lesson 1 力学基本概念

BasicConceptsinMechanics[mi’k用niks]第一课力学基本概念Thebranchofscientificanalysis[’n宏lsis]whichdealswithmotions,time,andforcesiscalledmechanicsandismadeupoftwoparts,staticsanddynamics.Staticsdealswiththeanalysisofstationarysystems,i.e.,thoseinwhichtimeisnotafactor,anddynamicsdealswithsystemswhichchangewithtime对运动、时间和作用力作出科学分析的分支称为力学。它由静力学和动力学两部分组成。静力学对静止系统进行分析，即在其中不考虑时间这个因素，动力学对随时间而变的系统进行分析。[扩展1]：静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。静力学在工程技术中有着广泛的应用。例如对房屋、桥梁的受力分析，有效载荷的分析计算等。[扩展2]：动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。对动力学的研究使人们掌握了物体的运动规律，并能够为人类进行更好的服务。例如，牛顿发现了万有引力定律，解释了开普勒定律，为近代星际航行，发射飞行器考察月球、火星、金星等等开辟了道路。Forcesaretransmittedintomachinemembersthroughmatingsurfaces,e.g.,fromageartoashaftorfromonegearthroughmeshingteethtoanthergear,fromaconnectingrod连杆throughabearingtoalever,fromaVbelttoapulley[‘puli]滑轮、皮带轮，orfromacam凸轮[k^m]toafollower从动件.力通过配合表面（啮合面）传到机器中的各构件上。例如，从齿轮传到轴或者从齿轮通过啮合的轮齿传到另一齿轮，从连杆通过轴承传到另一杆件，从三角皮带传到皮带轮，或者从凸轮传到从动件。[扩展3]:mate和mesh。mate[OR*・]〃.配偶，对手，助手；W.使配对，使一致，结伴；议成配偶，紧密配合，使啮合。mesh[OR夺]n.网孔，网丝，网眼，圈套，陷阱，[机]啮合订.以网捕捉，啮合，编织议落网，相啮合。Itisnecessarytoknowthemagnitudesoftheseforcesforavarietyofreasons.Thedistributionoftheforcesattheboundariesormatingsurfacesmustbereasonable,andtheirintensitiesmustbewithintheworkinglimitsofthematerialscomposingthesurfaces.Forexample,iftheforceoperatingonasleevebearingbecomestoohigh,itwillsqueezeouttheoilfilm薄膜andcausemetal—to—metalcontact,overheating,andrapidfailureofthebearing车由承.Iftheforcesbetweengearteetharetoolarge,theoilfilmmaybesqueezedoutfrombetweenthem.Thiscouldresultinflaking录。落andspalling碎裂ofthemetal,noise,roughmotion,andeventualfailure.Inthestudyofmechanicsweareprincipallyinterestedindeterminingthemagnitude，direction，andlocationoftheforces．由于很多原因，人们必须知道这些力的大小。这些力在边界或在配合表面（啮合面）的分布必须合理，它们的太小必须在构成配合表面（啮合面）的材料的工作极限以内。例如，如果作用在一个套筒轴承上的力太大，它就会将油膜挤出，造成金属与金属的直接接触产生过热和使轴承快速失效。如果齿轮相啮合的齿之间的力过大，就会将油膜从齿间挤压出来。这会造成金属的剥落和碎裂，噪音增大，运动不精确，直至报废。在力学研究中，我们主要关心力的大小、方向和作用点。

Someofthetermsusedinthisphase[feiz]ofourstudiesaredefinedbelow.我们将要用到的一些术语定义如下：ForceOurearliestideasconcerningforcesarosebecauseofourdesiretopushlift,orpullvariousobjects.Soforceistheactionofonebodyactingonanother.Ourintuitiveconceptofforceincludessuchideasasplaceofapplication,direction,andmagnitude,andthesearecalledthecharacteristicsofaforce.力关于力的最早概念是由于我们需要推、举或拉各种物体而产生的。因此，力是物体之间的相互作用。力的直观概念包括作用点、方向和大小。这些称为力的要素。MatterMatterisanymaterialorsubstance；ifitiscompletelyenclosed,itiscalledabody.物质物质是任何材料或实体，如果它是全封闭的，则称为物体。MassNewton[‘nju:tnijhfinedmassasthequantityofmatterofabodyasmeasuredbyitsvolumeanddensity.Thisisnotaverysatisfactorydefinitionbecausedensityisthemassofaunitvolume.WecanexcuseNewtonbysurmisingthatheperhapsdidnotmeanittobeadefinition.Nevertheless,herecognizedthefactthatallbodiespossesssomeinherentpropertythatisdifferentfromweight.Thus,amoonrockhasacertainconstantamountofsubstance,eventhoughitsmoonweightisdifferentfromitsearthweight.Thisconstantamountofsubstance,orquantityofmatter,iscalledthemassoftherock.质量牛顿将质量定义为用物体的体积和密度来量度的、物体所含物质的量。因为密度是单位体积的质量，所以这不是一个很令人满意的定义。我们估计当时牛顿大概没有意识到他在下定义，因而我们可以原谅他。不过，他认识到这样一个事实，一切物体都具有某种与重量不同的内在性质。尽管一块月球岩石在月亮上和地球上的重量不同，但它的物质含量是不变的。这不变的物质含量就称为岩石的质量。Inertia[ ]Inertialisthepropertyofmassthatcausesittoresistanyefforttochangeitsmotion.惯性惯性是质量所具有的抵抗任何外力改变其本身运动状态的性质。WeightWeightistheforceofgravityactinguponamass.Thefollowingquotationispertinent:重量重量是作用在质量上的重力。下列引文确切地论述了质量和重量的关系：ThegreatadvantageofSI(InternationalSystemofUnits)unitsisthatthereisone,andonlyoneunitforeachphysicalquotation—themeterforlength,thekilogramformass,theNewtonforforce,thesecondfortime,etc.Tobeconsistentwiththisuniquefeature,itfollowsthatagivenunitorwordshouldnotbeusedasanacceptedtechnicalnamefortwophysicalquantities.However,forgenerationstheterm“weight”hasbeenusedinbothtechnicalandnon-technicalfieldstomeaneithertheforceofgravityactingonabodyorthemassofabodyitself.国际标准单位制的最大优越性是，对每一个物理量有一个，而且只有一个单位一一如长度单位为米，质量单位为千克，力的单位为牛顿，时间单位为秒等。为了与这种单一性相一致，一个给定的单位或词不能作为两个物理量的技术名词。但是许多年以来，“重量”这个词在技术领域和非技术领域中都被用来既表示作用在一个物体上的重力，又表示物体本身的质量。[扩展4]:CGPM国际计量大会(GeneralConferenceofWeightsandMeasures)，法文简称CGPM(ConferenceGeneraledesPoidsetMesures)，在米制公约下，CGPM是最高的权力机构，每四年召开一次大会，由各会员国的政府派代表参加，听取国际计量委员会(CIPM)(InternationalCommissionofWeightsandMeasures)的工作报告，并讨论国际单位制(InternationalSystemofUnits,SI制)之改进及推展等事项，及审查会员国最新研究发展出来的量测标准。第一届国际计量大会召开于1889年。SI基本单位:1948年召开的第九届国际计量大会作出了决定，要求国际计量委员会创立一种简单而科学的、供所有米制公约组织成员国均能使用的实用单位制。1954年第十届国际计量大会决定采用米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、开尔文(K)和坎德拉(cd)作为基本单位，分别为：长度、质量、时间、电流强度、热力学、发光强度。1960年第十一届国际计量大会决定将以这六个单位为基本单位的实用计量单位制命名为“国际单位制”，并规定其符号为“SI”。以后1974年的第十四届国际计量大会又决定增加将物质的量的单位摩尔(mol)作为基本单位。因此，目前国际单位制共有七个基本单位。SI辅助单位：1980年国际计量委员会明确指出，在国际单位制中，平面角与立体角这两个量作为无量纲的导出量，因而弧度(rad)和球面角(sr)这两个辅助单位应作为无量纲的导出单位，它可以用在导出单位的关系式中。SI导出单位:是由SI基本单位按定义式导出的，其数量很多。其中，具有专门名称的SI导出单位总共有19个。有17个是以杰出科学家的名字命名的，如牛顿、焦耳等，以纪念他们在本学科领域里做出的贡献。［扩展5］：国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization)简称ISO，是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。许多人会注意到，“ISO”与国际标准化组织全称的缩写并不相同，为什么不是“IOS"呢？其实，“ISO”并不是其全称首字母的缩写，而是一个词，它来源于希腊语，意为“相等”，现在有一系列用它作前缀的词，诸如“isometric”(意为“尺寸相等”)“isonomy”(意为“法律平等”)。从“相等”到“标准”，内涵上的联系使“ISO”成为组织的名称。ParticleAparticleisabodywhosedimensionsaresosmallthattheymaybeneglected.质点当一个物体的尺寸特别小，可以忽略不计时，该物体可以被称为质点。RigidbodyAllbodiesareeitherelasticorplasticandwillbedeformedifacteduponbyforces.Whenthedeformationofsuchbodiesissmall,theyarefrequentlyassumedtoberigid,i.e.,incapableofdeformation,inordertosimplifytheanalysis.刚体所有的物体，不管是弹性体还是塑性体，在外力作用下都将发生变形。当物体的变形很小时，为了简化计算，通常假设这个物体是刚体，也就是认为它没有发生变形。DeformablebodyTherigid—bodyassumptioncannotbeusedwheninternalstressesandstrainsduetotheappliedforcesaretobeanalyzed.Thusweconsiderthebodytobecapableofdeforming.Suchanalysisisfrequentlycalledelastic—bodyanalysis，usingtheadditionalassumptionthatthebodyremainselasticwithintherangeoftheappliedforces.变形体在分析由于外力的作用所引起物体内部的应力和应变时，不能采用刚体假设。这时，我们认为物体能够变形。这样的分析通常被称为弹性体分析，这时所用的假设为：在作用力的范围内，物体是弹性的。Newton’sLaw Newton’sthreelawsare：牛顿定律牛顿三定律为：Law1Ifalltheforcesactingonaparticlearebalanced,theparticlewilleitherremainatrestorwillcontinuetomoveinastraightlineatauniformvelocity.第一定律如果作用在一个质点上的所有外力平衡，那么，这个质点保持原来的静止或者匀速直线运动状态不变。Law2Iftheforcesactingonaparticlearenotbalanced,theparticlewillexperienceanaccelerationproportionaltotheresultantforceandinthedirectionoftheresultantforce.第二定律如果作用在一个质点上的所有外力不平衡，那么，这个质点将产生一个