静力学基础静力学是研究物体平衡一般规律的科学。这里所研究的平衡是指物体在某一惯性参考系下处于静止状态。物体的静止状态是物体运动的特殊形式。根据牛顿定律可知，物体运动状态的变化取决于作用在物体上的力。那么在什么条件下物体可以保持平衡，是一个值得研究并有广泛应用背景的课题，这也是静力学的主要研究内容。本章包括物体的受力分析、力系的简化、刚体平衡的基本概念和基本理论。这些内容不仅是研究物体平衡条件的重要基础，也是研究动力学问题的基础知识。一、力学模型在实际问题中，力学的研究对象（物体）往往是十分复杂的，因此在研究问题时，需要抓住那些带有本质性的主要因素，而略去影响不大的次要因素，引入一些理想化的模型来代替实际的物体，这个理想化的模型就是力学模型。理论力学中的力学模型有质点、质点系、刚体和刚体系。质点：质点：具有质量而其几何尺寸可忽略不计的物体。质点系：质点系：由若干个质点组成的系统。刚体：刚体：是一种特殊的质点系，该质点系中任意两点间的距离保持不变。刚体系：由若干个刚体组成的系统。刚体系对于同一个研究对象，由于研究问题的侧重点不同，其力学模型也会有所不同。例如：在研究太空飞行器的力学问题的过程中，当分析飞行器的运行轨道问题时，可以把飞行器用质点模型来代替；当研分析飞行器在空间轨道上的对接问题时，就必须考虑飞行器的几何尺寸和方位等因素，可以把飞行器用刚体模型来代替。当研究飞行器的姿态控制时，由于飞行器由多个部件组成，不仅要考虑它们的几何尺寸，还要考虑各部件间的相对运动，因此飞行器的力学模型就是质点系、刚体系或质点系与刚体系的组合体。二、基本定义力是物体间相互的机械作用，从物体的运动状态和物体的形状上看，力对物体的作用效应可分为下面两种。外效应：力使物体的运动状态发生改变。外效应内效应：力使物体的形状发生变化（变形）。内效应对于刚体来说，力的作用效应不涉及内效应。刚体上某个力的作用，可能使刚体的运动状态发生变化，也可能引起刚体上其它力的变化。FWBAWFBfBAFAfFBN（a）FANFBN(b)图1－1FBN例如一重为W的箱子放在粗糙的水平地面上（如图1-1a所示），人用力水平推箱子，当推力F为零时，箱子静止，只受重力W和地面支撑力FAN,FBN的作用。当推力由小逐步增大时，箱子可能还保持静止状态，但地面作用在箱子上的力就不仅,FBf的作用（如图1-1b）。随着推力的逐步增大，箱子的运动状态就会发生变化，箱子可能仅是支撑力，还要有摩擦力FAf平行移动，也可能绕A点转动，或既有移动又有转动。静力学就是要研究物体在若干个力作用下的平衡条件。为此，需要描述作用于物体上力的类型和有关物理量的定义等。力系：作用在物体上若干个力组成的集合，记为{F1,F2,L,Fn}。力系力偶：一种特殊的力系，该力系只有两个力构成{F,F'}，其中F力偶不重合。有时力偶也用符号=?F'(大小相等，方向相反)，且两个力的作孟?M表示，如图1-2所示。dF（a）F’M(b)图1-2M(c)，等效力系：若力系{F1,F2,L,Fn}和力系{P1,P2,L,Pm}对同一刚体产生相同的作用效果（运动、约束力等）称这两个力系是等效力系，记为{F1,F2,L,Fn}平衡力系：不产生任何作用效果的力系。平衡力系例如一个刚体上没有力的作用并且在惯性系下处于静止，那么这个刚体将永远保持静止状态；若这个刚体在某个力系作用下仍然保持静止，这样的力系就是平衡力系。由于平衡力系作用的效果与没有任何力作用的效果相同，所以平衡力系也称为零零力系。通常平衡力系表示成{F1,F2,L,Fn}力系?{P,P,L,P}。12m={0}。?{F1,F2,L,Fn}合力：与一个力系等效的力称为该力系的合力。记为{FR}合力如力FR是力系{F1,F2,L,Fn}的合力，则力Fi(i=1,L,n)称为FR的分力。将一个力系用其合力来代替A是一个矢量，r是由参考点O到矢量A始端的矢径（如图1-3a所示），矢量A对O点的矩定义为：（1-1）的过程称为力的合成，将合力代换成几个分力的过程称为力的分解。矢量矩：矢量矩：设MO=MO(A)=r×ArOAO(a)图1－3Fr(b)由上式可以看出，矢量矩也是一个矢量。应用矢量矩的概念，如果把矢量用点的矢径（如图1-3b所示），就可以得到力对O点之矩的定义。点的矩：力对O点的矩A置换成力的矢量F，r是由O点到力的作MO=MO(F)=r×F。设{F1,F2,L,Fn}是作用在某一刚体上的力系，力系的主矢和对O点的主矩定义成：FR=∑Fii=1n主矢：，主矩：主矩：MO=∑