Overview of Mechanical Engineering
for Non-MEs
Part 1: Statics
3
Rigid Bodies I:Equivalent Systems ofForces
 Overview of Mechanical Engineering
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 3
Introduction
Treatment of a body as a single particle is not always possible.  Ingeneral, the size of the body and the specific points of application of theforces must be considered.
Most bodies in elementary mechanics are assumed to be rigid, i.e., theactual deformations are small and do not affect the conditions ofequilibrium or motion of the body (deformable body will be consideredin Chapter ??).
Current chapter describes the effect of forces exerted on a rigid body andhow to replace a given system of forces with a simpler equivalent system.
moment of a force about a point
moment of a force about an axis
moment due to a couple
Any system of forces acting on a rigid body can be replaced by anequivalent system consisting of one force acting at a given point and onecouple.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 4
External and Internal Forces
msotw9_temp0
Forces acting on rigid bodies aredivided into two groups:
-External forces
-Internal forces
msotw9_temp0
External forces are shown in afree-body diagram.
If unopposed, each external forcecan impart a motion oftranslation or rotation, or both.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 5
Principle of Transmissibility:  Equivalent Forces
msotw9_temp0
Principle of Transmissibility -Conditions of equilibrium or motion arenot affected by transmitting a forcealong its line of action.NOTE:  F and F’ are equivalent forces.
msotw9_temp0
Moving the point of application ofthe force F to the rear bumperdoes not affect the motion or theother forces acting on the truck.
msotw9_temp0
Principle of transmissibility mayNOT always apply in determininginternal forces and deformations.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 6
Vector Product of Two Vectors
msotw9_temp0
Concept of the moment of a force about a point ismore easily understood through applications ofthe vector product or cross product.
Vector product of two vectors P and Q is definedas the vector V which satisfies the followingconditions:
1.Line of action of V is perpendicular to planecontaining P and Q.
2.Magnitude of V is
3.Direction of V is obtained from the right-handrule.
Vector products:
-are not commutative,
-are distributive,
-are not associative,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 7
Vector Products:  Rectangular Components
msotw9_temp0
msotw9_temp0
msotw9_temp0
Vector products of Cartesian unit vectors,
Vector products in terms of rectangularcoordinates
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 8
Moment of a Force About a Point
msotw9_temp0
A force vector is defined by its magnitude anddirection.  Its effect on the rigid body also dependson it point of application.
The moment of F about O is defined as
The moment vector MO is perpendicular to theplane containing O and the force F.
Any force F’ that has the same magnitude anddirection as F, is equivalent if it also has the same lineof action and therefore, produces the same moment.
Magnitude of MO measures the tendency of the forceto cause rotation of the body about an axis along MO.
The sense of the moment may be determined by theright-hand rule.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 9
Moment of a Force About a Point
msotw9_temp0
msotw9_temp0
Two-dimensional structures have length and breadth butnegligible depth and are subjected to forces contained inthe plane of the structure.
The plane of the structure contains the point O and theforce F.  MO, the moment of the force about O isperpendicular to the plane.
If the force tends to rotate the structure clockwise, thesense of the moment vector is out of the plane of thestructure and the magnitude of the moment is positive.
If the force tends to rotate the structure counterclockwise,the sense of the moment vector is into the plane of thestructure and the magnitude of the moment is negative.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 10
Varignon’s Theorem
msotw9_temp0
The moment about a give point O of theresultant of several concurrent forces is equalto the sum of the moments of the variousmoments about the same point O.
Varigon’s Theorem makes it possible toreplace the direct determination of themoment of a force F by the moments of twoor more component forces of F.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 11
Rectangular Components of the Moment of a Force
msotw9_temp0
The moment of F about O,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 12
Rectangular Components of the Moment of a Force
The moment of F about B,
msotw9_temp0
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 13
Rectangular Components of the Moment of a Force
msotw9_temp0
For two-dimensional structures,
msotw9_temp0
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 14
Sample Problem 3.1
msotw9_temp0
A 100-lb vertical force is applied to the end of alever which is attached to a shaft at O.
Determine:
a)moment about O,
b)horizontal force at which creates the samemoment,
c)smallest force at A which produces the samemoment,
d)location for a 240-lb vertical force to producethe same moment,
e)whether any of the forces from b, c, and d isequivalent to the original force.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 15
Sample Problem 3.1
msotw9_temp0
a)  Moment about is equal to the product of theforce and the perpendicular distance between theline of action of the force and O.  Since the forcetends to rotate the lever clockwise, the momentvector is into the plane of the paper.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 16
Sample Problem 3.1
c)  Horizontal force at A that produces the samemoment,
msotw9_temp0
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 17
Sample Problem 3.1
msotw9_temp0
c)  The smallest force A to produce the same momentoccurs when the perpendicular distance is amaximum or when F is perpendicular to OA.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 18
Sample Problem 3.1
msotw9_temp0
d)  To determine the point of application of a 240 lbforce to produce the same moment,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 19
Sample Problem 3.1
msotw9_temp0
msotw9_temp0
msotw9_temp0
msotw9_temp0
e)Although each of the forces in parts b), c), and d)produces the same moment as the 100 lb force, noneare of the same magnitude and sense, or on the sameline of action.  None of the forces is equivalent to the100 lb force.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 20
Sample Problem 3.4
msotw9_temp0
The rectangular plate is supported bythe brackets at A and B and by a wireCD.  Knowing that the tension in thewire is 200 N, determine the momentabout A of the force exerted by thewire at C.
SOLUTION:
The moment MA of the force F exertedby the wire is obtained by evaluatingthe vector product,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 21
Sample Problem 3.4
msotw9_temp0
SOLUTION:
msotw9_temp0
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 22
Scalar Product of Two Vectors
msotw9_temp0
The scalar product or dot product betweentwo vectors P and Q is defined as
Scalar products:
-are commutative,
-are distributive,
-are not associative,
Scalar products with Cartesian unit components,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 23
Scalar Product of Two Vectors:  Applications
msotw9_temp0
Angle between two vectors:
msotw9_temp0
Projection of a vector on a given axis:
msotw9_temp0
For an axis defined by a unit vector:
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 24
Mixed Triple Product of Three Vectors
msotw9_temp0
Mixed triple product of three vectors,
The six mixed triple products formed from SP, andQ have equal magnitudes but not the same sign,
Evaluating the mixed triple product,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 25
Moment of a Force About a Given Axis
msotw9_temp0
Moment MO of a force F applied at the point Aabout a point O,
Scalar moment MOL about an axis OL is theprojection of the moment vector MO onto theaxis,
Moments of F about the coordinate axes,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 26
Moment of a Force About a Given Axis
msotw9_temp0
Moment of a force about an arbitrary axis,
The result is independent of the point Balong the given axis.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 27
Sample Problem 3.5
msotw9_temp0
a)about A
b)about the edge AB and
c)about the diagonal AG of the cube.
d)Determine the perpendicular distancebetween AG and FC.
A cube is acted on by a force P asshown.  Determine the moment of P
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 28
Sample Problem 3.5
msotw9_temp0
Moment of P about A,
Moment of P about AB,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 29
Sample Problem 3.5
msotw9_temp0
Moment of P about the diagonal AG,
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 30
Sample Problem 3.5
msotw9_temp0
msotw9_temp0
Perpendicular distance between AG and FC,
Therefore, P is perpendicular to AG.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 31
Moment of a Couple
msotw9_temp0
Two forces F and -F  having the same magnitude,parallel lines of action, and opposite sense are saidto form a couple.
msotw9_temp0
Moment of the couple,
msotw9_temp0
The moment vector of the couple isindependent of the choice of the origin of thecoordinate axes, i.e., it is a free vector that canbe applied at any point with the same effect.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 32
Moment of a Couple
msotw9_temp0
msotw9_temp0
Two couples will have equal moments if
 
the two couples lie in parallel planes, and
the two couples have the same sense orthe tendency to cause rotation in the samedirection.
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 33
Addition of Couples
msotw9_temp0
Consider two intersecting planes P1 andPwith each containing a couple
Resultants of the vectors also form acouple
By Varigon’s theorem
msotw9_temp0
Sum of two couples is also a couple that is equalto the vector sum of the two couples
 Overview of Mechanical Engineering
3 - 34
Couples Can Be Represented by Vectors
msotw9_temp0
A couple can be represented by a vector with magnitudeand direction equal to the moment of the couple.
Couple vectors obey the law of addition of vectors.
Couple vectors are free vectors, i.e., the point of applicationis not significant.
Couple vectors may be resolved into component vectors.