第一篇静力学基础.ppt

1,第一篇静力学,第一章静力学基本概念与物体受力分析,静力学：研究物体在力系作用下平衡规律的一门科学。,力系：是指作用于同一物体上的一群力。,平衡力系：物体处于平衡状态时，作用于该物体上的力系。,平衡：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。,力学：研究物体机械运动规律的科学。,机械运动：指物体在空间的位置随时间的变化，包括变形和流动。,2,下一页,上一页,静力学研究的主要内容是：1）物体的受力分析2）力系的简化3）建立物体在各种力系作用下的平衡条件,返回首页,分力力系中各组成力,力系的简化用简单的力系代替复杂的力系，当然，这种代替必须在两力系对同一物体的作用效应完全相同的条件下进行。对同一物体作用效应相同的两力系等效力系。若一个力与一个力系等效，则此力称为该力系的合力,本章则主要介绍静力学的基本概念及在对物体分析时常见的几种典型的约束，并分析其约束力的特征及其物体受力图的绘制。,3,就是在力的作用下，大小和形状都不变的物体,或其内部任意两点间的距离始终保持不变的物体。,1、刚体,2、质点：刚体不计物体的尺寸而得到质点的概念,刚体和质点都是一个理想化的力学模型。,一、静力学的研究对象：,刚体,二、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机械运动状态。,2.力的效应：运动效应(外效应)变形效应(内效应)。,11静力学基本概念,4,3.力的三要素,返回首页,下一页,上一页,F,实践证明，力对物体的作用效应，是由力的大小、方向和作用点的位置所决定的，这三个因素称为力的三要素。,力的单位：国际单位制：牛顿(N)千牛顿(kN),例如，用扳手拧螺母,5,4力的矢量表示：,力是矢量常用一个带箭头的线段来表示，线段的长度按一定比例代表力的大小，线段的方位和箭头表示力的方向，其起点或终点表示力的作用位置。该线段的延伸称为力的作用线。用加粗体字母（如F）代表力矢，以普通字母F表示力的大小。,A,F,50N,力的作用线,F=200N,返回首页,下一页,上一页,B,6,集中力,汽车通过轮胎作用在桥面上的力,5集中力与分布力：,7,分布力,桥面板作用在钢梁的力,8,平面力系：力系中各力的作用线位于同一平面内，此力系称,根据力系中各力作用线在空间分布情况，可将力系进行分类,空间力系：力系中各力的作用线不在同一平面内，此力系称,汇交力系：力系中各力的作用线或其延长线能汇交于一点，称,平行力系：力系中各力的作用线互相平行。,任意力系：力系中各力的作用线任意分布。,平面汇交力系：是指力系中各力的作用线或者作用线的延长线位于一个平面内，并且相交于一点。,平面平行力系：,平面任意力系：,9,自由体：,非自由体：,约束（反）力：,在空间中位移不受限制的物体。,物体在运动时某些方位位移受到某些限制的，这种物体称,对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体,1-2约束与约束力,在各类工程机械中，构件总是以一定的形式与周围其他构件相互联接的，例如房梁受力柱的限制，使其在空间得到稳定的平衡；转轴受到轴承的限制，使其只能绕轴转动；小车受到地面的限制，使其只能沿路面运动等等。,约束：,约束限制了物体本来可能产生的某种运动，因此约束有力作用于物体，称,10,静力学,约束力大小常常是未知的。约束力方向总是与约束限制的物体的位移方向相反。约束力作用点在约束与被约束物体相接触的那一点。,约束（反）力特点确定约束（反）力方向的准则,G,主动力除约束力以外的其它力，或说能使物体运动或有运动趋势的力。,约束力是由主动力的作用而引起，随主动力的改变而改变,11,绳索，皮带，链条或钢丝绳等所形成的约束为柔性约束。简称柔索这类约束只能限制物体沿着柔索伸长方向的运动，因此它对物体只有沿柔索方向的拉力。作用点在接触点方向沿绳索背离被约束物体,一、柔性约束（柔索）,G,FT,下一页,上一页,返回首页,12,FT1,FT1,FT2,FT2,当柔索绕过轮子时，假想在柔索的直线部分处截开柔索，将与轮接触的柔索和轮子一起作为考察对象。,13,忽略摩擦约束：限制物体在接触点沿接触面的公法线方向的运动,二、光滑面约束,G,FN,下一页,上一页,返回首页,故约束力作用点在接触点处，方向沿公法线，指向被约束物体。,14,取杆为研究对象，并将其单独画出。再将作用在梁上的全部荷载画上。,FND,FNA,G,FNB,直杆与方槽在A、B、D三点接触,G,FND,FNA,FNB,下一页,上一页,返回首页,15,三、光滑圆柱铰链约束,实例1,16,实例2,17,18,三、铰链约束,两构件采用圆柱销所形成的联接为铰链联接。圆柱销只限制两构件的相对移动，而不限制两构件的相对转动，若相联的构件有一个固定，则称为固定铰链；若均不固定，则称为中间铰链。铰链简称为铰。,下一页,上一页,返回首页,19,中间铰链,C,A,B,C,简化表示,销钉,下一页,上一页,返回首页,20,中间铰链,FNC,K,C,FCx,FCy,C,C,FCx,FCy,中间铰链约束力作用在垂直于销钉轴线的平面内，通过圆孔中心，方向待定。（见下页图）通常用两个正交分力FCx，和FCy来表示铰链约束反力，两分力的指向是假定的。,FCx,FCy,两物体在铰链处的约束力构成作用力与反作用力关系，即大小相等，方向相反，在同一直线上。,下一页,上一页,返回首页,21,22,固定铰链,下一页,上一页,返回首页,23,用铰链连接的两个构件中，其中一个构件是固定在基础上的支座(图a)。图be是几种简化表示。固定铰链约束反力与铰的情形相同(图f)。,通常用两个正交分力Fx，和Fy来表示铰支座约束反力，两分力的指向是假定的。固定铰链约束反力与铰的情形相同(图c)。,固定铰链约束反力，通过圆孔中心，方向待定。,固定铰链：用铰链连接的两个构件中，其中一个构件是固定在基础上的(图a)。图bc是二种简化表示。,构件,销钉,支座,Fx,Fy,FN,下一页,上一页,返回首页,24,二力构件,下一页,上一页,返回首页,固定铰链及中间铰链的约束力方向如属于下列情况，是可以确定的：铰链联接的构件中，有一个是二力构件。,25,二力构件(或二力体)：只在两个力作用下平衡的刚体。,下一页,上一页,返回首页,二力体或二力构件受力特点：二力体或二力构件所受的二个力的方向，必沿两力作用点的连线，且等值、反向。,26,A,FA,FCB,FBC,FCB,B,C,由于构件上只在两端作用了两个约束力，而构件是平衡的，因此这两个力必然大小相等，方向相反，在同一直线上。所以，链杆约束的约束力是沿着两端销钉圆心连线，指向待定。,二力构件,27,请判断下列结构中哪些构件是二力构件，哪些构件则不是二力构件。,28,如果在支座与支承面之间装上几个滚子，使支座可沿支承面移动，就成为滚动铰链支座，简称滚动铰。图bd是它的几种简化表示。,构件,销钉,支座,辊轴,FN,活动铰链支座约束反力垂直于支承面，通过铰链中心，指向待定。,滚动铰链支座,如果支承面是光滑的，这种支座不限制构件沿支承面移动和绕销钉轴线的转动，只限制构件沿支承面法线方向的移动。,下一页,上一页,返回首页,FN的实际方向也可以向下,29,静力学,常见滚动铰链支座（辊轴支座）：,FN的实际方向也可以向下,30,滚动铰链支座,下一页,上一页,返回首页,31,滚动铰链支座,下一页,上一页,返回首页,32,思考题：光滑面约束与滚轴支座有何异同点？,33,光滑球铰链,约束特点通过球与球壳将构件连接，构件可以绕球心任意转动，但构件与球心不能有任何移动。,当忽略摩擦时，球与球座亦是光滑约束问题。,约束力作用点通过接触点，并指向球心，是一个不能预先确定的空间力。可用三个正交分力表示。,34,静力学,1-3物体的受力分析和受力图,受力图:在分离体上画出它所受的全部主动力，在解除约束的地方根据约束性质画出相应的约束力（被动力）。这种表示分离体及其所受外力的图称受力图。,一、受力分析,解决力学问题时，首先选择研究对象；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。,分离体-为将研究对象的受力情况清晰表达必须将所选择研究对象,从周围物体中分离出来,即要解除约束,解除约束后的自由物体称分离体。,35,静力学,选研究对象,取分离体，画出其简图；,三、受力图表示分离体及其所受外力的图,检查力是否多画、漏画和错画。,在去掉约束处，按约束类型画出所有约束力。,在研究对象上，按已知条件画出所有主动力；,画物体受力图主要步骤为：,36,静力学,四、画受力图应注意的问题,除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，接触处必有力，力的方向由约束类型而定。,2、不要多画力,要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对于受力体所受的每一个力，都应能明确它是哪一个施力体施加的。,1、不要漏画力,37,静力学,约束反力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不能单凭想像。在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意，作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，不要把箭头方向画错。,即受力图一定要画在分离体上。,38,静力学,对于某一处的约束反力的方向一旦设定，在整体、局部或单个物体的受力图上要与之保持一致。,5、受力图上只画外力，不画内力。,6、同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相互协调，不能相互矛盾。,7、正确判断二力构件。,若有二力构件应先画二力构件受力图，其受力方向一定沿二力作用点的连线且反向；,39,例1,解：隔离研究对象画出简图,画出主动力,画出约束力,碾子重为P，拉力为F，、处光滑接触，画出碾子的受力图,B,A,P,F,FA,FB,40,例2,解：取屋架,画出主动力,画出约束力,屋架受均布风力（N/m），屋架重为，画出屋架的受力图,41,例3.绞车通过钢丝绳牵引重力为P的矿车沿斜面轨道运动。画出矿车的受力图。,P,NA,NB,解：,1.取矿车为研究对象，画矿车简图,T,2.图已知主动力,3.图约束力,42,例4.水平梁AB两端用铰支座和辊轴支座支撑。在C处作用一集中载荷P，梁重不计，画出梁AB的受力图。,XA,YA,NB,解：,43,例4.水平梁AB两端用铰支座和辊轴支座支撑。在C处作用一集中载荷P，梁重不计，画出梁AB的受力图。,XA,YA,NB,NB,RA,D,解法一：,根据三力平衡汇交定理画出受力图。,解法二：,44,习题：画出图示结构中球和杆AB的受力图,解：,注意:作用力与反作用力的方向要相反,45,习题：画出图示结构中球和杆AB的受力图,解：,注意:作用力与反作用力的方向要相反,46,静力学,例4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。,47,静力学,例3尖点问题,应去掉约束,应去掉约束,48,例6,解：取杆，其为二力构件，简称二力杆，其受力图如图(b),水平均质梁重为，电动机重为，不计杆的自重，画出杆和梁的受力图图(a),49,取AB梁，其受力图如图,若这样画，梁AB的受力图又如何改动?,思考:CD杆的受力图能否画为下图所示？,50,例7,不计三铰拱桥的自重与摩擦，画出左、右拱的受力图与系统整体受力图,右拱为二力构件，其受力图如图（b）所示,取左拱,其受力图如图（c）所示,解：,51,画系统整体受力图,52,考虑到左拱三个力作用下平衡，也可按三力平衡汇交定理画出左拱的受力图，如图（e）所示,此时整体受力图如图（f）所示,53,讨论：若左、右两拱都考虑自重，如何画出各受力图？,如图,（g）,（h）,（i）,54,例8,不计自重的梯子放在光滑水平地面上，画出绳子、梯子左右两部分与整个系统受力图图(a),解：绳子受力图如图（b）所示,55,梯子左边部分受力图如图（c）所示,梯子右边部分受力图如图（d）所示,56,整体受力图如图（e）所示,提问：左右两部分梯子在A处，绳子对左右两部分梯子均有力作用，为什么在整体受力图没有画出？,57,静力学,例9画出下列各构件的受力图,58,正确的绘制受力图是进行力学分析的基础,需注意以下几点:1.取恰当的研究对象进行分析,可