模块一 力系与平衡§1.1 + §1.23学时(135 min)

力的概念与基本性质;
力矩、力偶与力的平移

适用:中职 机械 / 数控 / 机电 / 汽修 专业 · 零基础入门 · 知识技能实训课

🎯 学完这节课,你能做到:

  1. 用大白话说出力是什么,认出力的两种效应,说出力的三要素(大小、方向、作用点)。
  2. 会用力的四条基本性质:作用与反作用、二力平衡、力的可传性、力的平行四边形定则,会算两个力的合力和力的正交分解。
  3. 会按“找矩心 → 找力臂 → 定正负”算出力矩 MO(F) = ±Fd。
  4. 认得出生活和车间里的力偶,会算力偶矩,能区分力矩和力偶。
  5. 会作力的平移(平移一个力要附加一个力偶),能解释“攻螺纹为什么要双手”。
重点:力的概念与性质;区分力矩和力偶技能:算力矩、算力偶矩、作力的平移难点:力的平移
全课图例:蓝色 = 已知力 / 主动力绿色 = 合力 / 平移后的力紫色 = 力矩、力偶的转向红色 = 反作用力 / 约束力
字母约定:粗体字母(如 F、FR)表示力矢量(有大小、有方向);细体字母(如 F、d、M)表示数值大小或长度。

② 知识导入:同样一把扳手,为什么有人拧得动、有人拧不动?

实训车间里常见这些场面:

🔹 拧螺母:手握在扳手末端,一下就拧松;握在靠近螺母的地方,憋红了脸也拧不动。

🔹 推车间大门:推门把手很轻松,推靠近合页的地方怎么也推不开。

🔹 转方向盘、拧水龙头、攻螺纹:师傅总是两只手一起用力。

🔹 钳工攻丝时如果单手扳铰杠,丝锥容易攻歪、折断。

💡 这些现象背后只有一个主角——力。力的大小、方向、作用在哪不同,效果就不同;力能让东西“移”,也能让东西“转”。这节课就来弄清:力、力矩、力偶、力的平移。
O(螺母中心) 握近处:费劲 😣 握末端:省劲 😀 力臂 d 越长,转得越容易 紫色弧线:扳手带着螺母“转”的趋势
图 1 同样的力,作用点离螺母越远,拧得越轻松
🎬 动画演示:同样 F = 100 N,握在不同位置——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(俯视,课本画法)
3D 立体示意(真实场景)

③ 核心知识讲解

3.1 力是什么?

力:物体与物体之间的相互机械作用。
大白话:推、拉、压、顶、挤、拧,都是力。力不能离开物体单独存在——有施力物体,就一定有受力物体。
① 外效应(运动效应) F 踢球:球从静止到滚动 改变物体的运动状态 ② 内效应(变形效应) F 压弹簧:弹簧被压短了 使物体产生变形
图 2 力的两种效应

外效应又叫运动效应:让物体动起来、停下来、变快变慢、拐弯、转动。本模块(静力学)主要研究它。

内效应又叫变形效应:让物体压扁、拉长、弯曲、扭转。后面“材料力学”再研究。

📏 力的单位:牛顿,符号 N;大一点用千牛 kN。
1 kN = 1000 N,1 N = 1 kg·m/s²。
感觉一下:手里托一个 100 g 的鸡蛋(2个)大约受 1 N 的重力;一个成年人体重大约 600~700 N。
🎬 动画演示:力的两种效应——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实场景)

3.2 力的三要素与表示方法

力的三要素:大小、方向、作用点。三者中任何一个变了,效果就可能变。
力的表示:力是矢量,用一根带箭头的线段画:线段长短 = 大小(按比例),箭头指向 = 方向,线段的起点(或终点)= 作用点。过作用点沿力的方向画的直线叫作用线。
🎯 三维模型:力的图示——一个带箭头的有向线段(2D 平面 vs 3D 立体)
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(空间里的有向线段)
🧪 三要素实验台:拖动滑块,看看推箱子的效果怎么变(箱重 G = 100 N,地面摩擦因数 0.4)

👉 试一试:① 力 40 N 推中部 → 推不动;加到 45 N 以上 → 箱子滑走(大小改变了效果)。② 同样 50 N,推低处 A 只会平着滑走,推高处 C 箱子会翻倒(作用点改变了效果)。③ 力斜向上一点,箱子对地面压得轻了,更容易推动(方向改变了效果)。

3.3 力的基本性质(静力学公理)

公理就是大家公认、不用证明、经过无数实践检验的“规矩”。下面四条是画受力图、算力的地基。

性质 1 作用与反作用定律(力总是成对出现)
一个物体对另一个物体有作用力 F,另一物体对它必有反作用力 F′:大小相等、方向相反、作用在同一直线上,并且分别作用在两个物体上。

大白话:你推墙,墙也推你;锤子砸钉子,钉子也“顶”锤子。两个力同时出现、同时消失。

写法:作用力用 F,反作用力加一撇写成 F′。

墙 手臂 F 手推墙(作用在墙上) F′ 墙推手(作用在手上) A
图 3 F 与 F′:等值、反向、共线、作用在两个物体上
🎬 动画演示:作用与反作用——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实场景)
性质 2 二力平衡公理 & 二力构件
作用在同一个刚体上的两个力,使刚体平衡的充分必要条件:这两个力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。
刚体(大白话):受力后形状大小不变的理想物体。钢块、轴、杆在分析受力时都可看作刚体。
F₁ F₂ 钢杆受一对压力 → 平衡 ✔
图 4 二力平衡公理只对刚体是“充分必要”的
A B FA FB 曲杆,自重不计 两力必沿 A、B 两点的连线
图 5 二力构件:不计自重、只在两点受力而平衡,与形状无关
🎬 动画演示:二力平衡公理——刚体和变形体不一样(2D vs 3D)
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实场景)
🎬 动画演示:二力构件——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实场景)
❓ 设问:能不能在曲杆 A、B 两点各加一个力,让曲杆平衡?
✅ 能!只要两个力沿 A、B 连线,等值、反向。若两力沿杆的“曲线方向”画,就不共线,不能平衡。

⭐ 画龙点睛:“平衡力”和“作用力与反作用力”,到底差在哪?

两对力长得像“双胞胎”:都是等值、反向、共线。分清它们只要问一句:这两个力作用在几个物体上?

比一比一对平衡力(二力平衡)作用力与反作用力
相同点大小相等 · 方向相反 · 作用在同一直线上
① 作用在谁身上 ⭐同一个物体上(书受 G 和 N)两个物体上(N 在书上,N′ 在桌上)
② 能不能抵消能,合力为零,物体保持静止或匀速不能,各管各的物体,不能相加抵消
③ 是否同生同灭不一定:拿走一个,另一个可以还在一定:同时产生、同时变化、同时消失
④ 力的性质可以不同(重力 vs 支持力)一定相同(都是弹力、都是拉力……)
⑤ 什么时候成立只在物体平衡时;且只适用于刚体任何时候都成立:静止、加速,刚体、变形体都一样
联系书静止时,N 与 G 平衡,N 与 N′ 是作用与反作用,所以 N′ = N = G:书压桌子的力等于书的重力。两条规律配合使用,才能求出“看不见”的力。

🔑 口诀:一个物体看平衡,两个物体看相互;平衡能抵消,相互同生灭。

🎬 动画对比:一对平衡力 vs 一对作用力与反作用力(2D vs 3D) 绿框=平衡力 紫线=相互作用力
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2D 平面示意(受力图画法)
3D 立体示意(真实场景)
性质 3 力的平行四边形定则(力的合成与分解)
作用在物体同一点的两个力,可以合成为作用在该点的一个合力。合力的大小和方向,由以这两个力为邻边的平行四边形的对角线确定。
矢量式:FR = F1 + F2(是“矢量相加”,不是数值相加)。
🧪 合力实验:拖动滑块改变两个分力和夹角

📌 规律:夹角 θ 越小,合力越大;θ = 0° 时 FR = F1 + F2(最大),θ = 180° 时 FR = |F1 − F2|(最小)。所以合力不一定比分力大。

反过来:力的分解与正交分解

一个力也可以分解成两个分力。分解方法有无数种,工程上最常用:沿 x、y 两个互相垂直的方向分解,叫正交分解。
Fx = F cos α,Fy = F sin α(α 是力与 x 轴所夹的锐角);分力指向与坐标轴同向取“+”,反向取“-”。
反过来已知分力求合力:F = √(Fx² + Fy²),tan α = |Fy / Fx|。
α C G G₁ G₂ 沿斜面:G₁ = G sin α(使物体下滑) 垂直斜面:G₂ = G cos α(压紧斜面)
图 6 斜面上的重力分解:α 越大,下滑分力越大,越难推上去
🎬 动画演示:斜面上重力的分解——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(车间斜坡上的木箱)
性质 4 加减平衡力系公理 & 推论:力的可传性
加减平衡力系公理:在作用于刚体的力系上,加上或去掉一组互相平衡的力,不改变原力系对刚体的作用。
推论(力的可传性):作用在刚体上的力,可以沿着它的作用线移到刚体内任一点,效果不变。所以对刚体来说,力的三要素也可以说成:大小、方向、作用线。
F A 在 A 点向右推 → 小车向右走
图 7 力的可传性:沿作用线“推”和“拉”效果相同
🎬 动画演示:力的可传性——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实场景)
❓ 启发:为什么二力平衡、加减平衡力系、力的可传性都只适用于刚体?
✅ 因为变形体受力后会变形,力加在哪里、怎么加,内效应就不一样。刚体不变形,只看运动效果。

作用与反作用

等值、反向、共线
作用在两个物体上
不能互相抵消

二力平衡

等值、反向、共线
作用在同一个物体上
两力互相抵消,物体平衡

3.4 力矩:力让物体“转”的本事

力矩(力对点之矩):衡量力使物体绕某一点转动效果大小的量。
· 物体绕着转的那个点叫矩心 O(如螺母中心、门的合页);
· 矩心 O 到力的作用线的垂直距离 d 叫力臂;
· MO(F) = ± F · d,单位 N·m(牛·米)或 kN·m。
· 正负号:使物体逆时针转为 “+”,顺时针转为 “-”。
🔧 扳手力矩实验:拖动滑块,看力臂 d 和力矩 M 怎么变
📌 三条重要结论(考试常考):
① 力为零,或力的作用线通过矩心(d = 0)时,力矩为零——沿扳手方向推拉,螺母不会转。
② 力沿它的作用线移动,力臂不变,力矩不变。
③ 同一个力,对不同的矩心,力矩一般不同——说力矩一定要说明“对哪个点”。

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,等于各分力对同一点之矩的代数和:MO(FR) = MO(F1) + MO(F2) + …
用处:力臂 d 不好找时,先把力正交分解,分力的力臂就是“横、竖”坐标,一下就能算。
O A F 30° Fx Fy 0.3 m 0.2 m
图 8 弯臂 OA,F = 100 N,与水平成 30°

例:求力 F 对 O 点的力矩。直接找 d 很麻烦,用合力矩定理:

① 分解:Fx = 100 cos30° = 86.6 N(向右),Fy = 100 sin30° = 50 N(向上)。

② Fx 在 O 上方 0.2 m 处向右推 → 顺时针:M = −86.6 × 0.2 = −17.32 N·m

③ Fy 在 O 右边 0.3 m 处向上推 → 逆时针:M = +50 × 0.3 = +15 N·m

④ 求和:MO(F) = −17.32 + 15 = −2.32 N·m(顺时针)。

🎬 动画演示:弯臂 OA 的力矩,两种算法——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(铰接在支座上的弯臂)

3.5 力偶:一对“搭档”专管转动

FF′
双手转方向盘
FF′
拧水龙头/阀门手轮
FF′
双手扳铰杠攻螺纹
F′F
轧辊受上下摩擦力
FF′
手指拧瓶盖
力偶:大小相等、方向相反、作用线平行但不共线的两个力组成的力系,记作 (F, F′)。
力偶臂 d:两力作用线之间的垂直距离。
力偶矩:M = ± F · d,单位 N·m;逆时针为“+”,顺时针为“-”。
力偶三要素:力偶矩的大小、转向、作用面。

大白话:力偶只会让物体原地转,不会让它平着走。力和力偶是静力学的两个基本“零件”。

F′ F A B d 本图转向:顺时针 → M = −Fd
图 9 力偶 (F, F′) 与力偶臂 d
🎬 动画演示:力偶 (F, F′) 与力偶臂 d——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法,看力偶所在平面)
3D 立体示意(真实场景)

力偶的三个性质

性质 ① 力偶没有合力,只能用力偶来平衡

力偶的两个力等值反向,在任何方向上投影之和都是零,但它们又不共线,所以不能用一个力代替,也不能用一个力去平衡。要让力偶平衡,只能再加一个转向相反、大小相等的力偶。

性质 ② 力偶对作用面内任意一点之矩,都等于力偶矩(与矩心无关)

所以说力偶“没有矩心”:不管对哪个点算,结果都一样。这一点和力矩(要看矩心)完全不同。

性质 ③ 力偶的等效:只要力偶矩(大小、转向)不变,可以“搬家”“换搭配”
F = 20 N F′ = 20 N d = 2r = 0.4 m M = 20×0.4= +8 N·m
图 10 方向盘半径 r = 0.2 m:①②③力偶矩都是 +8 N·m,彼此等效
🎬 动画演示:方向盘 r = 0.2 m,三种握法力偶矩都是 +8 N·m——2D 平面 vs 3D 立体 对比
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实方向盘)
📌 力偶等效的条件:力偶矩大小、转向、作用面三者都相同。
推论 1:力偶可在作用面内任意移动、转动,效果不变。
推论 2:保持 M 不变,可以同时改变力的大小和力偶臂长短(力大臂短 = 力小臂长)。
所以画图时力偶常简写成一个带箭头的弧线 ↺ M。

⭐ 重点:力矩 vs 力偶,一张表分清

对比项力矩 MO(F)力偶矩 M
由什么产生一个力对某一点一对等值、反向、不共线的平行力
计算MO = ±F·d,d 是矩心到作用线的距离M = ±F·d,d 是两力作用线之间的距离
与矩心的关系与矩心位置有关,换个点结果就变与矩心无关,对任意点都一样
作用效果既有转动效果,还有移动效果(一个力会推着物体走)只有转动效果,没有移动效果
能否用一个力平衡—(一个力可以被另一个力平衡)不能,只能用力偶平衡
相同点单位都是 N·m;都用 逆正顺负 规定正负号;都表示转动效果

3.6 力的平移定理(本课难点)

力的平移定理:作用在刚体上的力 F,可以平行移动到刚体上任意一点 B,但必须同时附加一个力偶,附加力偶的力偶矩等于原力 F 对新作用点 B 的力矩:M = MB(F) = ±F·d。
大白话:力“搬家”到别处,要“带上一个扭劲儿”,效果才不变。
🎬 分步看懂:力为什么能平移?(用到“加减平衡力系公理”)
📌 要点:① 力的平移定理只适用于刚体;② 只能在同一个刚体上平移,不能移到另一个物体上;③ 逆定理也成立:同一平面内的一个力和一个力偶,可以合成为一个力(只是作用线平移了)。

力的平移定理有什么用?

O F 平移到 O 点 ⇒ F′ M = F·d 单手:M 让丝锥转,多出来的横向力 F′ 把丝锥“掰弯” → 攻歪、折断
图 11 力的平移定理的三个工程/生活应用
🎬 动画演示:力的平移定理的应用——把力平移到中心 = 一个力 + 一个附加力偶(2D 平面 vs 3D 立体)
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2D 平面示意(课本画法)
3D 立体示意(真实场景)

④ 实操技能:算力矩、算力偶矩、作力的平移

技能 A 计算力矩“四步法”

  1. 定矩心 O:物体绕哪个点转,O 就在哪(螺母中心、轴心、合页、支点)。
  2. 画作用线:沿力的方向,过作用点画一条虚线(必要时向两边延长)。
  3. 找力臂 d:从 O 向作用线作垂线,垂线段长度才是 d。⚠ d 不是 O 到作用点的连线长度 OA!力斜着时 d = OA · sin α(α 为力与 OA 的夹角)。
  4. 定正负、算结果:想象力推着物体转——逆时针“+”,顺时针“-”。MO(F) = ±F·d,⚠ 单位换成 N·m(mm 要先换成 m)。
🎯 随机练一练:算出图中力 F 对 O 点的力矩(带正负号)
MO(F) =N·m

技能 B 计算力偶矩“三步法”

  1. 认力偶:两个力是否等大、反向、平行、不共线?四条都满足才是力偶。
  2. 量力偶臂 d:是两条作用线之间的垂直距离,不是两个作用点的连线长度。
  3. 定转向算 M:M = ±F·d,逆正顺负。

技能 C 作力的平移“四步法”

  1. 选新点 B:通常选轴心、柱的中心线、要研究的截面中心。
  2. 平移力:在 B 点画一个与原力大小相等、方向相同的力 F′。
  3. 算附加力偶:M = MB(F) = ±F·d,d 是 B 到原力作用线的垂直距离。⚠ 千万别漏掉这个力偶!
  4. 检查:转向是否与“原力绕 B 点转”的方向一致;是否还在同一刚体上。
🛠 实训任务(分组 10 分钟):用活扳手拧实训台上的 M12 螺栓,分别握在扳手 1/3 处、2/3 处、末端,用弹簧秤沿垂直扳手方向拉,记录刚好拧动时的读数 F 和力臂 d,算出 M = F·d,比较三次 M 是否接近。
安全提醒:拉动方向朝自己身体外侧,防止扳手打滑伤手。

⑤ 常见误区 & 易错坑点

坑 1:把 OA 的长度当力臂

✘ 力斜着拉扳手,仍用 M = F × OA。

✔ 力臂是矩心到作用线的垂直距离,d = OA·sin α。

坑 2:作用反作用 = 二力平衡?

✘ “桌子对书的支持力和书对桌子的压力是一对平衡力。”

✔ 它们作用在两个物体上,是作用力与反作用力,不能抵消。

坑 3:合力一定比分力大

✘ 两个力合成后肯定更大。

✔ 夹角大时合力可能比分力小,180° 时只剩两力之差。

坑 4:力的可传性到处用

✘ 把弹簧上的推力挪成拉力;把力挪出作用线或挪到别的物体上。

✔ 只适用于刚体,只能沿作用线、在同一刚体内移动。

坑 5:力矩正负号搞反

✘ 看力的箭头朝上就写“+”。

✔ 看物体转的方向:逆时针“+”,顺时针“-”。

坑 6:力偶能用一个力平衡

✘ 方向盘受力偶,在中心加一个力就平衡了。

✔ 力偶没有合力,只能用力偶平衡。

坑 7:“力偶对任一点之矩等于零”

✘ 推理:合力矩定理说合力之矩 = 分力之矩和,力偶无合力,所以力偶之矩为零。

✔ 合力矩定理只对有合力的力系成立;力偶对任一点的矩恒等于力偶矩 M,不是零。

坑 8:力偶等效只看大小

✘ 两个力偶矩都是 8 N·m,就一定等效。

✔ 还要转向相同、作用面相同。+8 与 −8 不等效。

坑 9:平移力时忘了加力偶

✘ 直接把力平移到轴心,什么都不加。

✔ 必须附加 M = MB(F);平移只能在同一刚体上。

坑 10:单位混乱

✘ F = 200 N,d = 250 mm,M = 50000。

✔ 先换算 d = 0.25 m,M = 200 × 0.25 = 50 N·m;力是 N,力矩是 N·m。

⑥ 课堂小练习

点击选项即可判分,答完马上看到正确答案和解析(共 14 道单项选择 + 13 道判断)。

⑦ 小结

口诀:力有三要素,大小方向作用点;
平衡两力在一体,作用反作分两边;
力矩力乘臂,逆正顺为负;
力偶无合力,只能偶来平;
力往旁边移,记得带力偶!

⑧ 拓展小知识:机械史话 & 岗位应用

📜 机械史话:老祖宗早就会用“力矩”

简单机械是人的体力的放大和延伸,包括杠杆、斜面与螺旋、滑车与绞车、轮轴等。它们省力的秘密,大多就是今天学的力矩平衡。
O 石块 水桶 石块重×短臂 ≈ 水重×长臂
桔槔:商代已用来提水、提矿石。是杠杆:两边力矩接近平衡,人只需轻轻一拉。
等臂:力矩相等 ⇒ 重量相等
战国天平和砝码(楚国地域出土):等臂杠杆,左右力矩相等时,物重 = 砝码重。
F·R = G·r ⇒ R 越大越省力
辘轳/绞车(《天工开物》):轮轴,手柄转动半径 R 比卷筒半径 r 大得多,提重物更省力。
🧪 绞车省力计算器:水桶重 G = 200 N,卷筒半径 r = 0.05 m

🏭 岗位上哪里用得到?

🔩 装配钳工:扭力扳手

发动机缸盖、轮毂螺栓都有规定的拧紧力矩(如轿车轮胎螺栓约 110 N·m)。扭力扳手到设定力矩会“咔哒”一声,拧多了螺栓拉伤,拧少了松动。

🚗 汽修:十字扳手卸轮胎

双手一推一拉十字扳手,就是力偶,螺栓只转不歪;单手扳加长杆时要防止扳手打滑。

🔧 钳工:攻丝、铰孔

必须双手均匀用力扳铰杠,构成力偶。单手扳会产生横向力(力的平移),丝锥易折断在孔里,很难取出。

🏗 起重:塔吊配重

塔吊后臂的平衡重产生反向力矩,抵消吊物产生的力矩,防止塔吊倾翻——和古代桔槔原理一样。

⑨ 课后作业:动手算一算

要求:先在本子上画图、写步骤,再把答案填进框里点“提交”自查。力矩/力偶矩注意正负号(逆正顺负),只填数字。允许 ±1% 误差。
📝 活动作业:回家或在实训车间找出生活中的 2 个力矩实例、2 个力偶实例,以及 1 个用到力的合成或分解的实例,画出简图并标出力、力臂或力偶臂。