶矩为的力偶，如图所示。试求固定端A处的约束力。解：解除A端的约束，代之以，并将其视为主动力，此外系统还受到主动力的作用。系统有三个自由度，选定A点的位移和梁AC的转角为广义坐标。1在不破坏约束的前提下给定一组虚位移，如图所示。由虚位移原理有：对任意可得：2在不破坏约束的前提下给定一组虚位移，如下图所示。由虚位移原理有： (1)由几何关系可得各点的虚位移如下：代入(1)式：对任意可得：，方向如图所示。3在不破坏约束的前提下给定一组虚位移，如上图所示。由虚位移原理有：(2)有几何关系可得各点的虚位移如下：代入(2)式：对

5、任意可得：，逆时针方向。4-7图示结构上的载荷如下：；力；力，其方向与水平成角；以及力偶，其力偶矩为。试求支座处的约束力。解：将均布载荷简化为作用在CD中点的集中载荷，大小为。1.求支座B处的约束力解除B点处的约束，代之以力，并将其视为主动力，系统还受到主动力的作用，如图所示。在不破坏约束的前提下，杆AC不动，梁CDB只能绕C点转动。系统有一个自由度，选转角为广义坐标。给定虚位移，由虚位移原理有： (1)各点的虚位移如下：代入(1)式整理可得：对任意可得：，方向如图所示。2.求固定端A处的约束力解除A端的约束，代之以，并将其视为主动力，系统还受到主动力的作用。系统有三个自由度，选定A点的位移和

6、梁AC的转角为广义坐标。2a.求在不破坏约束的前提下给定一组虚位移，此时整个结构平移，如上图所示。由虚位移原理有： (2)各点的虚位移如下：代入(2)式整理可得：对任意可得：，方向如图所示。2b.求在不破坏约束的前提下给定一组虚位移，此时梁AC向上平移，梁CDB绕D点转动，如上图所示。由虚位移原理有： (3)各点的虚位移如下：代入(3)式整理可得：对任意可得：，方向如图所示。2c.求在不破坏约束的前提下给定一组虚位移，此时梁AC绕A点转动，梁CDB平移，如上图所示。由虚位移原理有： (4)各点的虚位移如下：代入(4)式整理可得：对任意可得：，顺时针方向。4-8设桁架有水平力及铅垂力作用其上，且

7、，。试求杆1，2和3所受的力。解：假设各杆受拉，杆长均为a。1求杆1受力去掉杆1，代之以力，系统有一个自由度，选AK与水平方向的夹角为广义坐标，如上图所示。在不破坏约束的条件下给定一组虚位移，此时三角形ADK形状不变，绕A点转动，因此有，且：滑动支座B处只允许水平方向的位移，而杆BK上K点虚位移沿铅垂方向，故B点不动。三角形BEK绕B点旋转，且：对刚性杆CD和杆CE，由于，因此。由虚位移原理有： 代入各点的虚位移整理可得：对任意可得：（受压）。2求杆2受力去掉杆2，代之以力，系统有一个自由度，选BK与水平方向的夹角为广义坐标，如上图所示。在不破坏约束的条件下给定一组虚位移，杆AK绕A点转动，因

8、此有，且：同理可知B点不动，三角形BEK绕B点旋转，且：杆AD绕A点转动，由刚性杆DE上点E的虚位移可确定D点位移方向如图所示，且：同理可知。由虚位移原理有： 代入各点的虚位移整理可得：对任意可得：（受压）。3求杆3受力去掉杆3，代之以力，系统有一个自由度，选AK与水平方向的夹角为广义坐标，如上图所示。在不破坏约束的条件下给定一组虚位移，三角形ADK绕A点转动，且：同理可知B点不动，且：由虚位移原理有： 代入各点的虚位移整理可得：对任意可得：（受拉）。4-12杆长2b，重量不计，其一端作用铅垂常力，另一端在水平滑道上运动，中点连接弹簧，如图所示。弹簧刚度系数为k，当时为原长。不计滑块的重量和摩

9、擦，试求平衡位置，讨论此平衡位置的稳定性。解：F大小和方向不变，常力也是有势力。取杆和弹簧构成的系统为研究对象。该系统为保守系统，有一个自由度，选为广义坐标，如图所示。取为零势能位置，则系统在任意位置的势能为：由平衡条件可得：有：和即：和也就是：和两个平衡位置。为判断平衡的稳定性，取势能V的二阶导数：当时，即时是不稳定平衡。当时，由上式可知：1 当且时，即是稳定平衡位置；2 当且时，即是不稳定平衡位置。4-15半径为的半圆住在另一半径为的半圆柱上保持平衡，如图所示。试讨论对无滑动的滚动扰动的稳定性。解：取半径为r的半圆柱为研究对象，圆心为C。半圆柱作纯滚动，有一个自由度，取两个半圆心连线与y轴夹角为广义坐标。作用在半圆柱上的主动力为重力，系统为保守系统，如图所示，其中。由于半圆柱作纯滚动，有：（1）取坐标原点为零势能位置，则半圆柱在任意位置的势能为：代入（1）式有：由平衡条件可得为平衡位置。势能V的二阶导数：由上式可得当，是稳定的。