第 2 章 平面汇交力系和平面力偶系

教学提示：力系有各种不同的类型，因此它们的合成结果和平衡条件也不相同。本章

研究平面力系最简单的两种情况——平面汇交力系和平面力偶系的合成和平衡，它们是研

究平面一般力系的基础。

教学要求：本章对学生的要求有两点：熟练掌握平面汇交力系的合成的几何法和解析

法，能够用平面汇交力系的平衡方程解题。熟悉力矩和力偶的概念、平面力偶系的性质，

能够对平面力偶系进行合成，并学会利用平衡条件和平衡方程求解未知力。

2.1 平面汇交力系合成与平衡的几何法

如果一个力系的所有各力的作用线都位于同一平面内，且汇交于一点，则该力系称为

平面汇交力系。

2.1.1 平面汇交力系合成的几何法

现在用几何法来研究平面汇交力系的合成。由于作用在刚体上的力可以分别将它们沿

其作用线滑移到汇交点，并不影响其对刚体的作用效果，所以平面汇交力系与作用于同一

点的平面力系(平面共点力系)对刚体的作用效果是一样的。因此，本章只需研究平面共点

力系。 如图 2.l(a)所示，设有一作用于刚体上的平面共点力系 1 2 3、 、F F F 。设其作用线共同相

交于同一 A点，求该力系的合力。 可连续应用力的平行四边形法则或三角形法则将各力依次合成。即先将力 1F 与 2F 合成

为一合力 R1F ，再将力 R1F 与 3F 合成一合力 R 2F 。这个合力 R 2F 就是 1 2 3、 、F F F 的合力。显

然合力的作用线必过交点 A，其大小及方向如图 2.l(b)所示。继续采用这种方法，可以把共点力系的全部力合成。实际上，作图时力 R1F 、 R 2F 可不必画出，只要把各力首尾相接，即

连接第一个力的始端与最后一个力的终端的矢量就是合力 RF ，力系中各力称为合力 RF 的

分力，如图 2.1(c)所示。这样作出的多边形就是力多边形。合力就是力多边形的封闭边。这

种用力多边形求解合力的方法就是力多边形法则。

可以证明，任意改变力的合成的先后次序，虽然所得到的力的多边形形状不同，但是合

力 RF 完全相同，即力的合成的多边形法则合成的合力 RF 与各个分力合成的先后次序无关。

综上所述，可得到以下结论：平面汇交力系的合成结果为一合力，其大小和方向由力

的多边形的封闭边来表示，作用线通过各力的汇交点，即合力等于各个分力的矢量和(或几

何和)。矢量式为

R 1 21

n

n ii=

= + + + =∑�F F F F F (2-1)

工程力学(上册)

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·20·

(a) (b) (c)

图 2.1

2.1.2 平面汇交力系平衡的几何条件

由力多边形法则知，平面汇交力系的合成结果为一合力，显然，平面汇交力系平衡的

必要和充分条件是该力系的合力 RF 等于零。如果用矢量形式表示，即

R1

0n

ii=

= =∑F F (2-2)

由力的合成的几何法可知，平面汇交力系的合力 RF 是由力多边形的封闭边来表示的。

在平衡的情形下合力 RF 为零，也就是力多边形中最后一力终点与第一个力的起点重合，此

时的力多边形称为封闭的力多边形。于是得到如下结论：平面汇交力系平衡的必要和充分

条件是力多边形自行封闭。这就是平面汇交力系平衡的几何条件。

运用平面汇交力系平衡的几何条件求解问题时，需要首先按比例画出封闭的力多边形，

然后用尺和量角器在图上量得所要求的未知量；也可根据图形的几何关系，用三角公式计

算出所要求的未知量，这种解题方法称为几何法。

(a) (b) (c)

图 2.2

【例 2.1】 一重物 W重量为 20kN，如图 2.2(a)所示位置平衡。如不计绳索的自重和伸长，BC处于水平位置， 30ϕ = °，试求绳索 AB和 BC的张力。

解：选取重物为研究对象，受力图如图 2.2(b)所示，显然这是一个平面汇交力系。

根据平面汇交力系平衡的几何条件，这三个力应构成一个自行封闭的力三角形。如用

作图法求解，可按照比例，先画出已知力W = ac，然后过 a、c两点分别作直线平行于 ABF

和 BCF ，这两条直线相交于 b点，于是得到力的三角形△abc，如图 2.2(c)所示， ABF 和 BCF

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

·21·

·21·

的指向应符合首尾相接的规则。然后按照比例尺，可以从力的三角形中得到 23kN 12kNAB BC= =，F F

【例 2.2】 支架的横梁 AB与斜杆DC彼此以铰链C相连接，并以铰链 A、D连接于竖直

墙上，如图 2.3(a)所示。已知 AC CB= ；杆DC与水平线成 45°；载荷 10kN=P ，作用于 B

处。梁和杆的自重忽略不计，求铰链 A的约束反力和杆DC所受的力。

(a) (b) (c) (d)

图 2.3

解：(1) 取杆DC为研究对象，显然DC为二力杆，受力图如图 2.3(b)所示。

(2) 取横梁 AB为研究对象。横梁在 B处受载荷 P作用。在横梁C处受到杆DC在C处

的反作用力 C′F 。铰链 A的约束反力 AF 的作用线可根据三力平衡汇交定理确定，即通过另

两力的交点 E，如图 2.3(b)所示。

根据平面汇交力系平衡的几何条件，这三个力应组成一封闭的力三角形，选定力的比

例尺，先画出已知力矢 =ab P ，再由 a、b两点分别作直线平行于 AE和CE，这两条直线相交于 d点，由力三角形△abd封闭的特性，可确定 AF 、 C′F 的指向，如图 2.3(c)所示。

在力三角形中，线段 bd和线段 da分别表示力 C′F 和 AF 的大小，量出它们的长度，按

比例换算可得 22.4kN 28.3kNA CF F= =，

根据作用力和反作用力的关系，作用于杆 DC在C端的力 CF 与 C′F 的大小相等，方向

相反，由此可知杆DC是受压杆，如图 2.3(b)所示。

应该指出，封闭的力的多边形也可以根据三角几何关系，作成如图 2.3(d)所示的力三角形，同样可求得力 CF 和 AF ，且结果相同。

通过以上例题，可知用几何法求解平衡问题的主要步骤如下：

(1) 选取研究对象。根据题意，分析已知量与待求量，选取恰当的平衡物体作为研究

对象，并画出分离体简图。

(2) 分析研究对象的受力情况，正确地画出其相应的受力图。在研究对象上，画出其

所受的全部外力。若某个约束反力的作用线不能根据约束特性直接确定，而物体又只受三

个力作用时，则可根据三力平衡汇交的条件来确定未知力的作用线方位。

(3) 作封闭的力多边形图，求解未知量。可以应用比例尺直接量出待求的未知量，也

可以根据几何三角关系计算出来。

工程力学(上册)

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·22·

2.2 平面汇交力系合成和平衡的解析法

在求解平面汇交力系问题时，除了应用前面所述的几何法以外，比较常用的方法是解

析法。解析法是以力在坐标轴上的投影为基础的。为此，先介绍力在坐标轴上的投影。

2.2.1 力在坐标轴上的投影

设在刚体上 A点作用一力F，通过力F的两端 A和 B分别向 x轴作垂线，垂足为 a和

b，如图 2.5(a)所示。线段 ab的长度冠以适当的正负号就表示这个力在 x轴上的投影，记为 xF 。如果从 a到 b的指向与投影轴 x轴的正向一致，则力F在 x轴的投影定为正值，反

之为负值。

(a) (b)

图 2.4

若力F与 x轴之间的夹角为α ，则有 cosx α=F F (2-3)

即力在某轴上的投影，等于力的大小乘以力与该轴的正向间夹角的余弦。当α 为锐角时， xF 为正值；当α 为钝角时， xF 为负值。可见，力在轴上的投影是个代数量。

为了计算方便，经常需要求力在直角坐标轴上的投影。如图 2.4(b)所示，将力F分别在正交的Ox Oy、 上投影，则有

cos

cosx

y

αβ

= ⎫⎪⎬= ⎪⎭

F F

F F (2-4)

2.2.2 合力投影定理

设由 1 2 3、 、F F F 组成的平面汇交力系，如图 2.5 所示。根据力多边形法则可以将

1 2 3、 、F F F 合成力的多边形 ABCD， AD为封闭边，即合力 RF 。任选坐标系Oxy，将合力

RF 和各分力 1 2 3， ，F F F 分别向 x轴投影，得到

R xF ad= ， 1 2 3x x xF ab F bc F cd= = = −， ，

由图可见

ad ab bc dc= + −

因此，得到

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

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·23·

R 1 2 3x x x xF F F F= + +

同理，可以得到合力 RF 在 y轴上的投影

R 1 2 3y y y yF F F F= + +

式中， 1 2 3y y yF F F、 、 分别为 1 2 3、 、F F F 在 y轴上的投影。

若将上述合力投影与分力投影推广到一般平面汇交力系中，得到

R 1 21

R 1 21

n

x x x nx ixi

n

y y y ny iyi

F F F F F

F F F F F

=

=

⎫= + + + = ⎪⎪⎬⎪= + + + =⎪⎭

∑

∑

�

�

(2-5)

图 2.5

合力投影定理：合力在任一轴上的投影等于各分力在同一轴上的投影的代数和。 由此可得到合力的大小和方向

( ) ( )222 2R R R

R

R

tan

x y xi yi

y yi

x xi

F F F F F

F F

F Fα

⎫= + = + ⎪⎪⎬⎪= =⎪⎭

∑ ∑

∑∑

(2-6)

式中，α 为合力 RF 与 x轴之间的锐角。

2.2.3 平面汇交力系的平衡方程

由前面可知，平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：力系的合力等于零。由式 2-2可知，要使合力 R 0F = ，需要满足

( ) ( )22

R 0xi yiF F F= + =∑ ∑ (2-7)

所以，满足

0

0

xi

yi

F

F

⎫= ⎪⎬

= ⎪⎭

∑

∑ (2-8)

由此，可以得到平面汇交力系平衡的必要和充分条件是：各力在 x轴和 y轴投影的代

数和分别为零。这就是平面汇交力系的平衡方程。这是两个独立方程，因此可以求解两个

未知量。

工程力学(上册)

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·24·

用解析法求解平衡问题时，未知力的方向一般不能直接确定，可以先假设指向，一般

假设为坐标轴的正向。如计算结果为正，说明假设方向与实际方向相同；如计算结果为负，

说明假设方向与实际方向相反。

【例 2.3】 刚架如图 2.6(a)所示。已知水平力 P ，不计刚架自重，试用解析法求 A、 B处

支座反力。

(a) (b)

图 2.6

解：对刚架进行受力分析，显然是受到平面汇交力系，三力汇交于C点，如图 2.6(b)所示。

建立坐标系：选择 A点为坐标原点，建立直角坐标系如图 2.6(b)所示。根据平面汇交

力系的平衡方程，得

0, cos 0

0, sin 0

xi A

yi A B

F P F

F F F

ϕ

ϕ

⎧ = − =⎪⎨

= − + =⎪⎩

∑

∑

式中，2 2

2 2 5 5cos sin

5 55 5

a a

a aϕ ϕ= = = =， 。

所以求得 5

2AF P= ，1

2AF P=

【例 2.4】 一拱形桥由三个铰拱组成，如图 2.7(a)所示。各拱重量不计，已知作用于 H点

的水平力 PF ，试求 A、 B、C和D处各个支座反力。

解：分析：为应用平面汇交力系来求解各个支座反力，必须将拱桥拆成四部分进行受力分

析。经过受力分析，显然可以确定 AE为二力杆，因此以此为出发点，其余的三部分分别受到不平行的三个力作用，可以应用三力平衡汇交，从而可以根据主动力 PF 来确定各个约

束反力。

依次取研究对象 AE、EBF、FCG和GD，受力图分别如图 2.7(b)、图 2.7(c)、图 2.7(d)、图 2.7(e)所示。为了解题方便，取直角坐标系Oxy如图 2.7所示。

(1) 取GD为研究对象，建立平衡方程：

P

P

0 cos 45 0

0 sin 45 0

xi G

yi D

F F F

F F F

′⎧ = − =⎪⎨

= − =⎪⎩

∑

∑

， °

， °

解得

P

2

2D GF F F′= =

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

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(2) 取 FCG为研究对象，建立平衡方程：

0, cos 45 0

0, sin 45 0

xi C G

yi C F

F F F

F F F

⎧ = − =⎪⎨

= − =⎪⎩

∑

∑

°

°

解得

PCF F= ， P

2

2FF F=

(3) 取 EBF为研究对象，建立平衡方程：

0 cos 45 0

0 sin 45 0

xi E B

yi F B

F F F

F F F

′⎧ = − =⎪⎨ ′= − =⎪⎩

∑

∑

， °

， °

解得

PBF F= ， P

2

2EF F′ =

(4) 最后，取 AE为研究对象。 AE为二力杆，显然有

P

2

2A EF F F= =

(a)

(b) (c) (d) (e)

图 2.7

注意：解题过程中，建立坐标系时，坐标轴尽可能与未知力垂直或平行。

2.3 力矩和合力矩定理

2.3.1 力对点之矩

在生产实践中，人们使用杠杆、滑轮等简单机械搬运或提升重物，以及用扳手旋动螺

帽，形成了力对点之矩这一概念。如图 2.8 所示，平面上有一作用力F，在同平面内任取

工程力学(上册)

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一点O，O点称为矩心，O点到力的作用线的垂直距离 h称为力臂，则在平面问题中力对点之矩的定义如下。 力对点之矩是一个代数量，其绝对值等于力的大小与力臂的乘积，其正负习惯上按下

述方法确定：力使物体绕矩心逆时针转动时为正，反之为负。记作：

( )Om F h= ± ⋅F (2-9)

由定义可知，力矩是相对某一矩心而言的，离开了矩心，力矩就没有意义。而矩心的

位置可以是力作用面内任一点，并非一定是刚体内固定的转动中心。

从几何上看，力F对O点的矩在数值上等于OAB面积的 2倍，如图 2.8所示。显然，

当力沿作用线移动时，力对点之矩保持不变；当力的作用线过矩心，则它对矩心的力矩为零。

在国际单位制中，力矩的单位是牛[顿]米( N m⋅ )或千牛[顿]米( kN m⋅ )。

力对点之矩可用矢量积来表示，即

( ) |Om = ×F r F | (2-10)

其中，r表示力的作用点 A距离矩心 O的有向线段，称为矢径。

2.3.2 合力矩定理

合力矩定理：平面汇交力系的合力对平面内任一点之矩等于所有各分力对同一点之矩

的代数和，即

( ) ( )O Om m=∑F F

证明：平面汇交力系 1 2( )n�， ， ，F F F ，如图 2.9所示。合力为 RF ，即 R 1 2 nF = + +…+F F F ，

任取矩心O，则有

图 2.8 图 2.9

( )( ) ( ) ( ) ( )

R 1 2 1 2

1 2

| | ( ) | | |O n n

O O O n O i

m |

m m m m

= × = × + + = × + × + + ×

= + + + =∑

� �

�

F r F r F F F r F r F r F

F F F F (2-11)

因此定理得证。

此定理不仅对平面汇交力系适用，对于其他平面力系也适用。

2.4 力偶和力偶矩

在实践中，汽车司机用双手转动转向盘，如图 2.10(a)所示；钳工用丝锥攻螺纹；如

图 2.10(b)以及日常生活中人们用手拧水龙头开关，用手指旋转钥匙，等等。都是施加力偶

的实例。其中作用于转向盘、丝锥扳手和水龙头开关的力分别成对出现，它们大小相等，

方向相反，作用线平行。力学中，把这些成对的力作为整体来考虑。

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

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·27·

(a) (b)

图 2.10

2.4.1 力偶

由大小相等，方向相反，作用线平行的二力组成的力系称为力偶，如图 2.11所示。力偶与力一样，也是力学中的一种基本物理量。力偶用符号 ( )′，F F 表示。力偶所在的平面

称为力偶作用面，力偶的二力间的垂直距离称为力偶臂。

由力偶的性质可知，力偶不能和一力等效，即不能合成为一个合力，或者说力偶无合

力，那么一个力偶不能与一力相平衡，力偶只能与力偶相平衡。

2.4.2 力偶矩

由于力偶中的两个力大小相等、方向相反、作用线平行，

可见力偶无合力，因而力偶对刚体不产生移动效应。实践证

明力偶只能使刚体产生转动效应。力偶对刚体的这种转动效

应可用力偶矩来度量，即用力偶的两个力对其作用面内某点

之矩的代数和来度量。 设有力偶 ( )′，F F ，其力偶臂为 h，如图 2.11 所示。力

偶对 O点之矩为 ( )Om ′，F F ，则有

( ) ( ) ( ) ( )O O Om m m F OC F OD F OC OD F h′ ′= + = ⋅ + ⋅ = + = ⋅，F F F F (2-12)

由于矩心O是任选的，可见，力偶的作用效应取决于力的大小和力偶臂的长短以及转

向，而与矩心的选择无关。因此力学中把力与力偶臂的乘积并冠以正负号称为力偶矩，记

作 ( , )m ′F F ，简记为m，即

( )m m F h′ = = ± ⋅，F F (2-13)

因此，可以得到以下结论：平面力偶矩是一个代数量，其绝对值等于力的大小和力偶

臂的乘积，正负号表示力偶的转向。通常规定逆时针为正，反之为负。与力矩单位一样，

力偶矩的单位是N m⋅ 或 kN m⋅ 。

2.4.3 力偶等效定理

力偶等效定理：在同一平面内的两个力偶，只要力偶矩大小相等，转向相同，则两个

力偶必然等效。

图 2.11

工程力学(上册)

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·28·

证明：设有一力偶 ( )′，F F ，作用于刚体上，其力

臂为 d ，力 F 和 ′F 的作用点 A和 B的连线恰为力偶臂

d，如图 2.12所示。分别在 A、B两点沿其连线加上一对等值、反向、共线的平衡力 TF 和 T′F 。现将F和 TF 合

成为 1F ， ′F 和 T′F 合成为 ′1F 。显然，力 1F 和 1′F 组成一

新的力偶 1 1( )′，F F 。

力偶 1 1( )′，F F 是在原力偶 ( )′，F F 上加上一对平衡

力而得到的，根据加减平衡力系原理，力偶 ( )′，F F 与

力偶 1 1( )′，F F 等效。这就证明了共面的两个力偶的力偶矩相等，即它们等效。

推论 1：只要在力偶矩大小和转向不变的条件下，可任意改变力与力偶臂大小，而不

改变力偶对刚体的效应，如图 2.13(c)、图 2.13(d)所示。

推论 2：力偶可以在作用面内任意移转，而不影响它对物体的作用效应。换句话说，

力偶对刚体的作用效果与它在作用面内的位置无关，如图 2.13(a)、图 2.13(b)所示。

由此可见，力偶中力的大小和力偶臂的长短都不是力偶的特征量。力偶矩才是力偶作

用效果的唯一度量。因此常用图 2.13(e)所示符号表示力偶，其中 m表示力偶矩的大小，带

箭头的圆弧线表示力偶的转向。

应当注意，以上结论不适合用于变形体效应的研究。

(a) (b) (c) (d) (e)

图 2.13

2.5 平面力偶系的合成和平衡的条件

2.5.1 平面力偶系的合成条件

设在同一平面内有两个力偶 1( )′1，F F 和 2( )′2，F F ，它们的力臂各为 1d 和 2d ，如图 2.14(a)

所示。这两个力偶的矩分别为 1m 和 2m ，求它们的合成结果。

为此，在保持力偶矩不变的情况下，同时改变这两个力偶的力的大小和力偶臂的长短，

使它们具有相同的臂 d，并将它们在平面内移转，使力的作用线重合，如图 2.14(b)所示。

然后求各共线力系的代数和，每个共线力系得一个合力，这两个合力等值、反向、平行，

距离为 d，构成一个与原力偶系等效的合力偶，如图 2.14(c)所示。其力偶矩为

F

FT '

TF

1F

1′F

A B d

d1

C

D E

′F

图 2.12

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

·29·

·29·

( )1

n

ii

d=

′ = ⋅ =∑，m F F F m (2-14)

(a) (b) (c)

图 2.14

由此可知：平面力偶系可以用一个合力偶等效代替，其合力偶矩等于原来各个分力偶

的代数和。

2.5.2 平面力偶系的平衡条件

由平面力偶系的合成结果可知，力偶系平衡时，其合力偶矩等于零；反过来合力偶矩

等于零，则平面力偶系平衡。因此平面力偶系平衡的必要和充分条件是：合力偶矩的代数

和等于零。即

0im =∑ (2-15)

这就是平面力偶系的平衡方程。应用这个平衡方程可以求解一个未知量。

【例 2.5】 简支梁 AB，如图 2.15(a)所示，其上作用一力偶矩m的作用，已知梁长为 L，

不计自重，求支座反力。

解：取梁 AB为研究对象。作用于梁上的力只有力偶矩m和 A、 B处的约束反力。 B处反

力的方位垂直于支撑面法线方向，指向假设向下，如图 2.15(b)所示。根据平面力偶平衡条

件， A处反力和 B处反力必组成一对力偶，列出平面力偶系平衡方程：

0im =∑ ， 0AF L m⋅ − =

解得

A B

mF F

L= =

(a) (b)

图 2.15

【例 2.6】 铰接四杆机构 1OABO 在图示位置平衡，如图 2.16(a)所示。已知： 40cmOA= ，

1 60cmO B = ，作用在OA上的力偶的力偶矩 1 1N mm = ⋅ 。试求力偶矩 2m 的大小和杆 AB所

受的力，各杆自重均不计。

工程力学(上册)

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·30·

(a) (b)

(c) (d)

图 2.16

解：(1) 选取OA杆为研究对象。 AB杆是二力杆，假设 AB受力图如图 2.16(c)所示。对OA进行受力分析，受到力偶矩 1m ，由于OA两个点约束，故O、 A两点受到一对力偶的作用

( OF 和 ABF )，OA杆受力图如图 2.16(b)所示。

根据平面力偶系的平衡条件列方程：

0im =∑ ， 1sin 30 0ABF OA m⋅ − =°

解得 5NABF =

(2) 选取 1O B杆为研究对象。 1O B杆受力图如图 2.16(d)所示。列平衡方程：

0im =∑ ， 2 1 0BAm F O B− ⋅ =

解得

2 3N mm = ⋅

小 结

(1) 平面汇交力系 平面汇交力系合成为一个合力 RF ，合力等于各个分力的矢量和，即

1 21

n

ni=

= + + + =∑� iF F F F F

① 几何法：用力多边形的封闭边来表示合力 RF 的大小和方向。

② 解析法：合力的大小和方向的计算公式

( ) ( )222 2R

tan

x y xi yi

y yi

x xi

F F F F

F F

F Fα

= + = +

= =

∑ ∑

∑∑

F

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

·31·

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(2) 平面汇交力系平衡

平面汇交力系平衡的充要条件是合力 F 为零。 ① 几何法：力的多边形自行封闭。 ② 解析法：平面汇交力系的平衡方程

0

0

xi

yi

F

F

⎧ =⎪⎨

=⎪⎩

∑

∑

(3) 力矩 力矩是衡量对物体转动效应的度量。计算公式

( )Om F h= ± ⋅F

(4) 力偶和力偶矩的概念 ① 大小相等，方向相反，且互相平行的二力组成的力系称为力偶。 ② 力偶无合力，因而力偶对刚体不产生移动效应。因此不能用一个力与之平衡。 ③ 在同一平面内的两个力偶，只要力偶矩大小相等，转向相同，则两个力偶必然等效。 (5) 平面力偶系的合成

平面力偶系可以合成一个合力偶，合力偶矩等于各个力偶矩的代数和。即

im m=∑

(6) 平面力偶系的平衡方程

0im =∑

思 考 题

2-1 试指出图 2.17所示各力的多边形中，哪个是自行封闭的？哪个不是自行封闭的？

并指明哪些力是分力？哪些力是合力？

F1

F3

F2

F3

F2 F1

F1 F1

F2

F3 F3

F4 F4

F2

图 2.17

2-2 试写出图 2.18所示各力在 x轴和 y轴的投影的计算式。

x x x x

y y y y

F1 F2 F3 F4 α1 α2 α3

图 2.18

2-3 若选择在同一平面内既不平行又不垂直的两轴 x和 y作为坐标轴，如图 2.19所示，且

工程力学(上册)

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物体上的平面汇交力系满足方程式： 0xiF =∑ ， 0yiF =∑ 。能否说明该物体一定平衡？为何？

F1

F2

F3 F4

F5

O O x

y

图 2.19

2-4 用解析法求平面汇交力系的合力时，是否一定应用直角坐标系？若取不同的直角

坐标系，所得的合力是否相同？ 2-5 用解析法求解平面汇交力系的平衡问题时，投影轴 x和 y是否一定要相互垂直？为

何？

2-6 试比较力矩与力偶矩二者的异同？

2-7 力偶可否用一个力来平衡？为何？ 2-8 图 2.20(a)所示刚体受同一平面内的两力偶 1 3( )，F F 和 2 4( )，F F 的作用，其力的多

边形自行封闭，如图 2.20(b)所示。试问物体是否处于平衡？为何？

F1

F2

F3

F4

F1

F2

F3

F4

(a) (b)

图 2.20

2-9 若有两力偶 1 1( )′，F F 和 2 2( )′，F F ，其中 1 10kNF = ， 2 15kNF = ，能否说力偶 2 2( )′，F F

对物体的作用效果比 1 1( )′，F F 的作用效果大？应该怎样比较两力偶对物体的转动效果？

习 题

2-1 铆接薄板在孔心 A、B和C处受三力作用，如图 2.21所示，

1 100N=P 沿竖直方向向上； 50N=3P ，沿水平方向，并通过 A点；

50N=2P ，力的作用线通过 B点也通过 A点，距离水平和竖直方向

的投影分别为 6cm和 8cm，求力系的合力。

2-2 如图 2.22所示四个支架，在销钉上作用有一竖直力 P 。如

各杆自重不计，试分析 AB和 AC所受的力，并说明是拉力还是压力。

图 2.21

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

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(a) (b) (c) (d)

图 2.22

2-3 如图 2.23所示，梁 AB中点作用一力 20kNP = ，力 P 与梁的轴线组成 45°夹角。若梁自重不计，试求(a)和(b)两种情况各支座的约束反力。

(a) (b)

图 2.23

2-4 图 2.24 示拱架，中间铰链连接， AC受到一竖直方向力 P 的作用。如不计自重，

求铰链支座 A、 B、C的约束反力。

2-5 如图 2.25所示拱架，受到水平力F的作用。若不计自重，求铰链支座 A和 B的约

束反力。

图 2.24 图 2.25

2-6 如图 2.26所示，铰接四杆机构CABD的C、D端通过固定铰链连接，在铰链 A、B处有力 P 、Q的作用，方向如图 2.26所示。如不计各杆自重，求机构处于平衡状态时 P 、

Q之间的关系。

2-7 两根完全相同的钢管C和钢管D搁在斜坡上，钢管C用两根铅垂立柱挡住两端，

如图 2.27所示，若每根钢管重量为 4kN。求钢管作用在每根立柱上的压力。

工程力学(上册)

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图 2.26 图 2.27

2-8 物体重量 20kNW = ，用绳子挂在支架的滑轮 B上，绳子的另一端接在绞车D上。

如图 2.28所示。转动绞车，物体便能升起。设滑轮的大小及其中的摩擦略去不计，A、B、

C三处均为铰链连接。当物体处于平衡状态时，试求拉杆 AB和支杆CB所受的力。 2-9 一组绳悬挂一重量为1kN的重物M ，如图 2.29所示，1、3绳子水平，2和 4绳与

水平和竖直方向夹角分别为 45 , 30α β= =° °，求各段绳子的拉力。

2-10 为了将木桩从地中拔出，在木桩的上端 A处系一绳索，绳子另一端固定在 B处，然后在C点系另一绳子，绳子另一端固定在D点。如体重 700NP = 的人将身体压在 E点，使绳子铅垂，CE段水平，如图 2.30所示， 4α = °，求木桩所受的拉力。

图 2.28 图 2.29 图 2.30

2-11 求图 2.31中 P对O点之矩。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

图 2.31

2-12 如图 2.32 所示，减速箱的两个外伸轴上分别作用有力偶，其力偶矩为

1 2000N mm = ⋅ ， 2 1000N mm = ⋅ ，减速箱用两个相距 400mm的螺钉 A和镙钉 B固定在地面

第 2章 平面汇交力系和平面力偶系

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上。求螺钉 A和螺钉 B处的垂直约束力。 2-13 已知：杆重不计，力偶矩 M，尺寸 a，如图 2.33 所示。求 A、 B、C三处约束

反力。 2-14 图 2.34所示曲柄滑道机构中，杆 AE上有一导槽，套在杆 BD上的销钉C上，销

钉C可在光滑的导槽内滑动，已知 1 4kN mm = ⋅ ，方向如图 2.34， 2mAB = ，θ = 30°，AE

处于水平位置时，系统平衡。求 2m 及铰链 A和 B处的约束反力。

图 2.32 图 2.33 图 2.34

2-15 十字形杆的支撑和受力情况如图 2.35所示，已知 1 1 50kNF F ′= = ， 2 2 20kNF F ′= = ，

A和 B处可视为活动铰支，若不计杆自重。求两处的约束反力。 2-16 铰接的平面四连杆机构 1 2O ABO 在图 2.36 所示位置平衡。已知 1 40cmO A = ，

2 60cmO B = ，作用在杆 1O A上的力偶矩 1 1N mM = ⋅ 。试求 AB所受的力和力偶矩 2m 。

2-17 杆 AB和CD在C处光滑接触，它们分别受力偶矩为 1m 和 2m 的力偶的作用，转向

如图 2.37所示。求比值 1

2

mm 多大时机构才处于平衡状态？

图 2.35 图 2.36 图 2.37