第一章 绪论及受力分析(hg).ppt

工程力学C,课程简介,工程力学,理论力学,材料力学,运动学,静力学,动力学,不学,不学,80学时=20学时（静力学）+50学时（材料力学）,学时分配：,+10学时（材料力学实验）,教材,工程力学单祖辉谢传锋编,1、工程力学（）范钦珊主编高等教育出版社2、工程力学静力学北京科大主编高等教育出版社3、工程力学材料力学北京科大主编高等教育出版社,建议选用的参考书,成绩计算,考试：70%平时：30%（出勤+作业）,听课容易，做题难。作业多，作图多。（45题/每次课）,作业要求：,每周交一次，每人准备两个练习本；,作业中图必须用作图工具（尺、圆规等）；,作业记平时成绩。,课程特点：,理论力学：研究物体在外力作用下的运动效应，外效应。,研究的物体刚体,研究的物体可变形体,确定：外力（载）计算，运动规律。,变形：在载荷的作用下，物体的形状、尺寸的变化。,材料力学是研究作用在物体上的力与变形之间的关系及与之相关的力学问题。,材料力学：研究物体在外力（载荷）作用下的变形效应，内效应。,力学是一门怎样的学科？,力学是工科大学生必须了解和掌握的一门学科。,工程与工程力学,航空航天,民用航空飞机,疲劳引起的破坏,桥梁结构,二,古代建筑结构,2200年以前建造的都江堰安澜索桥,1-1、工程应用,垮塌后的彩虹桥,简单力学问题大部队过桥时不能齐步走,高力学问题等冲击载荷的概念：人跑步时脚上的力量有多大？损伤累积与结构寿命与跑步的次数有关,人跑步时脚上的力量有多大？,我国的长征火箭家族,长征三号乙运载火箭发射成功,载人飞船(MannedSpacecraft),交会（Rendezvous),对接（Docking),和平号空间站,高速列车,我国的长征火箭家族,长征三号乙运载火箭发射成功,载人飞船(MannedSpacecraft),交会（Rendezvous),对接（Docking),和平号空间站,高速列车,建于辽代（1056年）的山西应县佛宫寺释迦塔,塔高9层共67.31米，用木材7400吨,900多年来历经数次地震不倒，现存唯一木塔,海洋石油钻井平台,核电站的热核反应堆,计算机硬盘驱动器,给定不变的角加速度，从启动到正常运行所需的时间以及所需经历的转数。已知转台的质量及其分布，当驱动器到达正常运行所需角速度时，驱动马达的功率如何确定?,爆破时烟囱怎样倒塌,另外力学在生物工程中的应用：,仿生学,植牙、假肢,另外力学在化工工程中的应用：,化工机械,流体力学,身边的力学：,打乒乓球时为什么能打出旋球？,划船时为什么必须两边同时用力？,不倒翁为什么不倒？,洗脸盆的水为什么逆时针流下去？,引例,三、研究方法,在力学中主要采用的方法：抽象化；数学的演绎推理。,实践（实验）,综合、归纳、抽象化,建立基本概念及公理,数学的演绎、推理,结论和定理,形成理论体系,返回实践检验,抽象化：,将实际问题变成一个能在现有条件下可以分析的问题建立理想化的力学模型,如：,（1）研究其上下运动时可视为一质点；,（2）研究其水平面内转动时需视为圆盘。,四、学习工程力学的目的,为解决工程实际问题打下一定的基础。,有助于培养正确的分析问题和解决问题的能力，为今后解决生产实际问题，从事科学研究工作打下基础。,为学好后续力学课程做好准备。,第一篇静力学,物体的受力分析,力系的等效替换（或简化）,建立各种力系的平衡条件,静力学基本概念,静力学公理,约束和约束反力,结论与讨论,物体的受力分析和受力图,第1章静力学基本概念和物体的受力分析,1-1静力学基本概念,一.刚体的概念,刚体是抽象化的力学模型,理论力学研究的物体都是刚体,刚体力学,静力学刚体静力学,在力的作用下，其内部任意两点之间的距离始终保持不变。,刚体与变形体模型,刚体,变形体,F,F,实际物体能否简化为刚体，主要取决于所研究问题的性质。,变形体,刚体,1-1静力学基本概念,二.平衡的概念,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。,平衡是物体运动的一种特殊形式。,我们常把固结在地球上的参考系视为惯性参考系，这样比如桥梁、机床的床身、作匀速直线飞行的飞机等等，均可看作处于平衡状态。,1-1静力学基本概念,三.力的概念,力是物体间相互的机械作用，这种作用使物体的机械运动状态发生变化。,作用效应：,（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）,作用方式：,（1）直接接触作用；,（2）间接作用，如磁场、电场、重力场等。,力的三要素及其表示：,（定位矢量或固定矢量）,力的单位,N（牛顿）、kN（千牛）,1-1静力学基本概念,力的分类,按作用力分布的面积:,集中力:力的作用集中于一点；,分布力:物体间的作用力分布在一定的面积或体积上。,集中力,分布力,1-1静力学基本概念,1.力系的分类,按力系中各力在空间的位置分为：,平面力系力系中各力的作用线都在同一个平面内；空间力系力系中各力的作用线在空间分布的力系。,平面力系,汇交力系：各力的作用线均汇交于一点；平行力系：各力的作用线互相平行；任意力系：既不完全汇交一点，也不完全互相平行。,空间力系,汇交力系；平行力系；任意力系或一般力系。,作用在物体上的一群力力系,力系及其相关概念,等效力系：对物体的作用效果相同的两个力系,平衡力系：能使刚体维持平衡的力系,合力：能和一个力系等效的一个力,分力：一个力等效于一个力系，则力系中的各个力称为这个力（合力）的分力,作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的充要条件是：这两个力的大小相等，方向相反，且在同一直线上。,公理1二力平衡条件,1-2静力学公理,注意：,（1）对于刚体，这个条件是必要与充分的；但对于变形体，这个条件是必要的但不充分。,例如：,（2）不要将二力平衡条件与力的作用和反作用性质相混淆。,在刚体上施加或除去任意平衡力系，都不会影响原力系对刚体的效应。,公理2加减平衡力系公理,若作用在刚体上的力系可由另一力系代替而不改变它对刚体的效应，则称这两个力系为等效力系。,等效力系：,加减平衡力系原理：,（力系简化的基本方法）,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。,推理1力的可传性,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。,作用于刚体上的力滑动矢量,力的可传性对于变形体并不适用。,注意：,例如：,只能在“同一刚体”内才可以传,注意：,公理3力的平行四边形规则,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，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。,试将作用于A点的力依下述条件进行分解,（）沿AB、方向,（）已知力,（）一分力沿已知方位，另一分力要数值最小,三力的作用线必须汇交于一点.,推论2：三力平衡汇交定理,作用在刚体上同一平面内的三个互不平行的力平衡的必要条件是：,（逆定理不存在）,作用力和反作用力总是同时存在，两力的大小相等、方向相反、沿着同一直线，分别作用在两个相互作用的物体上。,（单个物体平衡问题过渡到物系平衡问题的桥梁）,公理4作用与反作用定律,变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变。,刚体的平衡条件是变形体平衡的必要条件，而非充分条件。,在刚体静力学的基础上，考虑变形体的变形协调条件和物理条件，可研究变形体力学问题。,（刚体静力学过渡到变形体静力学的桥梁）,公理5刚化原理,13约束和约束反力,一、约束自由体：在空间的运动位移不受任何限制的物体。例：气球、飞机、子弹等。非自由体：在空间的运动位移受到限制的物体。例：矿车、电机转子、吊车钢索上悬挂的重物等。,约束：限制某物体位移的其它物体称为该物体的约束,约束：阻碍非自由体运动的限制条件（几何约束、运动约束）,约束力:约束阻碍着物体的运动时，约束对物体的作用力称为约束力，简称反力。约束反力的特点：它是阻碍物体运动的力，它的作用点必然在约束和被约束物体的相互接触点，其方向总是与约束所阻碍的运动方向相反，大小是未知的。,1、约束反力产生的原因（物体受到约束时，物体与约束之间相互作用着力）,2、确定约束反力方向的原则约束反力的方向总是与约束所能阻止的运动方向相反。,几点说明：,上节内容回顾,基本概念：,刚体、力、平衡、自由体、非自由体,基本定理：,五个公理、两个推论,约束力：,大小、方向、作用点,1.柔索,二、工程中常见的约束,只能承受拉力,作用在接触点，方向沿着绳索背离物体,约束力特征:,光滑面约束,FN,2、光滑支承面约束：(支承物体的固定面，表面非常光滑，摩擦可以忽略不计。),约束反力作用在接触点处，方向沿接触面在接触处的公法线，并指向物体（压力）。,反力特征：,约束特征：,只限制物体沿公法线趋向于支承面方向的运动,方位：,沿接触处的共法线,指向：,指向物体（物体受压）,齿轮啮合力,讨论几种情况：,物体的尖端与光滑面接触：,约束反力沿约束表面的法线方向,物体的光滑表面与尖端约束接触：,约束反力沿物体表面的法线方向,物体的尖端与约束的尖槽接触：,约束反力的方向不定，用两个垂直分量表示,例：,固定铰链或铰支座,3.光滑圆柱形铰链约束,FR,铰,连接铰链或中间铰,圆柱形铰链约束符号及反力表示,（1）,（2）,中间铰链简图：,中间铰链反力：,固定铰链简图（铰链支座）：,向心轴承约束力,固定铰链反力：,(1)光滑圆柱铰链：亦为孔与轴的配合问题，与轴承一样，可用两个正交分力表示。,(2)其中有作用反作用关系,(3)一般不必分析销钉受力，当要分析时，必须把销钉单独取出。,4活动铰链支座（辊轴铰链支座）,组成：,约束特征：,只限制垂直于支承面方向的运动。,约束反力特征：,方位：,指向：,通过销钉中心，垂直于支承面,指向待定（常假定）,活动铰链支座约束符号及反力表示,活动铰链约束简化符号,辊轴约束反力表示,4.光滑球形铰链约束,限制物体在接触点处各个方向的移动，而不限制物体绕该点的转动。,方位和指向都不定，常假定三个正交分量Fx、Fy、Fz。,球形铰链符号及反力表示：,约束特征：,约束反力特征：,（3）止推轴承,约束力：比径向轴承多一个轴向的约束反力，亦有三个正交分力。,在两个力作用下处于平衡的构件称为二力构件。,二力构件：,受力特点:,作用于二力构件的两力必沿作用点的连线,5.双铰链刚杆连杆（链杆约束）,约束的特点：,只限制物体沿杆轴线方向的运动。,链杆二力杆,约束反力的特点：,小结：,（1）柔索：,（2）光滑支承面约束：,（3）光滑圆柱形铰链约束：,（4）光滑球形铰链约束：,（5）活动铰链约束：,（6）二力构件（链杆约束）,反力：沿柔性轴线，背离物体。,反力：沿支承面法线，指向物体。,反力：用两互相垂直的分力表示。,反力：垂直支承面，指向假定。,反力：沿链杆轴线，指向假定。,内容回顾:,1.约束和约束反力,2.约束反力的特点,限制某物体位移的其它物体称为该物体的约束,约束阻碍着物体的运动时，约束对物体的作用力称为约束反力，简称反力,它是阻碍物体运动的力，它的作用点必然在约束和被约束物体的相互接触点，其方向总是与约束所阻碍的运动方向相反，大小是未知的。,小结：,（1）柔索：,（2）光滑支承面约束：,（3）光滑圆柱形铰链约束：,（4）光滑球形铰链约束：,（5）活动铰链约束：,（6）二力构件（链杆约束）,反力：沿柔性轴线，背离物体。,反力：沿支承面法线，指向物体。,反力：用两互相垂直的分力表示。,反力：垂直支承面，指向假定。,反力：沿链杆轴线，指向假定。,（1）光滑面约束法向约束力,（2）柔索约束张力,（3）光滑铰链,球铰链空间三正交分力,止推轴承空间三正交分力,（4）活动铰链光滑面,小结:,1-4物体的受力分析和受力图,物体的受力分析,确定物体受了几个力，每个力的作用位置和力的作用方向。,主动力与被动力,受力图施力物体对研究对象的所有作用力的简图。,14物体的受力分析和受力图,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，代之以相应的约束力，则物体的平衡不受影响。受力分析：.取分离体：把需要研究的物体(称为受力物体)从周围的物体(称为施力物体)中分离出来，单独画出它的简图，这个步骤叫做取研究对象或取分离体。.画受力图：把施力物体对研究对象的作用力(包括主动力和约束反力)全部画出来。这种表示物体受力的简明图形，称为受力图。,受力图：受力物体（研究对象）+物体所受的全部力,画受力图的步骤和注意事项,（1）步骤,确定研究对象,画主动力,根据约束类型，正确地画上相应的约束反力,切不可单凭主观臆想推测或简单地根据主动力的方向去推想约束反力的方向,例：,梯子AB，重G，搁在水平地面和铅垂墙面上，D点用一水平绳与墙相联。试画出梯子AB的受力图。,解：,（1）取分离体；,（2）先画主动力；,（3）后画约束反力；,（4）校对是否错画、漏画。,按约束的类型（性质）分析反力,步骤：,受力分析示例(1),取隔离体,W,画受力图,受力分析示例(2),取隔离体,画受力图,受力分析示例(3),2.比较AB杆与BC杆的受力。,1.画出圆盘的受力图；,圆盘的受力图,C,二力杆(二力构件),三力平衡汇交,例,解：.取分离体,.主动力,.约束反力,例,解：取分离体,（）D为二力杆：,（）取AB梁研究,作出主动力,作出约束反力,例,解：取分离体先取右半拱,再取左半拱,三力汇交,二力构件,例（折梯）,解：1.取分离体：左、右折梯,2.取折梯整体,分析下列结构中各构件的受力;讨论哪些构件属于二力构件与三力汇交,例,.画物体受力图的基本步骤,.取隔离体,.分析主动力,.根据约束的性质分析约束反力,例3：,图示水平简支梁，试作出其受力图。,方法一：,方法二：,例2：,已知圆轮B重P，物块D重P1试作圆轮B的受力图。,（1）取分离体；,（2）先画主动力；,（3）再画约束反力。,例4：,图示水平梁AB用斜杆支撑，受力如图。试作出梁AB受力图。,二力杆,二力曲杆,二力曲杆,类似情形1：,类似情形2：,例5：,三铰拱结构。试分别作出右半拱、左半拱、整体的受力图。,几点注意：,（1）先作二力构件的反力：,（2）C点必须按作用力与反作用力画；,（3）内约束反力不画；,（4）固定铰链约束反力画法；,方法一：,（作用力与反作用力的表示，FC、）,右半拱,左半拱,整体,例题,物体的受力分析,在图示的平面系统中，匀质球A重G1，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G2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,解：,1.物块B的受力图。,例题,物体的受力分析,例题,2.球A的受力图。,例题,物体的受力分析,例题,3.滑轮C的受力图。,例题,例题,物体的受力分析,例题,例题,等腰三角形构架ABC的顶点A，B，C都用铰链连接，底边AC固定，而AB边的中点D作用有平行于固定边AC的力F，如图所示。不计各杆自重，试画出杆AB和BC的受力图。,物体的受力分析,例题,例题,解：,1.杆BC的受力图。,物体的受力分析,例题,2.杆AB的受力图。,解：,例题,物体的受力分析,用力F拉动碾子以轧平路面,重为G的碾子受到一石块的阻碍，如图所示。试画出碾子的受力图。,碾子的受力图为:,解：,屋架如图所示。A处为固定铰链支座，B处为活动支座搁在光滑的水平面上。已知屋架自重G，在屋架的AC边上承受了垂直于它的均匀分布的风力，单位长度上承受的力为q。试画出屋架的受力图。,屋架的受力图为：,解：,例题,例题,物体的受力分析,如图所示，水平梁AB用斜杠支撑，A，C，D三处均为光滑铰链连接。匀质梁重G1，其上放一重为G2的电动机。如不计杆CD的自重，试分别画出杆CD和梁AB（包括电机）的受力图。,1.斜杆CD的受力图。,解：,2.梁AB（包括电动机）的受力图。,如图所示，梯子的两部分AB和AC在A点铰接，又在D，E两点用水平绳连接。梯子放在光滑水平面上，若其自重不计，但在AB的中点处作用一铅直载荷F。试分别画出梯子的AB，AC部分以及整个系统的受力图。,1.梯子AB部分的受力图。,解：,2.梯子AC部分的受力图。,3.梯子整体的受力图。,例题7,例题,物体的受力分析,例：图示机构，试分析重物、滑轮、梁及杆的受力,注意:销钉要与两个构件的销钉孔有约束关系，为了便于分析，通常把销钉和其中一个构件看成一个物体。,例,例：图示机构，试分析滑块、杆及杆的受力,FB,例：指出下列受力图中的错误，并予以改正。,（1）,（2）,FB,（3）,（4）,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。,例题,例题,物体的受力分析,A,B,D,C,1.杆AB的受力图。,解：,例题,例题,2.杆BC的受力图。,物体的受力分析,A,B,D,C,例题,例题,3.滑轮B(不带销钉）的受力图。,4.滑轮B(带销钉）的受力图。,物体的受力分析,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=3kN，h=200mm，l=1500mm。试画出杆AB，活塞和连杆以及压块C的受力图。,例题,例题,物体的受力分析,解：,例题,例题,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。,物体的受力分析,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）画出杆AB，滑轮，钢绳和重物作为一个系统时的受力图。,1.杆BD（B处为没有销钉的孔）的受力图。,解：