三力平衡汇交定理的证明

商业作者 / 姓名 / 2025-07-21 13:19
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如图1所示,在F1、F2、F3三力的作用线上分别取不共线的三点A、B、C 并相互连接,组成平面ABC。现考虑三力对AB轴的矩,由于F1、F2通过AB 轴,故对AB轴的力矩均为零。由三力平衡知,三力对任一轴的力矩之和均为零。由此知,F3对AB轴的力矩也为零,故F3与AB轴的位置关系只可能有平行或相交两种情形(具体请参见力矩平衡)。由这两种情形的任一种均可得出F3必在平面ABC上的结论。同理可证,F1、F2也必在平面ABC上。于是必有F1、F2、F3三力共面。

如图2所示,在刚体的A、B、C三点上分 别作用三个力F1、F2、F3,使刚体处于平衡。其中F1、F2的作用线汇交于一点 O。根据力的可传性,将力F1和F2移到汇交点O,然后根据力的平行四边形法则,求得其合力F12,则F3应与 F12平衡。根据二力平衡公理,力F3与F12共线。所以,力F3必定与力F1和F2共面,且通过力F1和F2的汇交点O。 (1)假设作用在刚体上的不平行的三个力分别为F1、F2、F3。建立以F1作用点为原点,作用线为X轴,方 向为X轴正方向的空间直角坐标系。根据力的可传性,将F2、F3的作用点沿其力的作用线平移至XOY平面 内,设其坐标分别为:A2(x2,y2,0);A3(x3,y3,0)

(2)根据力矩平衡和受力平衡列出方程:

,

对于Y、Z方向,列相同的力和力矩平衡方程。

(3)解方程组,得:

Fz2=Fz3=0,F2、F3和F1在XOY平面上,再由二力平衡的条件得出共点。(同直接证明)

Fz2·Fz3≠0,设F2、F3尾线连线交平面XOY于A4(x4,y4,0),解得:

故,焦点位于X轴上,所以F2、F3和F1在XOZ平面上,再由二力平衡的条件得出共点。

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