当力的方向能确定时,就可以只画一个力,这时要引入“二力杆件”和固定铰链约束的特殊关系。“二力杆件”是指只受两个力作用而平衡的杆件。“二力杆件”平衡时,二力必沿作用点的连线,且两作用力的大小相等,方向相反。当“二力杆件”和固定铰链约束联接时,固定铰链约束反力的作用线是能确定的,它必然通过“二力杆件”上二力作用点的连线。给学生讲清楚这个特殊关系,在受力分析时,对于“二力杆件”,在其与固定铰链联接处只需要画出一个约束反力。这样就能很好地解决问题。
三、运用作用力与反作用力公理,检测受力图的准确性
作用力与反作用力公理即牛顿第三定律,它揭示了物体间相互作用的结果。两物体间的作用力与反作用力总是同时存在的,且两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线,分别作用在相互作用的两个物体上。
对物体进行受力分析过程,灵活地运用该公理,不仅可以提高画受力图的效率,而且可以用来检验受力图的准确性。当相互作用的两个物体中一个物体的受力图画出后,可以利用该公理画出另一个物体的受力图,无须判别约束类型再画受力。如图1中,当球O的受力图画出后,就可以根据该公理迅速画出拱形地面所受的压力来。用该公理还可以检查受力图中的错误。若相互作用的构件之间的相互作用力不符合该公理,则这个地方的受力图肯定是错误的。如在图2中,当误把铰链A处的约束反力画成两个分力X和Y时,利用该公理可以检查出这两个分力和AB杆上的A点处力R′不符合作用力与反作用力公理。“二力杆件”AB杆在A点只可能有沿AB连线的力,根据作用力与反作用力公理,在AC杆的A点只能有和R′存在作用力与反作用力关系的力R。故图中两力X和Y的画法是错误的。
四、正确三力平衡汇交原理应用
值得一提的是,学生中有一个错误犯得比较多,那就是在应用三力平衡汇交原理作图时存在滥用现象,特别是物体受四个力作用平衡时,很多学生出现四个力中的三个力汇交于一点的错误。这是不对的,物体只在受三个力作用下平衡时才存在平衡汇交原理,四个力或四个力以上的力作用时不存在平衡汇交原理,这时不能够确定的固定铰链约束力需用两个互相垂直的力来表示。
多年的教学实践证明,在讲课中若突出以上几个方面重点讲解,并多加练习,能取得较好的教学效果。学生在画受力图时,既可以利用约束的性质分析画图,又可以利用作用力与反作用力公理分析画图;在检查受力图时,既可以检查是否有相互作用,又可以看是否符合作用力与反作用力公理,较好地掌握了受力分析和画受力图的方法。
参考文献:
[1]刘英卫,何世松,张洪涛.工程力学[M].北京:北京理工大学出版社,2010.
[2]梅建云,李俊彬,黄文华.工程力学[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2009.
[3]藏薇.谈“工程力学”课程的教学方法[J].镇江高专学报,2008,21,(3):120-122.
[4]刘晓燕.关于《平面汇交力系的合成与平衡的解析法》教学设计[J].专业教学研究,2007,5:88-89.