工程力学静力学的基本概念.ppt

2020 3 7 1 工程力学EngineeringMechanics 2 2020 3 7 3 2020 3 7 绪论 力学是研究物质机械运动规律的科学 自然界物质有多种层次 从宇观的宇宙体系 宏观的天体和常规物体 细观的颗粒 纤维 晶体 到微观的分子 原子 基本粒子 通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主 但由于学科的互相渗透 有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律 4 2020 3 7 力学在汉语中的意思是力的科学 汉语 力 字最初表示的是手臂使劲 后来虽又含有他义 但都同机械或运动没有直接联系 力学 一词译自英语mechanics 源于希腊语 机械 在英语中 mechanics是一个多义词 既可释作 力学 也可释作 机械学 结构 等 在欧洲其他语种中 此词的语源和语义都与英语相同 汉语中没有同它对等的多义词 5 2020 3 7 Mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时 译作 重学 后来改译作 力学 一直使用至今 力学的 和 机械的 在英语中同为Mechanical 而现代汉语中 机械的 又可理解为 刻板的 这种不同语种中词义包容范围的差异 有时引起国际学术交流中的周折 例如机械的 Mechanical 自然观 其实指用力学解释自然的观点 而英语Mechanist是指机械师 不是指力学家 6 2020 3 7 力学是最古老的科学之一 它是社会生产和科学实践长期发展的产物 人类对力学的一些基本原理的认识 一直可以追溯到史前时代 随着古代建筑技术的发展 简单机械的应用 静力学逐渐发展完善 在中国古代及古希腊的著作中 已有关于力学的叙述 但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的 7 2020 3 7 公元前5 前4世纪 在中国的 墨经 中已有关于水力学的叙述 古希腊的数学家阿基米德 公元前3世纪 提出了杠杆平衡公式 限于平行力 及重心公式 奠定了静力学基础 荷兰学者S 斯蒂文 16世纪 解决了非平行力情况下的杠杆问题 发现了力的平行四边形法则 8 2020 3 7 力学可粗分为静力学 运动学和动力学三部分 静力学研究力的平衡或物体的静止问题 运动学只考虑物体怎样运动 不讨论它与所受力的关系 动力学讨论物体运动和所受力的关系 力学也可按所研究对象区分为固体力学 流体力学和一般力学三个分支 流体包括液体和气体 固体力学和流体力学可统称为连续介质力学 它们通常都采用连续介质的模型 固体力学和流体力学从力学分出后 余下的部分组成一般力学 9 2020 3 7 动力学的科学基础以及整个力学的奠定时期在17世纪 意大利物理学家伽利略创立了惯性定律 首次提出了加速度的概念 他应用了运动的合成原理 与静力学中力的平行四边形法则相对应 并把力学建立在科学实验的基础上 英国物理学家牛顿推广了力的概念 引入了质量的概念 总结出了机械运动的三定律 1687年 奠定了经典力学的基础 他发现的万有引力定律 是天体力学的基础 以牛顿和德国人G W 莱布尼兹所发明的微积分为工具 瑞士数学家L 欧拉系统地研究了质点动力学问题 并奠定了刚体力学的基础 10 2020 3 7 纳维于1819年提出了关于梁的强度及挠度的完整解法 1821年5月14日 纳维在巴黎科学院宣读的论文 在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式 这被认为是弹性理论的创始 其后 1870年圣维南又发表了关于塑性理论的论文水力学也是一门古老的学科 物体流变学是研究较广义的力学运动的一个新学科 早在中国春秋战国时期 公元前5 前4世纪 墨翟就在 墨经 中叙述过物体所受浮力与其排开的液体体积之间的关系 欧拉提出了理想流体的运动方程式 1929年 美国的宾厄姆倡议设立流变学学会 这门学科才受到了普遍的重视 11 2020 3 7 力学是物理学 天文学和许多工程学的基础 机械 建筑 航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据 机械运动是物质运动最基本的形式 机械运动亦即力学运动 在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举 最突出的有 以人类登月 建立空间站 航天飞机等为代表的航天技术 以速度超过5倍声速的军用飞机 起飞重量超过300t 尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术 以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的机械工业 可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台 以排水量达5 105t的超大型运输船和航速可达30多节 深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业 可以安全运行的原子能反应堆 在地震多发区建造高层建筑 正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车 等等 甚至如核弹引爆的核心技术 也都是典型的力学问题 12 2020 3 7 土木建筑 13 2020 3 7 14 2020 3 7 15 2020 3 7 纽约洛克菲勒中心R C A 大厦 世界贸易中心 16 2020 3 7 17 2020 3 7 联合国总部大厦 比萨斜塔 18 2020 3 7 桥梁 19 2020 3 7 20 2020 3 7 21 2020 3 7 长江三峡工程 水利 22 2020 3 7 海洋石油钻井平台 23 2020 3 7 24 2020 3 7 25 2020 3 7 航空 26 2020 3 7 军事 27 2020 3 7 爆破 28 2020 3 7 工程力学是研究物体机械运动的一般规律和构件的强度 刚度和稳定性的一门科学 29 2020 3 7 理论力学主要研究 力系的简化和刚体的平衡条件 理论力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学 材料力学主要研究 构件的强度 刚度和稳定性 注 1 构件 组成机器 设备和结构物的基本元件 2 强度 构件抵抗破坏的能力 3 刚度 构件抵抗变形的能力 4 稳定性 构件保持其原有平衡状态的能力 30 2020 3 7 材料力学的研究内容 在人们运用材料进行建筑 工业生产的过程中 需要对材料的实际承受能力和内部变化进行研究 这就催生了材料力学 运用材料力学知识可以分析材料的强度 刚度和稳定性 材料力学还用于机械设计使材料在相同的强度下可以减少材料用量 优化机构设计 以达到降低成本 减轻重量等目的 在材料力学中 将研究对象被看作均匀 连续且具有各向同性的线性弹性物体 但在实际研究中不可能会有符合这些条件的材料 所以须要各种理论与实际方法对材料进行实验比较 材料在机构中会受到拉伸 压缩 弯曲 扭转及其组合等变形 根据胡克定律 Hooke slaw 在弹性限度内 物体的应力与应变成线性关系 31 2020 3 7 工程力学在材料 化工和化学等专业课程体系中的地位 技术性专业基础课 讲述力学的基本原理 方法与知识 在专业课和基础课之间起到桥梁作用 为物体的机械运动分析及强度 刚度和稳定性计算提供必要的理论依据 32 2020 3 7 工程力学的知识结构及重点 静力学 力系的简化与平衡理论力学运动学 物体的机械运动工程力学动力学 将力与运动有机结合起来材料力学拉伸与压缩 剪切 扭转 弯曲 工程力学的特点 理论性 系统性 抽象性 工程力学的学习方法 理论与实践相结合 抓主要矛盾与矛盾的主要方面 理想化模型 33 2020 3 7 第一部分理论力学 静力学 34 2020 3 7 理论力学 静力学 研究力系的简化与平衡条件 运动学 单纯从几何观点研究物体的运动学性质 为了研究上的方便 动力学 研究作用于物体上的力与运动之间的关系 理论力学 高等数学 材料力学 其它专业课 35 2020 3 7 第一章静力学的基本概念 36 2020 3 7 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物体的受力分析及受力图 静力学的基本概念 37 2020 3 7 4 力的单位 国际单位制 牛顿 N 千牛 顿 kN 一 力的概念 1 定义 力是物体间的相互机械作用 这种作用可以改变物体的运动状态或使物体变形 2 力的效应 运动效应 外效应 变形效应 内效应 3 力的三要素 大小 方向 作用点 静力学的基本概念 1 1静力学基本概念 38 2020 3 7 5 力系 是指作用在物体上的一组力 6 等效力系 两个效应相等的力系 7 合力 一个力与一个力系等效 则该力称为力系的合力 二 刚体 在力的作用下 不发生变形的物体 理想化模型 抽象化概念 静力学的基本概念 变形固体 39 2020 3 7 四 静力学的研究内容作用在刚体上的力系的简化方法刚体在力系作用下的平衡条件 物体保持其原来的静止或作匀速直线运动的状态 三 平衡 平衡力系 物体在力系作用下处于平衡 称这个力系为平衡力系 40 2020 3 7 1 2静力学公理 公理 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命题 公理1二力平衡公理 如果作用于物体上的两个力大小相等 方向相反 作用于同一条直线上 则该二力平衡 这两个力大小相等 F1 F2 方向相反F1 F2作用在同一条直线上 静力学的基本概念 41 2020 3 7 二力构件 作用力等值反向共线 例 求a b两点所受的力 解题思路 1 寻找二力构件2 依据三力平衡定理三力平衡定理 如果一个物体受到三个互不平行的共面力的作用而处于平衡状态 则这三个力的作用线必然汇交于一点 三力矢量按首尾相连的顺序构成一封闭三角形 或简称力三角形封闭 静力学的基本概念 42 2020 3 7 二力构件的实例1 43 2020 3 7 二力构件的实例2 在进行构件受力分析时 能正确判断其是否为二力构件 可使问题顺利解决 这点很重要 F1 F2 F2 F1 44 2020 3 7 45 2020 3 7 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效应 推论1 力的可传性 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 而不改变对刚体的作用效应 因此 对刚体来说 力作用三要素为 大小 方向 作用线 公理2加减平衡力系原理 静力学的基本概念 46 2020 3 7 刚体受三力作用而平衡 若其中两力作用线汇交于一点 则另一力的作用线必汇交于同一点 公理3力的平行四边形法则 作用于物体上同一点的两个力可合成为一个合力 此合力也作用于该点 合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示 推论2 三力平衡汇交定理 静力学的基本概念 47 2020 3 7 公理4作用力和反作用力定律 作用力和反作用力等值 反向 共线 异体 且同时存在 证 为平衡力系 也为平衡力系 又 二力平衡必等值 反向 共线 三力必汇交 例 吊灯 静力学的基本概念 48 2020 3 7 公理5刚化 硬化 原理 对于变形体而言 变形很小 可以假想为刚体进行力学分析 公理5告诉我们 处于平衡状态的变形体 可用刚体静力学的平衡理论 静力学的基本概念 49 2020 3 7 约束反力 约束施加于被约束物体的作用力叫约束反力 1 3约束与约束反力 一 概念 自由体 位移不受限制的物体叫自由体 如飞机 炮弹等 非自由体 位移受限制的物体叫非自由体 如火车 汽车等 约束 阻碍物体运动的一切装置 如绳索 皮带 基础 地面 静力学的基本概念 主动力 凡是主动引起物体运动状态发生变化或变化趋势的力 推力 重力 风力 拉力等 主体 承受主动力作用的研究对象 50 2020 3 7 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 G 静力学的基本概念 51 2020 3 7 二 约束类型和确定约束反力方向的方法 约束反力 作用在接触点处 方向沿公法线 指向受力物体 1 理想光滑面约束 公法线上 P 特点 两个物体相接触 接触面光滑 静力学的基本概念 P N P 52 2020 3 7 静力学的基本概念 P N P P P 53 2020 3 7 54 2020 3 7 55 2020 3 7 光滑接触约束实例3 56 2020 3 7 约束反力 拉力 作用在接触点 方向沿绳索背离物体 2 柔性约束 特点 由柔性物体构成的约束 如 绳索 链条只能限制物体沿柔体伸长方向的运动 只能受拉 不能受压 静力学的基本概念 57 2020 3 7 柔性约束实例 直杆的受力 绳子 F1 F2 FT1 FT2 58 2020 3 7 59 2020 3 7 60 2020 3 7 61 2020 3 7 3 固定铰支座 滑槽与销钉 双面约束 静力学的基本概念 62 2020 3 7 固定铰支座 静力学的基本概念 计算简图 63 2020 3 7 64 2020 3 7 4 可动铰支座 辊轴支座 静力学的基本概念 65 2020 3 7 66 2020 3 7 67 2020 3 7 光滑铰链约束实例3 68 2020 3 7 5 固定端支座约束 特点 物体的一端插入到墙体等不动物体中 既不能发生相对移动 也不能发生相对转动 约束反力 两个相互垂直的力和一个力偶 静力学的基本概念 69 2020 3 7 6 球形铰支座 特点 将连在物体上的圆球装球窝里而构成的空间约束 静力学的基本概念 70 2020 3 7 一 受力分析解决力学问题时 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 作用在物体上的力有 主动力 如重力 风力 气体压力等 被动力 即约束反力 1 4物体的受力分析和受力图 静力学的基本概念 71 2020 3 7 画物体受力图主要步骤为 选研究对象 取分离体 画上主动力 画出约束反力 二 受力图 例1 静力学的基本概念 注 分离体即解除约束后的研究对象 研究对象的选取既可以是单个物体也可以是几个物体组成的系统 物系 72 2020 3 7 画受力图是解平衡问题的关键 画受力图的一般步骤为 根据题意确定研究对象 并画出研究对象的分离体简图 在分离体上画出全部已知的主动力 在分离体上解除约束的地方画出相应的约束反力 73 2020 3 7 内力与外力如果所取的分离体是由某几个物体组成的物体系统时 要注意分清 内力 和 外力 外力 系统以外物体对物体系统的作用力内力 系统内物体间相互作用的力注