汽车机械基础（第二版）课件：静力学基础

静力学基础◆理解力、平衡、刚体和约束等静力学基本概念。◆理解静力学各公理的内涵及其应用。◆掌握常见约束的结构、性质及相应约束反力的特征。◆能够正确分析物体的受力情况,画出单个物体和物体系统的受力图。如图6-1-1所示，翻斗处于静止状态，自卸载重汽车翻斗可绕铰链支座A转动，油缸推杆BE是二力构件，推杆BE受到油缸推力为2000N，翻斗重P=1000N，如何画出推杆BE和翻斗的受力图？

图6-1-1自卸载重汽车受力情况对自卸载重汽车进行受力分析画受力图，要掌握受力图、平衡、约束等有关基本知识。一、静力学基本概念1.力的概念力是物体间相互的机械作用。力不能脱离物体而存在，即施力物体和受力物体同时存在。力的作用效果是使物体的运动状态发生变化，称为力的外效应。而力使物体发生变形的效应称为力的内效应，工程上实际构件的变形都很微小，略去不计不但不会对研究结果产生显著影响，而且会使研究的问题大大简化。

力对物体的作用效果取决于力的三个要素：力的作用点、力的方向、力的大小。力的作用点表示力作用在物体上的部位。力的三要素任何一个要素的改变,都会使力的作用效果改变.把力的三要素用带箭头的有向线段表示出来叫力的图示。如图6-1-2所示，线段的长度（按一定比例画出）表示力的大小，箭头的指向表示力的方向，线段的起始点或终止点表示力的作用点。通过力的作用点，沿力的方向的直线，叫做力的作用线。如图6-1-2a所示，表示推力F沿水平方向向左，作用点在A点，大小为30N；图6-1-2b表示重力G竖直向下，作用点在物体的重心，大小为20N。本书用黑体字母表示矢量，记为F。图6-1-2力的图示2.平衡的概念一个物体所受的力往往有好几个，同时作用在同一物体上的许多力称为力系。当物体在力系的作用下，保持静止状态或做匀速直线运动称物体处于平衡状态。如图6-1-1所示推杆BE和翻斗保持静止不动，即视为平衡状态。如果没有特殊说明，平衡总是相对地球而言的。另外，平衡只是物体机械运动中的一种特殊情况，即物体受力后其运动状态不发生变化，是静力学研究的范畴。如果物体在力系作用下处于平衡状态，这种力系称为平衡力系(例如图6-1-3)，力系平衡的条件称为平衡条件。图6-1-3二力平衡在外力作用下形状和大小都保持不变的物体称为刚体。静力学中研究物体平衡时，都把它看作刚体，上述图6-1-1推杆BE和翻斗都是刚体。

3.约束的概念引起物体运动或使物体有运动趋势的力称为主动力。例如：重力、拉力等。主动力是促使物体运动的力，主动力一般是已知的。限制物体某些运动的条件称为约束，约束作用于被约束物体上的力称为约束反力。约束反力是被动力，被动力一般是未知的。例如图6-1-1所示中铰链A限制自卸载重汽车的翻斗转动，铰链A就是翻斗的约束，铰链A作用于翻斗上的力，即铰链A对翻斗的约束反力。约束反力属于被动力，大小一般是未知的。在静力学中，主动力和约束反力组成平衡力系，约束反力的大小可利用平衡条件来定量计算。常见的约束的类型及其约束反力如下：（1）光滑面约束两个相互接触的物体，不计摩擦，它们之间的约束称为光滑面约束。受此类约束的物体可在光滑的支承面上自由滑动，也可向离开支承面的方向运动。光滑面约束反作用力通过接触点，方向总是沿接触面公法线而指向受力物体。通常用符号N表示此类约束反力，如图6-1-4所示。图6-1-4光滑面约束（2）铰链约束两机构采用圆柱销所形成的连接称为铰链连接，而铰链所构成的约束称为铰链约束，如图6-1-5所示。常见的铰链约束有两种：图6-1-5铰链约束1)固定铰链约束：铰链支座固定不动，杆件受到固定铰链约束时，只能绕圆柱形销子转动。其约束反力必沿着接触面的公法线且通过销子中心，如图6-1-6所示。2)活动铰链约束：铰链支座可以活动的铰链约束称为活动铰链约束。杆件受到活动铰链约束，杆件做复杂的平面运动。活动铰链支座的约束反力的作用线必通过铰链中心，并垂直于支承面，如图6-1-7所示。图6-1-6固定铰链约束图6-1-7活动铰链约束（3）柔体约束由柔绳、链条、皮带等所组成的约束称为柔体约束。柔体约束只能承受拉力，不能承受压力。其约束反力作用于连接点方向沿着柔索而背离物体，通常用T或S表示这类约束反力。例如钢索吊起重物，如图6-1-8所示。图6-1-8柔体约束（4）固定端约束一端固定，另一端为自由的支座称为固定端约束。如建筑物上的阳台。固定端约束反力将在后面章节具体分析说明，如图6-1-9所示。图6-1-9固定端约束二、受力图的画法为了清楚地表示物体的受力情况，首先需要把所研究的物体从周围物体中分离出来，单独画出它的简图，这种从周围物体中隔离出来的物体称为分离体，画出分离体上所有作用力的图，称为物体的受力图。画受力图的主要步骤如下：（1）选取研究对象。根据题目要求确定研究对象，将研究对象从与它相联系的周围物体(约束)中分离出来，用最简明的轮廊单独画出。（2）受力分析。分析研究对象的受力情况，包括研究对象所受的主动力以及哪些物体(约束)对研究对象有力的作用。（3）画受力图。画出作用在研究对象上的全部已知力和约束反力。1.画推杆BE的受力图图6-1-10推杆BE的受力图

（1）选取研究对象选推杆BE为研究对象,画出它的简图。

（2）受力分析推杆BE受油缸对它的推力和翻斗对它的作用力,是一个二力构件并处于平衡状态。推杆受力情况要通过二力平衡公理确定。根据二力平衡公理,推杆BE在油缸E处受到的力FE,方向由E指向B;在B处受到翻斗的约束力FB,方向由B指向E。两个力大小相等,且都等于油缸对推杆的推力2000N,方向相反,作用在同一条直线上。

（3）画受力图画推杆BE受力图,如图6—1—10所示。相关定理二力平衡公理：刚体只受两个力作用而处于平衡状态时，这两个力的大小相等，方向相反,而且作用在同一条直线上。2.画翻斗的受力图图6-1-11翻斗的受力图（1）选取研究对象。选取翻斗为研究对象，画出它的简图。（2）受力分析。翻斗受到三个力的作用：翻斗自身重力P，作用于翻斗的重心，方向竖直向下，大小为翻斗的重量P即1000N；铰链B为外约束，对翻斗的约束反力RB；铰链A为外约束,对翻斗的约束反力RA。

1）确定B处的约束反力RB。铰链B存在着推杆BE和翻斗之间的作用力与反作用力。铰链B对翻斗的作用力要通过作用与反作用公理来确定。相关定理作用与反作用公理：两个物体间的作用力与反作用力总是成对出现，分别作用在两个物体上，且大小相等，方向相反，在同一条直线上。根据作用与反作用公理和推杆BE受力情况，已知推杆BE受到翻斗的作用力FB方向沿推杆方向，大小等于油缸对推杆的作用力即FE为2000N，所以推杆BE对翻斗的作用力RB方向与FB相反，大小与FB相等即为2000N，且与FB在同一条直线上。作用于翻斗上B点。2）确定A处的约束反力NA。铰链A处对翻斗的约束反力NA通过铰链A的中心，翻斗受到的P、RB、NA三个力作用处于平衡状态。所以铰链A对翻斗的作用力NA的方向可以通过三力平衡汇交定理来确定。相关定理三力平衡汇交定理：若作用于物体同一平面上的三个不平行的力构成平衡力系，则它们的作用线必汇交于一点。翻斗受到P、RB、NA三个力作用而处于平衡状态，这三个力在同一个平面内，所以NA的作用线必通过：P、RB两作用力的交点O和点A，如图6-1-11所示。翻斗受P、RB、NA三个力作用汇交于一点，可以用力的平行四边形法则进行合成。相关定理力的平行四边形法则：作用于物体上同一点的两个力，可以合成一个合力。合力也作用于该点，合力的大小和方向，用这两个力为邻边所构成的平行四边的对角线确定。翻斗受P、RB、NA三个交于一点的力的作用而处于平衡状态。所以P、RB、NA的合力为零。NA必定与P和RB的合力为一对平衡力。可以先对P=1000N与RB=2000N用平行四边形法则合成，NA必与P、RB的合力大小相等，方向相反，在同一条直线上。(3)画受力图。画翻斗受力图，如图6-1-11所示。三、画受力图的注意事项1.不要漏画力研究对象所受的全部力包括已知力、约束反力，都要一个不漏地画出来。画约束反力时，要解除约束，而用约束反力来代替它的作用。2.不要多画力力是物体间相互的机械作用。因此对于研究对象所受的每一个力，都要明确地指出它是哪个物体施加的，如果找不出施力物体，那么这个力就是多余的。

3.不要错画力的方向主动力的方向由已知条件确定，不能任意改变，约束反力的指向必须要严格地按照所受的约束类型来确定。4.不要画物体的内力要注意物体的内力随选取的研究对象的不同而有可能变化成外力。一、填空题1.力是

，其作用效果