工程力学第一章-绪论及受力分析

工程力学B1CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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）CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY教材《工程力学》单祖辉谢传锋编1、《工程力学（Ⅰ）》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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY成绩计算考试：70%平时：30%（出勤+作业）CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY①听课容易，做题难。②作业多，作图多。（45题/每次课）作业要求：①每周交一次，每人准备两个练习本；②作业中图必须用作图工具（尺、圆规等）；③作业记平时成绩。课程特点：CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY力学是一门怎样的学科？一方面：基础课程——研究自然界普遍存在的机械运动的规律。是自然科学的重要组成部分。另一方面：力学是许多应用科学的基础。航空航天、建筑交通、能源工程、机械工程材料科学、环境工程、生物医学等都需要力学。力学是工科大学生必须了解和掌握的一门学科。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY工程与工程力学CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY航空航天CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY民用航空飞机CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY疲劳引起的破坏CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY桥梁结构二CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGYCHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY垮塌后的彩虹桥CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY人跑步时脚上的力量有多大？脚上的力量假设人体重量为750N3000N3500N4500N6000N12500NCHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY我国的长征火箭家族长征三号乙运载火箭发射成功CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY载人飞船(MannedSpacecraft)交会（Rendezvous)对接（Docking)CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY和平号空间站CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY高速列车CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY我国的长征火箭家族长征三号乙运载火箭发射成功CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY载人飞船(MannedSpacecraft)交会（Rendezvous)对接（Docking)CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY和平号空间站CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY高速列车CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY海洋石油钻井平台CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY核电站的热核反应堆CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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?CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY爆破时烟囱怎样倒塌CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY另外力学在环境治理中的应用：大气污染与空气动力学上海苏州河污水治理（调水调沙试验）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？CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGYP2P1ABPbeal引例CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY四、力学发展简史1687年牛顿发表的《自然哲学的数学原理》；1900年普朗克的量子力学与1905年爱因斯坦相对论的提出。第一阶段：以积累资料为主要特征；第二阶段：经典力学；第三阶段：应用力学。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY三、力学发展简史①我国—墨翟（前468-382）学派著作《墨经》有重心、力的概念。“力，形之奋也”。古希腊亚里士多德（前384—322）“力是维持速度的原因”。阿基米德杠杆平衡等。地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之远也。（孙毅）,Mingdynasty“给我一个立足点，我就可以移动这个地球！”阿基米德CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY②牛顿力学的建立：在哥白尼(日心说)推翻了托勒玫的地心说，和在第谷布拉赫积累的天文观察资料基础上,开普勒发现了行星三定律——总结万有引力定律，牛顿总结了三定律，1687《自然哲学的数学原理》。三、力学发展简史③分析力学:（1788）拉格朗日力学建立(至此认为力学天衣无缝)近代力学：19世纪末20世纪初出现了经典力学无法解释的矛盾。1）高速（与c比）：相对论（爱因斯坦）；2）微观粒子：量子力学（薛定格）；3）纳米技术：0.1—100nm尺度起关键作用。(原子直径）CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY四、学习理论力学的目的●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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY※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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY§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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY刚体与变形体模型CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGYF’FF’F刚体CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY变形体F’FF’FCHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY力的三要素及其表示：力的作用线AF（1）力的大小，（2）力的方向，（3）力的作用点。力的三要素：（定位矢量或固定矢量）FF0可用一矢量表示FF=FF0力的单位N（牛顿）、kN（千牛）CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY§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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY集中力分布力§1-1静力学基本概念CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY1.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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY★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AB1F2F12FF§1-2静力学公理CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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。CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY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