刚体力学01-静力学基础.ppt

工程力学,静力学基础,工程力学,认真预习，认真听讲；,敢于提问，敢于回答；,及时复习，及时答疑；,独立思考问题；,独立完成作业。,如何学好工程力学,1,.,力的定义,力是物体相互间的机械作用，其作用结果使物体的形状和运动状态发生改变,。,确定力的必要因素,2.,力的三要素,大小,方向,作用点,工程力学研究的对象和内容,力,3,.,力的单位,在国际单位制中，力的单位是牛顿,(,N,),1 N=1,千克,米,/,秒,2,（,kg m/s,2,),。,4,.,力的表示法,力是一矢量，用数学上的矢量记号来表示，如图,F,工程力学研究的对象和内容,力,5.,力的效应,外效应,改变物体运动状态的效应。,内效应,引起物体变形的效应。,力的作用效果,工程力学研究的对象和内容,力,（,1,）使物体的运动状态发生改变,运动效应,或,外效应,，,如位置、速度、加速度等（理力）；,（,2,）使物体发生变形,变形效应,或,内效应,（材力）,6,、力系：同时,作用于同一物体上的,一群力,，称为力系,平面力系,空间力系,汇交力系,力偶力系,平行力系,任意力系,平面汇交力系,平面力偶力系,平面平行力系,平面任意力系,空间汇交力系,空间力偶力系,空间平行力系,空间任意力系,工程力学研究的对象和内容,力,刚体是一种理想的力学模型。,一个物体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。,刚体,在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意两点间的距离保持不变的物体,。,工程力学研究的对象和内容,刚体,力学,是研究物体机械运动一般规律的科学,所谓,机械运动,，是指物体在空间的位置随时间的变化。,平衡,是机械运动的特殊情况。,工程力学研究的对象和内容,机械运动,所谓,物体的平衡,就是指物体相对于周围物体保持其静止或匀速直线运动的状态。,在一般的工程技术问题中，就是指物体相对于地球的平衡，特别是指相对于地面的平衡。要使物体保持平衡状态，作用于物体上的一群力（称为,力系,）要满足一定的条件，这些条件称为力系的,平衡条件,。,工程力学研究的对象和内容,平衡,等效力系,对物体的作用效果相同的两个力系。,平衡力系,能使物体维持平衡的力系。,合 力,在特殊情况下，能与一个力系等效,的一个力,平 衡 力,满足平衡条件的力系中，其中任意,一个力为其余力的平衡力。,工程力学研究的对象和内容,其它概念,静力学,：,主要研究物体受力分析和力系简化的方法以及受力物体平衡时作用力所应满足的条件。（力、力矩）,运动学,：,只从几何角度来研究物体的运动。（位移、速度、加速度、角度、角速度、角加速度）,动力学,：,研究受力物体的运动和作用力之间的关系。,工程力学研究的对象和内容,分部,机械运动产生和变化的原因在于“力”，所以理论力学将原因“力”和结果“运动”分开单独进行研究，获得静力学和运动学，而研究原因和结果之间内在的联系获得动力学。,墨翟,墨经,“衡木：加重于其一旁，必捶,重相若也。相衡：则本短标长，两加,焉，重相若，则标必下,标得权,边。”,这段文字上半是说天平的。意思,是：天平横梁的一臂加重物，另一臂,必得加砝码（“必捶”），两者必须等,重，才能平衡。下半是说杆秤的。意思是说：杆秤的提纽到重物的一臂（“本”）比较短，提纽到秤锤的臂（“标”）比较长，如果两边等重，秤锤一边必下落。,工程力学发展简史,（,中国篇,）,元前,476,年,元前,390,工程力学发展简史,（,中国篇,）,张衡浑天仪、地动仪,张衡,(,公元,78139,年,),，字平子，南阳西鄂,人,(,今河南省南阳市石桥镇夏村,),，曾任尚书,和河间相等职。我国东汉时期伟大的科学,家、文学家。张衡对中国古代的天文学、,地震学和机械力学作出了杰出的贡献，制,造了大型仪器,“,水运浑象,”和“,候风地动,仪,”，准确地报告了西方千里之外发生的地震。这标志着人类开始了用仪器记录研究地震的新纪元。传说他的机械制造水平很高，被尊称为“木圣”。,指南车,根据,西京杂记,记载，汉代皇帝,的舆架中就列有指南车。可见，指,南车最迟在西汉时代就出现了，东,汉的,张衡,曾重新制造过，但由于战,乱也流失了。到了三国时期，著名,的机械制造家,马钧,又重新设计、制,造指南车，被人誉为“天下之巧”。,后人中，南北朝的,祖冲之,姚兴,，,唐朝的,金公立,等都曾经制造过指南,车，但都没有留下有关指南车内部构造的记载。直到宋代,吴德仁,在宋徽宗大观元年（,1107,），,燕肃,在宋仁宗天圣五年（,1027,），又先后制造了指南车。,工程力学发展简史,（,中国篇,）,李春赵州桥,赵州桥又名安济桥，建于隋大业,(,公元,605-618),年间，是著名匠师,李春,建造。桥长,64.40,米，跨径,37.02,米，是当今世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥。,工程力学发展简史,（,中国篇,）,其 他,西汉初年（公元前二世纪）成书的,淮南子,说山训,曾就本末倒置而造成不平衡的现象总结说：“下轻上重，其覆必易。”,东汉,王充,对平衡问题作了极好的论述：“圆物投之于地，东西南北无之不可，策杖叩动，才微辄停。方物集地，一投而止，及其移徙，须人动举。”（,论衡,状留篇,）“策杖”是赶马用的木棍。圆球投落地面，东西南北随遇滚动，只有用棍子制止它，它才会静止一会儿。方形物体投落地面，立即就静止在那儿。如果要它移动，就需要施加外力。这些现象正是力学中随遇平衡和稳定平衡的典型例子。,工程力学发展简史,（,中国篇,）,工程力学发展简史,工程力学发展简史,工程力学发展简史,从实践出发，经过抽象化、综合、归纳，建立公理，再应用数学演绎和逻辑推理而得到定理和结论，形成理论体系，然后再通过实践来证实理论的正确性。,工程力学的研究方法,1.,为后续课进行准备。理论力学是所有力学课程的基础。,2.,获得自学、表达等能力。培养正确的分析问题和解决问题的能力。,3.,工程中的某些问题可以直接运用理论力学来解决。,工程力学的学习目的,1,、物体的受力分析：分析物体（包括物体系）受哪些力，每个力的作用位置和方向，并画出物体的受力图。,2,、力系的等效替换（或简化）：用一个简单力系等效代替一个复杂力系。,3,、建立各种力系的平衡条件：建立各种力系的平衡条件，并应用这些条件解决静力学实际问题。,静力学研究的主要问题,公理一,(,二力平衡公理,),要使刚体在两个力作用下维持平衡状态，必须也只须这两个力大小相等、方向相反、沿同一直线作用。,作用线共线，,作用于同一个物体上。,第一节 静力学基本公理,F,1,F,2,公理二,(,加减平衡力系公理,),在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。,推论,(,力在刚体上的可传性,),作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用。,第一节 静力学基本公理,力的三要素：,大小、方向、作用线。,F,F,2,F,1,F,1,作用于物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力，即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。,即,，,合力为原两力的矢量和,。,矢量表达式：,F,1,F,2,R,第一节 静力学基本公理,公理三,(,力的平行四边形法则,),F,1,R,公理三,(,力的平行四边形法则,),F,2,y,x,F,F,x,F,y,第一节 静力学基本公理,F,1,F,F,2,A,=,证明：,F,1,F,2,F,3,A,3,A,A,2,A,1,推论 三力平衡汇交定理,第一节 静力学基本公理,F,3,公理四,(,作用和反作用定律,),两物体间相互作用的一对力,总是大小相等,方向相反,沿同一直线,并分别作用在这两个物体上。,设变形体在已知力系作用下维持平衡状态，则如将这个已变形但平衡的物体变成刚体（刚化），其平衡不受影响。,公理五,(,刚化公理,),第一节 静力学基本公理,约束反力：,约束给被约束物体的力叫约束反力。,自 由 体：,位移不受限制的物体叫自由体。,非自由体：,位移受限制的物体叫非自由体。,约 束：,对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称,为约束。,大小常常是未知的；,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。,约束反力特点：,第二节 约束与约束力,1,、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束,柔,索只能受拉力，又称张力,.,用,F,T,表示,第二节 约束与约束力,F,T,1,、由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束,柔,索只能受拉力，又称张力,.,用,T,表示,第二节 约束与约束力,绳索,皮带,链条,第二节 约束与约束力,S,AB,S,CD,S,AB,S,CD,S,BA,S,DC,S,BA,S,DC,2,、具有光滑接触面（线、点）的约束,（光滑接触约束）,第二节 约束与约束力,N,N,2,、具有光滑接触面（线、点）的约束,（光滑接触约束）,第二节 约束与约束力,齿轮传动,凸轮传动,只限制物体沿公法线,趋向于支承面方向,的运动,第二节 约束与约束力,F,R,F,R,2,、具有光滑接触面（线、点）的约束,（光滑接触约束）,第二节 约束与约束力,方位：,沿,接触处的公法线,指向：,指向物体（物体受压）,A,B,C,F,NA,F,NB,F,NC,3,、光滑铰链约束（径向轴,承、圆柱铰链、固定铰链支,座等）,（,1,）径向轴承（向心轴承）,第二节 约束与约束力,F,x,F,y,（,2,）,光滑圆柱铰链（连接铰链）,第二节 约束与约束力,F,x,F,y,第二节 约束与约束力,约束特征：,只限制物体沿圆柱形径向的运动。不限制其轴向和绕轴的转动运动。,属,光滑面约束,固定铰链或铰支座,F,R,F,R,F,x,F,y,约束反力特征：,方位,沿,销钉的径向,指向,指向不定（假定两互相垂直分量）,铰,活支铰链或中间铰,销 钉,A,B,C,F,B2x,F,B2y,B,B,B,F,B1y,F,B1x,B,（,3,）固定铰支座,A,F,Ax,F,Ay,A,第二节 约束与约束力,（,4,）可动铰支座,A,A,A,R,A,第二节 约束与约束力,4,、止推轴承,A,F,Ay,F,Ax,第二节 约束与约束力,5,、链杆约束,A,C,B,F,A,F,B,A,B,A,B,F,A,F,B,双铰链刚杆连杆（链杆约束）,链,杆：,两端,用,光滑铰链,与其它物体连接的,刚杆,；,不计自重,；,杆,上,无,其它,主动力,作用。,链杆,约束的特点：,只,限制物体沿杆轴线方向的运动。,约束反力的特点：,方位：,指向：,沿链杆的,轴线方向（或两铰链的连线方向）；,指向不定（通常假定）。,链杆,约束简图,链杆,约束反力,链杆,二力杆,D,C,D,C,B,A,F,C,F,D,F,C,F,D,A,B,C,P,？,请问,AC,、,BC,杆是否为二力杆,1,、确定研究对象，并解除其全部约束,画出分离体的图形（草图）。,2,、对研究对象进行受力分析：将主动力和约束反力用力矢量表示在研究对象的计算简图上。,先画主动力，后加约束反力,约束反力一般未知,方向,?,大小,?,作图时确定，箭头指向可假定,通过解平衡方程获得,*,一般为接触力,场力,第三节 物体的受力分析和受力图,例 题 一,A,B,F,1,F,1,F,2,F,2,F,Ax,F,Ay,N,B,E,W,1,A,F,A,E,F,W,1,F,F,F,E,例 题 二,A,B,E,C,D,F,W,A,B,E,C,D,W,T,E,N,A,N,D,例 题 三,A,F,B,q,F,q,A,B,R,B,F,Ay,F,Ax,荷载,集中荷载：,分布荷载：,荷载的作用范围很小，可忽略不计。,荷载作用在整个物体或某一部分上。,荷载集度：,物体单位体积、单位面积、单位长度上所承受的荷载,。,例 题 四,第二节 约束与约束力,第三节 物体的受力分析和受力图,第三节 物体的受力分析和受力图,2,、确定研究对象，画出分离体的图形。,3,、画主动力,4,、如果有已经画好受力图的分离体，则将其对本分离体的作用力按照作用力反作用力公理画出,第三节 物体的受力分析和受力图,5,、注意同一位置受到同一物体的作用力应相同,1,、检查是否含有二力构件，如果有首先分析二力构件,6,、余下约束按照其特点画出,如图所示的三铰刚架,ABCD,自重不计。分别,画出,AC,、,BC,和,刚架整体的受力图。,B,C,R,B,R,C,F,R,/,C,R,A,AC,BC,二力杆,C,A,D,例 题 五,F,A,D,C,B,R,B,B,C,R,C,F,C,R,/,C,A,E,R,A,F,整体,内力：系统内各个物体之间的作用力。,外力：系统外其它物体对系统内物体的作用力。,R,B,R,A,E,A,D,C,B,内力不出现在整体的受力图中。,F,A,D,C,B,例 题 五,R,B,B,C,R,C,F,C,R,/,C,A,F,整体,R,B,E,A,D,C,B,F,A,D,C,B,例 题 五,R,Ay,R,Ax,R,Ay,R,Ax,P,A,D,B,C,例 题 六,R,D,R,B,D,C,P,R,D,F,Cy,F,CX,B,A,C,R,B,CD,AC,F,Ay,F,AX,F,/,Cx,F,/,Cy,F,Ay,F,AX,P,A,D,B,C,整体,R,D,R,B,D,C,P,R,D,F,Cy,F,CX,B,A,C,R,B,CD,AC,F,Ay,F,AX,F,/,Cx,F,/,Cy,F,Ay,F,AX,q,q,P,A,D,B,C,q,P,A,D,B,C,q,例 题 七,整体,A,A,B,C,P,B,C,P,A,C,B,P,例 题 八,明确研究对象。,正确确定研究对象受力的数目。,在画受力图时，一般不要随便移动力的作用点位置。,当已知约束反力的方向时，必须将约束反力按真实方向画出,注意事项,P,1,N,B,F,Ax,F,Ay,P,2,F,Ax,F,Ay,P,1,P,2,N,B,P,1,P,2,A,B,C,例 题 九,q,P,P,F,Cx,F,Cy,F,Bx,F,By,A,B,C,q,F,Ax,F,Ay,F,Bx,F,By,F,Ax,F,Ay,F,Cx,F,Cy,例 题 十,O,C,A,X,C,Y,C,X,A,Y,A,O,C,F,B,A,D,E,O,C,F,B,A,D,E,C,D,E,X,C,Y,C,N,E,X,O,Y,O,B,A,E,X,B,Y,B,X,A,Y,A,N,E,X,O,Y,O,X,B,Y,B,F,1-2(i),例 题 十 一,C,D,C,（附销钉,）,B,P,C,B,D,A,Q,F,C,A,P,F,Bx,F,By,F,C,F,Cx,F,Cy,Q,F,Dx,F,Dy,F,A,（附销钉）,B,F,Ax,F,Ay,F,A,图示机构中，当销钉,C,附于,BC,杆时，试分别画出各杆及整体的受力图。,F,Dx,F,Dy,F,Ax,F,Ay,