工程力学PPT教学课件-第一章 绪论.ppt

工程力学,绪论,研究对象,1.工程力学的研究对象结构：工程中各种各样的建筑物、机械等都是由若干构件（或零件）按照一定的规律组合而成的。2.工程力学的基本任务任务一：对处于平衡状态的物体进行分析静力分析（由已知力求未知力）任务二：研究构件的强度、刚度和稳定性问题，提供有关的理论方法和实践技术，合理确定构件的材料和形状尺寸，达到安全经济美观的效果。,研究对象,保证结构和构件正常工作的衡量标准：（1）不发生破坏（屈服或断裂），即具有足够的强度。（2）发生的变形在工程允许范围之内，即具有足够的刚度。（3）不丧失原有形状下的平衡状态，即具有足够的稳定性。,课程意义,工程力学是涉及众多的力学学科分支与广泛的工程技术的学科。(如机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等)顾名思义，工程力学是既与工程又与力学密切相关的课程。作为高等工科学校的一门技术基础课，工程力学涵盖了理论力学（静力学）和材料力学两门课程的主要经典内容。,教学目标,理解力学的基本概念和基本定律，掌握工程力学的基础知识和基本理论以及处理工程力学问题的基本方法，具备解决简单工程中实际力学问题的能力。能对静力学问题进行力学分析和计算。能正确应用公式对受力不很复杂的构件进行强度、刚度及稳定性计算。,课程内容,本课程包括“理论力学静力学”和“材料力学”两部分，主要研究：理论力学是研究物体的运动，研究作用在物体上的力和运动之间的关系；其中静力学是研究物体的受力与平衡的规律。材料力学是研究物体的变形，研究作用在物体上的力和变形之间的关系。,课程内容,第一篇：理论力学静力学第1章静力学基础第2章平面力系的简化第3章平面力系平衡问题第4章刚体静力学专门问题,课程内容,第二篇：材料力学第5章材料力学基本概念第6章轴向拉伸和压缩第7章截面图形的几何性质第8章扭转第9章直梁弯曲第10章压杆稳定,考核方式：闭卷笔试成绩构成：平时成绩：30%；实验成绩：20%；期末成绩：50%,考核方式,静力学主要研究：物体的受力分析；力系的等效替换与简化；力系的平衡条件及其应用。,静力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学。,第1章静力学基础,1.1静力学基本概念1.2静力学公理1.3约束与约束反力1.4物体受力分析,第1章静力学基础,1.1静力学基本概念,是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运动的状态。,一.刚体,就是在力的作用下，大小和形状都不变的物体。或者说是指在力的作用下，物体内任意两点间距离都不会改变的物体。,二.平衡,第1章静力学基础,变形体：受到力作用后发生变形的物体。,三、力的概念,1定义：,2.力的效应：运动效应(外效应)变形效应(内效应)。,力是物体间的相互机械作用。,第1章静力学基础,外效应,内效应,4.力的单位：国际单位制：牛顿(N)千牛顿(kN),3.力的三要素：大小，方向，作用点,第1章静力学基础,接触力：,万有引力、电场力、磁场力等。,非接触力：,拉力、压力、摩擦力、重力等。,5.力的分类：,延伸：作用点：实际上两物体接触处总会占有一定面积，力总是分布地作用于物体的一定面积上的。如果这个面积很小，则可将其抽象为一个点，这时作用力称为集中力。如果接触面积比较大，力在整个接触面上分布作用，这时的作用力称为分布力。通常用单位长度的力表示沿长度方向上的分布力的强弱程度，称为载荷集度，用记号q表示,单位为Nm。,第1章静力学基础,第1章静力学基础,第1章静力学基础,6.力系：是指作用在物体上的一群力。分类：,第1章静力学基础,空间力系：各力作用线在不同的平面内,任意力系,汇交力系,平行力系,共线力系,空间力系：各力作用线在不同的平面内,平面力系：各力作用线在同一个平面内,空间力系：各力作用线在不同的平面内,7.等效力系：两个力系的作用效果完全相同。8.力系的简化：用一个简单力系等效代替一个复杂力系。9.合力：如果一个力与一个力系等效，则称这个力为力系的合力。10.平衡力系：物体在力系作用下处于平衡，我们称这个力系为平衡力系。,第1章静力学基础,第1章静力学基础,三、力矩：,力对点之矩,1.力对点矩矢的大小、方向及物理意义,右手螺旋定则,力使物体绕该点转动效应的度量,第1章静力学基础,2.合力矩定理,定理：合力对任一点之矩矢，等于所有各分力对同一点之矩矢的矢量和（平面力系内为代数和）。,力对点之矩矢服从矢量的合成法则,已知：力系（F1，F2，F3，Fn）可以合成为一个合力FR,则：,平面力系：,第1章静力学基础,3.平面中力对点的矩,平面内力对点之矩是代数量，不仅与力的大小有关，且与矩心位置有关。,当F=0或h=0时，=0。,说明：,力对点之矩不因力的作用线移动而改变。,互成平衡的两个力对同一点之矩的代数和为零。,力臂,矩心,例1如图所示，数值相同的三个力按不同方式分别施加在同一扳手的A端。若F=200N，图中长度单位为mm，试求三种不同情况下力对点O之矩。,解：图示的三种情况下，虽然力的大小、作用点和矩心均相同，但力的作用线各异，致使力臂均不相同，因而三种情况下，力对点O之矩不同。根据力矩的定义式（1.8）可求出力对点O之矩分别为：,图(a),Nm,图(b),Nm,图(c),Nm,第1章静力学基础,第1章静力学基础,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特殊力系叫力偶。,四、力偶与力偶的性质,1力偶的概念,移动效应-取决于力的大小、方向；转动效应-取决于力矩的大小、方向。,力的作用效应：,力偶系：作用在刚体上的一群力偶。,力偶的作用效应：使刚体转动（由两个力共同作用引起）。,第1章静力学基础,2力偶矩矢量1.平面力偶（代数量）,力偶的作用面,力偶臂,力偶矩：m=Fd单位：N.m或KN.m,力偶的三要素：大小、转向、作用面。,第1章静力学基础,3力偶的性质,1力偶的等效条件,力偶矩矢,性质1：力偶无合力，本身又不平衡，是一个基本力学量。力偶只能和力偶平衡，而不能和一个力平衡。,两个力偶等效,力偶矩矢相等,2力偶的性质,第1章静力学基础,性质2：力偶中两力对任一点取矩之和恒等于力偶矩，而与矩心的位置无关。,性质3：力偶可以在其作用面内任意移动或转动，或移到另一平行平面，而不影响它对刚体的作用效应。,第1章静力学基础,性质4：只要保持力偶矩大小和转向不变，可以任意改变力偶中力的大小和相应力偶臂的长短，而不改变它对刚体的作用效应。,第1章静力学基础,五、力偶与力矩的区别和联系,1、力偶是自由量,可以在作用面内任意移动和转动的，与矩心的位置无关；力矩是定位量，定位于矩心，与矩心的位置有关。,2、力偶矩不标矩心，而力矩一定要标明矩心。,3、力偶是一个基本的力学量，力矩只是力使物体绕某点转动效应的度量。,4、力偶矩与力矩量纲相同。,第1章静力学基础,1.2静力学基本公理,是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。,公理1力的平行四边形法则,公理：,作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。合力的作用点也在该点，合力的大小、方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。,第1章静力学基础,此公理给出了力系简化的基本方法。平行四边形法则是力的合成法则，也是力的分解法则。,第1章静力学基础,推论力的三角形法则,两个力依次首尾相接，合力从第一个力的是始端指向第二个力的末端。,第1章静力学基础,公理2二力平衡公理,作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：这两个力大小相等|F1|=|F2|方向相反F1=F2作用在同一直线上，作用于同一个物体上。,第1章静力学基础,二力体：只在两个力作用下平衡的刚体叫二力体。,二力杆,说明：对刚体来说，上面的条件是充要的。,对变形体(或多体中)来说，上面的条件只是必要条件。,第1章静力学基础,二力杆可以是直杆也可以是曲杆。二力杆受力特点：两个力的大小相等，方向相反，作用线沿两个力的作用点的连线。,二力杆的判断：1.处于平衡状态2.两个接触点3.杆上无外力P20练习,第1章静力学基础,在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。,作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点，而不改变该力对刚体的效应。,因此，对刚体来说，力作用三要素为：大小，方向，作用线。,公理3加减平衡力系公理,推论1力的可传性,第1章静力学基础,推论2三力平衡汇交定理,作用在刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则第三个力的作用线通过汇交点。,第1章静力学基础,公理4作用力和反作用力定律,例吊灯,两物体间的相互作用力，大小相等，方向相反，作用线沿同一直线。,第1章静力学基础,公理5刚化原理,变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。,此公理提供了将变形体看作刚体的条件。刚体的平衡条件是变形体平衡的必要条件，而非充分条件。,A）处于平衡状态的物体可视为刚体。B）变形微小的物体可视为刚体。C）在研究物体机械运动时，物体的变形对所研究问题没有影响，或者影响甚微，此时物体可视为刚体。,题1：下列说法是否正确：,题2：下列说法是否正确：,A）力是滑动矢量，可沿着作用线移动。B）力对物体的作用效应分为外效应（运动效应）和内效应（变形效应），理论力学中主要研究的是力的外效应。,思考题,题3：4根无重杆件铰接如图所示，现在BD两点加上一对等值、反向、共线的力，此系统是否能够平衡？为什么？,思考题,题4：刚体上A点受力F作用，如图所示，问能否在B点加上一个力使得刚体平衡？为什么？,思考题,题5：物体在某个力系作用下平衡，由加减平衡力系公理，在此物体上加上一个平衡力系，该物体一定还处于平衡状态吗？为什么？,题6：如图所示刚体，根据力的可传性，是否能将力F由刚体上一点A移到刚体外一点B？,思考题,1.3约束与约束反力,一、概念,位移不受限制的物体叫自由体。,自由体：,第1章静力学基础,位移受限制的物体叫非自由体。,非自由体：,第1章静力学基础,大小常常是未知的；方向总是与受约束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。,约束力特点：,G,约束力：约束与非自由体接触相互产生了作用力，约束作用于非自由体上的力叫约束力或称为约束反力。,约束：对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体称为约束。,F,G,FN1,FN2,第1章静力学基础,二、约束类型和确定约束反力方向的方法：,柔索：由柔软的绳索、链条或皮带构成的约束,绳索类只能受拉，约束反力作用在接触点，方向沿绳索背离物体。,第1章静力学基础,F1,F2,约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。,1柔索约束,第1章静力学基础,约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。,F1,F2,第1章静力学基础,胶带构成的约束,第1章静力学基础,链条构成的约束,约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。,第1章静力学基础,约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。,第1章静力学基础,约束反力作用在接触点处，方向沿公法线，指向受力物体,2光滑支承面约束,第1章静力学基础,第1章静力学基础,圆柱铰链,A,A,约束反力过铰链中心，用XA、YA表示,3光滑圆柱铰链约束,第1章静力学基础,固定铰支座：物体与固定在地基或机架上的支座有相同直径的孔，用一圆柱形销钉联结起来，这种构造称为固定铰支座。,4固定铰支座,第1章静力学基础,第1章静力学基础,固定铰支座,第1章静力学基础,固定铰支座,第1章静力学基础,固定铰支座,第1章静力学基础,中间铰,中间铰：如果两个有孔物体用销钉连接。,第1章静力学基础,中间铰,销钉,第1章静力学基础,约束力表示,第1章静力学基础,5滚动铰支座,在固定铰链支座的底部安装一排滚轮，可使支座沿固定支承面滚动。,第1章静力学基础,滚动铰支座,第1章静力学基础,1.4物体受力分析,滚动铰支座,其它表示,A,空间,反力是过球铰中心的FAx、FAy、FAz三个分力。,6球形铰支座,第1章静力学基础,7轴承,（1）径向轴承它限制转轴的径向位移，并不限制它的轴向运动和绕轴转动。径向轴承的约束反力用两个垂直于轴长方向的正交分力表示。,第1章静力学基础,（2）径向止推轴承它既限制转轴的径向位移，又限制它的轴向运动，只允许绕轴转动，其约束反力用三个大小未知的正交分力表示。,第1章静力学基础,8固定端约束,固定端约束,固定端约束反力,第1章静力学基础,9二力杆约束,第1章静力学基础,二力构件的约束力沿连杆两端铰链的连线，指向不定，通常假设受拉。,第1章静力学基础,翻斗车,二力构件,第1章静力学基础,约束反力垂直于滑道、导轨，指向亦待定。,滑道、导轨：,10其它约束,第1章静力学基础,三、常见的约束和约束反力图示,第1章静力学基础,第1章静力学基础,解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析。,1.4物体的受力分析和受力图,作用在物体上的力有：一类是主动力：如重力,风力,气体压力等。二类是被动力：即约束反力。,一、受力分析,第1章静力学基础,补充：解除约束原理,当受约束的物体在某些主动力的作用下处于平衡，若将其部分或全部的约束除去，代之以相应的约束反力，则物体的平衡不受影响。,意义：在解决实际物体的平衡问题时，可以将该物体所受的各种约束解除，而用相应的约束反力去代替它们对于物体的作用。这时，物体在所有主动力和约束力作用下，仍然保持平衡，但物体已经被抽象成为一个不受任何约束作用的自由体了，因而就可利用静力学所得出的关于自由刚体的平衡条件来解决受有各种不同约束的物体的平衡问题。,第1章静力学基础,画物体受力图主要步骤为：选研究对象；去约束，取分离体；画上主动力；画出约束反力。,二、受力图,例1,G,注意：只画外力，不画内力；只画受力，不画施力,第1章静力学基础,例2画出下列各构件的受力图,第1章静力学基础,A,C,D,B,E,FA,FB,FC,第1章静力学基础,例3画出下列各构件的受力图,说明：三力平衡必汇交当三力平行时，在无限远处汇交，它是一种特殊情况。,第1章静力学基础,例4尖点问题,第1章静力学基础,例5画出下列各构件的受力图,第1章静力学基础,A,B,C,B,A,C,例6,第1章静力学基础,例题：如图所示，重物重G=20kN，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。,例7,第1章静力学基础,第1章静力学基础,例8,第1章静力学基础,题1.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，并分别画出受力图。,思考题,解：,1.物块B的受力图。,2.球A的受力图。,3.滑轮C的受力图。,题2.结构中固结在I点的绳子绕过定滑轮O，将重物P吊起。各杆之间用铰链连接，杆重不计，均处于平衡状态。试画出下列指定物体的受力图：（1）整体；（2）杆BC；（3）杆CDE；（4）销钉B。,解：（1