理论力学基本概念

静力学基础静力学是研究物体平衡一般规律的科学。这里所研究的平衡是指物体在某一惯性参考系下处于静止状态。物体的静止状态是物体运动的特殊形式。根据牛顿定律可知，物体运动状态的变化取决于作用在物体上的力。那么在什么条件下物体可以保持平衡，是一个值得研究并有广泛应用背景的课题，这也是静力学的主要研究内容。本章包括物体的受力分析、力系的简化、刚体平衡的基本概念和基本理论。这些内容不仅是研究物体平衡条件的重要基础，也是研究动力学问题的基础知识。一、力学模型在实际问题中，力学的研究对象（物体）往往是十分复杂的，因此在研究问题时，需要抓住那些带有本质性的主要因素，而略去影响不大的次要因素，引入一些理想化的模型来代替实际的物体，这个理想化的模型就是力学模型。理论力学中的力学模型有质点、质点系、刚体和刚体系。质点：具有质量而其几何尺寸可忽略不计的物体。质点系：由若干个质点组成的系统。刚体：是一种特殊的质点系，该质点系中任意两点间的距离保持不变。刚体系：由若干个刚体组成的系统。对于同一个研究对象，由于研究问题的侧重点不同，其力学模型也会有所不同。例如：在研究太空飞行器的力学问题的过程中，当分析飞行器的运行轨道问题时，可以把飞行器用质点模型来代替；当研分析飞行器在空间轨道上的对接问题时，就必须考虑飞行器的几何尺寸和方位等因素，可以把飞行器用刚体模型来代替。当研究飞行器的姿态控制时，由于飞行器由多个部件组成，不仅要考虑它们的几何尺寸，还要考虑各部件间的相对运动，因此飞行器的力学模型就是质点系、刚体系或质点系与刚体系的组合体。二、基本定义力是物体间相互的机械作用，从物体的运动状态和物体的形状上看，力对物体的作用效应可分为下面两种。外效应：力使物体的运动状态发生改变。内效应：力使物体的形状发生变化（变形）。对于刚体来说，力的作用效应不涉及内效应。刚体上某个力的作用，可能使刚体的运动状态发生变化，也可能引起刚体上其它力的变化。例如一重为W的箱子放在粗糙的水平地面上（如图1-1a所示），人用力水平推箱子，当推力F为零时，箱子静止，只受重力W和地面支撑力的作用。当推力由小逐步增大时，箱子可能还保持静止状态，但地面作用在箱子上的力就不仅仅是支撑力，还要有摩擦力的作用（如图1-1b）。随着推力的逐步增大，箱子的运动状态就会发生变化，箱子可能平行移动，也可能绕A点转动，或既有移动又有转动。静力学就是要研究物体在若干个力作用下的平衡条件。为此，需要描述作用于物体上力的类型和有关物理量的定义等。力系：作用在物体上若干个力组成的集合，记为。力偶：一种特殊的力系，该力系只有两个力构成，其中(大小相等，方向相反)，且两个力的作用线不重合。有时力偶也用符号表示，如图1-2所示。BNANFF,BfAfFF,},,,{21nFFF}',{FF'FFM等效力系：若力系和力系对同一刚体产生相同的作用效果（运动、约束力等），称这两个力系是等效力系，记为。平衡力系：不产生任何作用效果的力系。例如一个刚体上没有力的作用并且在惯性系下处于静止，那么这个刚体将永远保持静止状态；若这个刚体在某个力系作用下仍然保持静止，这样的力系就是平衡力系。由于平衡力系作用的效果与没有任何力作用的效果相同，所以平衡力系也称为零力系。通常平衡力系表示成。合力：与一个力系等效的力称为该力系的合力。记为如力是力系的合力，则力称为的分力。将一个力系用其合力来代替的过程称为力的合成，将合力代换成几个分力的过程称为力的分解。矢量矩：设是一个矢量，是由参考点O到矢量始端的矢径（如图1-3a所示），矢量对O点的矩定义为：（1-1）由上式可以看出，矢量矩也是一个矢量。应用矢量矩的概念，如果把矢量置换成力的矢量，是由O点到力的作用点的矢径（如图1-3b所示），就可以得到力对O点之矩的定义。力对O点的矩：。设是作用在某一刚体上的力系，力系的主矢和对O点的主矩定义成：主矢：，主矩：一般情况，力系对不同点的主矩是不相同的，设和分别是力系对任意两点A、B的主矩，若用表示从B点到A点的矢径，根据主矢和主矩的定义，利用矢量运算可以推导出的下列关系：（1-2）当力系给定后，力系的主矢是一个不变量，称为第一不变量。力系对某一点的主矩随着取矩点的不同而变化，并有关系式（1-2），将该式两边点积力系的主矢可得由于A、B是任意两点，这说明力系对任意一点的主矩与力系主矢的点积是一个不变量，这个量称为第二不变量。},,,{21nFFF},,,{21mPPP},,,{21nFFF},,,{21mPPP}0{},,,{21nFFF},,,{}{21RnFFFFRF},,,{21nFFF),,1(niiFRFArAAArAMMO)(OAFrFrFMMO)(O},,,{21nFFFnii1FFRnii1FrMiOAMBMBArRBAABFrMMRFRARRBARARBFMFFrFMFM)(FF’dMMOO(a)(b)图1－3（a）(b)(c)图1-2力偶是一种特殊的力系（如图1-2所示），这个力系的主矢，由（1-2）式可知，力偶对任意点的主矩都是相同的。因此我们把力偶对任意一点的主矩称为力偶矩，力偶矩的矢量运算可根据力系对某点O的主矩定义得到：（1-3）三、静力学公理静力学公理是从实践中得到的，是静力学的基础。根据这些公理并利用数学工具可以推导出力系的平衡条件。公理一（二力平衡原理）刚体在二个力作用下平衡的充分必要条件是此二力大小相等，方向相反，作用线重合。该原理还可表示成。对于刚体，二力平衡原理总是成立的，但对于非刚体（变形体或某些刚体系）则不一定成立。例如图1-4a所示的系统，在A、B两点作用有等值、反向、共线的两个力，当这两个力的大小均为（其中为常值）时，此时系统是不平衡的，因为即使系统的初始状态是静止的，那么在这两个力的作用下，系统的运动状态会发生变化。如果把弹簧换为刚性连杆（图1-4b），则系统可视为一个刚体。在这两个力的作用下，系统的运动状态不会发生变化（若初始静止，在这个力系的作用下还将保持静止）。公理二（加减平衡力系原理）在作用于刚体上的任意力系中，加上或减去任何平衡力系，都不改变原力系对刚体的作用效应。该原理可表示成：若，则公理三（力的平行四边形合成法则）作用在物体上某一点的两个力可以用作用在该点的一个合力来代替，此合力的大小和方向可由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来确定。公理四（作用与反作用定律）任何两个物体间的相互作用力总是同时存在，并且等值、反向、共线，分别作用在两个物体上。公理四实际上就是牛顿第三定律，该定律与参考系的选取无关，也就是说，对于惯性参考系和非惯性参考系，公理四都是成立的。公理五（刚化原理）变形体在某一力系作用下处于平衡时，如将该变形体刚化为刚体，则平衡状态保持不变。图1-4a所示系统，如果在两个力作用下处于平衡，那么若使弹簧刚度系数，也就是将弹簧换成刚性杆（如图1-4b所示），系统仍然可以保持平衡。但反之不成立。公理五说明，刚体的平衡条件，只是变形体平衡的必要条件，而不是充分条件。上述5个公理中，有些对刚体是成立的，有些对物体是成立的，对物体成立的公理对刚体一定成立，反之则不然。四、约束与约束力工程中的一些物体可在空间自由运动，这些物体称为自由体，例如空中的飞机、卫星等。另一些物体其运动受到某些限制，这些物体称为非自由体，如跑道上的飞机、公路上的汽车、铁道上的火车等。约束：限制物体运动的条件。构成约束的物体称为约束体，约束体对物体的作用力称为约束力。那些大小和方向与约束无关的力称为主动力。工程中常见的约束有柔索类约束、光滑面约束、各种铰链约束、二力杆约束和固定端约束等。不同类型的约束，对物体运动的限制条件则不同，所产生的约束力的方向也有所不同，如绳索产生的约束力是沿着绳索的方向，且只能受拉力；二力构件产生的约束力的方向是沿二力构件上两个力的作用点的连线，既可以受拉力也可以受压力；除滑动铰链支座外，铰链的约束力的方向是不能确定的；固定端的约束力实际上是一个分布力（可简化成一个力和一个力偶）。掌握各种类型约束的特点，画出研究对象的受力图，是研究力学问题(包括静力学和动力学）的必要基础。值得注意的是，约束力（或力偶）是根据约束类型的特}',{FF0RFFrFrFrMBABAO'}0{},{21FFtFFsin0,0F}0{},,,{21mPPP},,,{21nFFF},,,,,,,{2121mnPPPFFFkFFFFABAB（a）(b)图1－4点画的，除绳索和光滑面约束外，仅根据约束类型的特点，无法确定约束力（或力偶）的具体方向，更不能确定其大小，只有利用平衡原理或平衡条件才能最终确定它们的大小和方向。五、静力学定理在此，我们把由静力学中的定义和公理（或定律）推出的一些结论称为定理。定理1作用在刚体上的力沿其作用线移动到任一点，不改变其作用效应。这个定理实际上是公理一和公理二的推论。对于物体，力的作用效应与力的三要素（大小、方向和作用点）有关。根据定理1可知，作用在刚体上的力，其三要素是力的大小、方向和作用线，力对刚体的作用效应则与这三个要素有关。对同一个刚体而言，力的三个要素不同，力的作用效应也就不同。力可以用矢量表示为,,其中为力在x、y、z轴上的投影，或表示力矢量的模，为力矢量与三个坐标轴的夹角。因此，力这个矢量的模可以表示其大小，矢量的方向可以用来表示力的方向（指向），但不能确定作用线的位置，还应该用另它一个量来确定力的作用线。力矢量和力对O点之矩是力对刚体作用效应的度量。给定了矢量，就能确定力的大小和指向，再给定刚体在空间的位置和取矩点O的位置后，根据矢量就可以确定力的作用线（无论力的作用点是作用线上的哪一点，力对O点的矩都是不变的，如图1-5所示）。定理2（合力矩定理）设作用在刚体上的力系存在合力，则有：定理3（力对点之矩与力对轴之矩的关系定理）力对某一轴的矩等于力对这一轴上任一点之矩在该轴上的投影。在数学上有这样的定理，即某一矢量对任意轴的矩等于该矢量对这一轴上任一点之矩在该轴上的投影。定理3只是这个定理在力学中的一个应用，同样在研究动量矩时，也会有类似的应用。定理4（力的平移定理）作用于刚体上任意一点的力可平移到刚体上其它任何一点，若不改变对刚体的作用效应，必须增加一个附加力偶，其力偶矩等于原力对新作用点的矩。定理5（力系等效定理）作用于刚体上的两个力系和等效的条件是：，该定理可根据牛顿定律和有关力系等效的定义推导出来。实际上该定理是力系等效的基本定理，定理1和定理4都可由该定理推导出来。由定理5还可以推导出力偶的等效条件，由于力偶是一个特殊的力系，它的主矢恒等于零，而且对任意一点的主矩也相同，因此可由定理5推出力偶等效的条件。定理6（力偶等效条件）作用于刚体上的两个力偶等效的条件是它们的力偶矩相等。FkjiFzyxFFF222zyxFFFFFFFxcosFFycosFFzcoszyxFFF,,FF,,F)(FMOF)(FMO},,,{21nFFFRFniiOO1R)()(FMFM},,,{21nFFF},,,{21mPPPmjnii11iPF)()(11mjjOniiPMFMOOrFd图1－5由这个定理可以得到力偶的下列性质。力偶的性质：性质一力偶不能与一个力等效（即力偶无合力），因此也不能与一个力平衡。性质二力偶可在其作用面内转动，或平移到另一平行面上，而不改变对刚体的作用效应(如图1-6a、b所示)。性质三若改变力偶中的力和力偶臂的大小，而不改变力偶的转向和力偶矩的大小，则力偶对刚体的作用效应不会改变（如图1-6c所示，其中）。定理7（三力平衡定理）作用于刚体上的三个力若平衡，则这三个力的作用线必共面，或是平行，或是相交于一点。由该定理可推出这样的结论：作用于刚体上共面的三个力若平衡，如果它们不平行，则必汇交于一点。六、力系的简化作用在刚体上力系向某一点A简化实际上是确定一个与原力系等效的简化力系，这个简