黄安基--第1章静力学的基本概念与物体的受力分析.pps

网上作业系统 1、告知作业网站的网址：222.18.54.19homework。 2、告知学生用户的初始密码都是：123。 3、开学三周之内改选过教学班的学生，需要同时利用作业系统的“选课”功能更改一下选课，使作业系统中的选课与教务处网站上的选课结果相同。 4、开学后才选课的学生，可先通过作业系统提交一份登录申请，并等候教师审批。,一、理论力学的研究对象和内容,理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。,机械运动是指物体在空间的位置随时间的变化。是自然界最普遍、最基本的运动形态。,理论力学所研究的内容是以伽利略、牛顿所建立的基本定律为基础，研究运动速度远小于光速的宏观物体的机械运动，因此属于古典力学的范畴。,绪言,理论力学,静力学,运动学,动力学,理论力学的研究内容主要包括以下三部分：,静力学：研究物体在力系作用下的静止平衡规律，同时也研究力的一般性质和力系的简化方法等。 第14章,运动学：研究物体运动的几何性质（不同物体运动速度、加速度大小之间的关系），而不研究引起物体运动的原因（速度、加速度大小改变的原因即受力情况）。 第58章,动力学：研究受力物体的运动变化与作用力之间的关系。（已知作用于物体上的力求物体运动的速度、加速度；已知物体的运动速度、加速度求作用于物体上的力。） 第916章,理论力学是专业基础课，直接应用本课程理论或者与其它专业知识共同应用来解决工程中一些问题；,二、学习理论力学的目的,其次为后继课程,如材料力学、,结构力学、,机械原理、,机械设计、,弹、塑性力学、,流体力学、,振动理论、,断裂力学,等许多课程的学习打下重要基础。,三、相关力学课程发展简介,随着现代科学技术的发展，力学的研究已不再局限于理想模型，而更多地以自然界和工程技术中必然遇到的复杂介质或系统为研究对象，建立各种力学模型，并且在解决问题中形成了复杂的力学分支。,1、航空航天领域研究飞机能否平稳飞行飞行力学；,2、飞机起飞、降落，飞机机舱构件有时受拉力有时受压力，反复循环变化，虽然拉、压力都没有超过强度理论计算的数值，构件仍然在循环荷载下遭到破坏，研究该问题促进疲劳和断裂力学的发展；,3、材料疲劳破坏是由裂纹扩展引起的，而研究最初裂纹产生的原因损伤力学；,损伤力学和断裂力学研究表明即使有了小裂缝飞机不见得不能使用，关键看小裂缝处于什么样的状态（材料由小裂缝演变至断裂有一个过程，需要多长时间可以估算）。三峡工程中使用的大水轮机轴非常粗，它的毛坯是锻件，很难保证中心部位没有丝毫损伤（利用无损检测可以探测出没有一根不存在损伤），没有损伤力学和断裂力学知识，如此粗的轴几乎没有一根可用，而根据损伤力学和断裂力学知识有了损伤或小缺陷也不一定不能使用。,4、研究船舶工程计算流体力学、实验流体力学；,6、力学与生理学、解剖学、医学、生物学及其边缘学科生物医学等等结合生物力学：,11、研究天体运动天体力学；,12、研究地幔、地壳运动地球构造动力学。,8、体育运动力学（羽毛球、乒乓球、足球的旋转控制，田径、跳水、体操等项目的姿态控制，有学者研究运动员在排球中挥臂发球、扣球、标枪投掷、棒球投球、网球发球等的身体动作的“鞭打动作”行为）；,9、奔跑力学（能量消耗最低且取得最大前行动能）；,10、游泳动力学（减小水中运动阻力提高速度，泳衣鲨鱼皮第四代“LZR Racer”在北京奥运会使多项世界纪录改写，提高2的速度，水流滑过身体时产生的阻力，要解决形状阻力，为运动员塑造流线型的体形是最好的方法。根据运动力学，流线型体形在运动中受到的阻力最小。 ）；,7、仿生力学（研究动物运动的力学机理，改进机械设备和工具或者设计制造仿生机械设备和工具，研究机械鱼用于军事侦察、海洋考察等。）,5、研究能源工程渗流力学；利用渗流力学提高含油地层中石油开采率；,四、学习本门课程需注意的事项,1、要学好本门课程一定要多做题,2、讲课顺序基本按照课本顺序，便于课前预习课后复习；,3、做作业时把作业写在纸上，交作业纸，不要交作业本。不一定要把题全抄写，写清题意即可；但解题过程应尽量详细，养成一个良好习惯；,5、期末总成绩的给定：平时成绩占30%，期末卷面成绩占70%，综合评定给出最后上报成绩。另外要做振动实验。,做作业时注意应该：单独取出研究对象，所取物体应标注名称、符号，每个力应有标号；画受力图；,不允许抄袭作业。,4、交作业时间为每周周一，要求每人都做作业，但一定每次都要求全部交，按照要求交。作业尽量及时交，不能一次交累积几次的作业，没有交作业的同学，请参考其他同学的已批改的作业，有问题及时与教师探讨；,第一章 静力学的基本概念与物体的受力分析,12 约束和约束力,13 静力学公理,11 静力学的基本概念,14 受力分析简图与受力图,P11力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态发生变化，同时使物体发生变形。前者称为力的运动效应；后者称为力的变形效应。,1、力的三要素P11,力对物体作用的效应，决定于力的大小、方向（包括方位和指向）和作用点；这三个要素称为力的三要素。,力是矢量。一般用 、 、 、 、 、 等矢量形式表示。,1.1.1 力的概念,1-1 静力学的基本概念,力是定位矢量 7补,理论力学中研究力的运动效应，力的变形效应在材料力学、结构力学课程中考虑。,力的单位： 国际单位制（SI）中，牛顿(N)或千牛顿(kN)；工程单位制（LFT）中，公斤力（kgf）或吨力（tf）。1kgf=9.8 N,2、等效力系,（1）力系。作用在物体上的一组力总称为力系， 以 表示。,（2）等效力系。作用于物体上的一个力系可用另一个力系代替，而不改变原力系对物体作用的外（运动）效 应, (注意可能改变内(变形)效应)。,（3）合力与分力,1.1.2 刚体的概念P5,任何物体在力的作用下，其上任意两点间均将产生相对运动，使其初始位置发生改变，称之为位移（Displacement)，,平衡 物体相对于惯性参考系（如地面）保持静止或作匀速直线运动的状态。,刚体静力学 研究刚体在力系作用下的静止平衡问题。,从而导致物体发生变形（Deformation)。,一个物体是否视为刚体根据研究问题的性质而定，例如对于一根钢杆： 1、若研究钢杆受力后是否能够平衡其受力所需满足的条件，则视为刚体； 2、若研究钢杆受力后是否能够拉断，变形是决定因素，则应视为变形体；,理论力学中研究的问题多数不考虑变形因素，因此一般所说物体多数视为刚体,当可以忽略物体的变形时，将其抽象为刚体。,1.1.2 质点的概念,1.1.3 平衡条件与平衡力系,要使物体处于平衡状态，作用于物体上的力系必须满足一定的条件，这些条件称为力系的平衡条件；,1.1.4 刚体静力学研究的基本问题,1. 受力分析分析作用在物体上的各种力，弄清研究对象的受力情况。,2. 平衡条件建立物体处于平衡状态时，作用在物体上的力系应满足的条件。,3. 利用平衡条件求解未知力，以解决工程中的相关问题。,作用于物体上正好使之保持平衡的力系则称为平衡力系。,1-2 约束和约束力,1.2.1 约束的概念 P17,1. 自由体与非自由体,在空间能向一切方向自由运动的物体，为自由体。,当物体受到了其他物体的限制，因而不能沿某些方向运动时，这种物体为非自由体。,2. 约束,限制非自由体运动的物体是该非自由体的约束。,如在空中飞行的鸟、飞机、炮弹、火箭等。,如电灯用电灯线吊在屋顶上，火车在铁轨上运行，炮弹在炮筒中运动等。,灯绳、铁轨、炮筒分别是电灯、火车和炮弹的约束。,3. 约束反力 约束力、反力,约束施加于被约束物体上的力，如下图中的力FT 。,大小常常是未知的；,4. 约束反力特点：,方向总是与约束限制的物体的位移方向相反；,作用点在物体与约束相接触的那一点。,1.2.2 工程中常见的约束,1. 柔索约束:包括柔软的绳索、链条 柔性体约束 或皮带构成的约束P18,绳索类只能受拉，所以它们的约束反力是作用在接触点，方向沿绳索背离物体。,P18、21、22、27、29、30、31,2. 光滑的面、线、点(简单接触，不计摩擦，有时互为约束)P18 光滑接触面约束,约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体,P18、19、20、29、30,201209053. 光滑的圆柱形铰链约束(销钉连接，不计摩擦，互为约束)P20 中间铰,（平面铰链）,如门、窗的合页，剪刀的两个刀片之间等等的连接。如果互相接触的两圆柱面是光滑的，则销钉只能阻止被约束构件在垂直于销钉轴线平面内沿任何方向移动，但不能阻止被约束构件绕中心A转动。,P20、27、28、29、30、31、32,固定铰支座(构件与底座通过铰链连接) P22,P22、27、28、29、30、31、32,可动铰支座 P10 活动铰支座 辊轴支座 滚动支座,P23、27、29、32,滑槽与销钉 （双面约束）,P31、32,（空间球形铰） P160,汽车的换挡器,收音机、老式电视机的天线,P163、182、183、185、188,4. 轴承约束P24,(滑动轴承),(止推轴承1) P24、162,(止推轴承2),电机传动装置的转轴,除了阻止轴沿径向移动外，还可能单方向地阻止轴沿轴向移动。,轴承是轴的支承部分，它不能限制轴的转动，但阻止轴沿半径方向的移动。,P24、162、184、186,公理 4 作用与反作用定律P16,两物体间相互作用的力，总是大小相等，指向相反，且沿同一直线。,1、适用于刚体也适用于变形体； 2、适用于平衡运动的物体也适用于一般运动的物体。,1-3 静力学公理,公理 5 刚化原理 P16,变形体在某一力系作用下处于平衡,如将此变形体置换为刚体,则平衡状态保持不变。,反之不成立。刚体在某一力系作用下处于平衡,如将此刚体置换为变形体,则平衡状态并不一定不变。,20120910公理1 二力平衡公理P13,作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要与充分条件是：这两个力等值，反向，共线。,重要应用：二力构件概念,只受两个力作用而处于平衡的物体。,杆状二力构件简称二力杆，二力杆的受力分析与其形状无关。,在工程中常有自重不计（与其受力比较很小），两端光滑铰链连接，只在两个力作用下平衡的直杆，称为二力杆（如不是直杆则称为二力构件、二力体，）。,它所受的这两个力必定沿两个力作用点的连线，且等值、反向。有时把它作为一种约束对待，称为链杆约束。,P22、27、28、29、30、21,公理2 加减平衡力系公理P14,在作用于刚体上的已知力系中，加上或减去任一平衡力系，并不改变原力系对刚体的效应。,作用于刚体上的力，可沿其作用线任意移动而不改变它对刚体的作用效应。,推论：力的可传性原理P14,1、适用于同一个刚体，不能应用于两个以上的刚体的移动； 2、不适用于变形体。,力对于一般物体而言是定位矢量；而对刚体而言是滑动矢量。,P15,公理 3 力的平行四边形法则P15,作用于物体上同一点处的两个力，其合力也作用在该点上，合力的大小和方向则由以这两个力为边所构成的平行四边形的对角线来表示，而该两个力称为合力的分力。,也称为力三角形法则,推论：三力平衡汇交原理P16,当刚体受三个力作用而成平衡时，若其中任何两个力的作用线相交于一点，则其余一力的作用线必交于同一点且三力共面。,作业：课后全部习题 （可做部分也可全做）,1-4 受力分析简图与受力图,对物体进行受力分析是静力学计算（如求解约束力）中最重要的一步，也是变形问题与动力学问题计算（求解物体受力与运动状态变化间的关系）中的重要环节。,1. 受力分析方法：将物体从约束中隔离出来，将约束对它的作用代以相应的约束力，即取隔离体，画受力图。,（2） 画出研究对象受的力，明确每个力是哪个施力体施 加的。,（3）根据约束性质画约束力。,（4）考虑平衡条件，判断某些约束力的方向。,（5） 注意作用力与反作用力的关系。,2. 画受力图的步骤：,（1） 明确（选择）研究对象，并将研究对象从它周 围的 约束中分离出来，单独画出其简图。,（6） 考虑二力平衡和三力平衡汇交确定铰链约束反力方向。,P21（1-2k）、 P21（1-2o） 、34（2-6）、65-71（3-10、23、补、31）,练习册P10（6）,沈：P15（1-2）,P25（1-2k）、 P26（1-2o） 、61（2-2）、69-71（2-18、34、补、42）,例1-7,如图所示机构中，BC杆的轮绳子处于水平位置。不计摩擦。绘出轮C、杆BC、杆AD、及整体的受力图。,【解】,例 题 1- 8如图所示，重物重为P ,用钢丝绳挂在支架的滑轮B上，钢丝绳的另一端绕在铰车D上。杆AB与BC铰接，并以铰链A，C与墙连接。如两杆与滑轮的自重不计并忽略摩擦和滑轮的大小，试画出杆AB和BC以及滑轮B的受力图。,2.杆BC 的受力图。,解：1.杆AB的受力图。,4. 滑轮B ( 带销钉）的受力图。,3. 滑轮B ( 不带销钉） 的受力图。,在图示的平面系统中，匀质球 A 重P1，借本身重量和摩擦不计的理想滑轮C 和柔绳维持在仰角是q 的光滑斜面上，绳的一端挂着重P2的物块B。试分析物块B ,球A和滑轮C的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图。,例 题 1- 9,解：,1.物块 B 的受力图。,2. 球A 的受力图。,3. 滑轮 C 的受力,如图所示压榨机中，杆AB和BC的长度相等，自重忽略不计。A ，B，C ，E处为铰链连接。已知活塞D上受到油缸内的总压力为F 。试画出杆AB ，活塞和连杆以及压块C的受力图。,例题 1-11,解：,1.杆AB的受力图。,2. 活塞和连杆的受力图。,3. 压块 C 的受力图。,如图所示平面构架，由杆AB ， DE及DB铰接而成。钢绳一端拴在K处，另一端绕过定滑轮和动滑轮后拴在销钉B上。重物的重量为G，各杆和滑轮的自重不计。（1）试分别画出各杆，各滑轮，销钉B以及整个系统的受力图；（2）画出销钉B与滑轮一起的受力图；（3