第一章(哈工大理论力学)

绪论航空航天技术材料力学信息制造Aerospace新能源研究物体的受力分析、力系的等效替换（或简化）、建立各种力系的平衡条件的科学．静力学只从几何的角度来研究物体的运动（如轨迹、速度、加速度等），而不研究引起物体运动的物理原因。运动学研究受力物体的运动和作用力之间的关系。动力学静力学引言静力学：研究物体的受力分析、力系的等效替换（或简化）、建立各种力系的平衡条件的科学．1、物体的受力分析：分析物体（包括物体系）受哪些力，每个力的作用位置和方向，并画出物体的受力图．2、力系的等效替换（或简化）：用一个简单力系等效代替一个复杂力系．3、建立各种力系的平衡条件：建立各种力系的平衡条件，并应用这些条件解决静力学实际问题．力：物体间相互的机械作用，作用效果使物体的机械运动状态发生改变．力系：一群力.平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或作匀速直线运动．几个基本概念刚体：在力的作用下，其内部任意两点间的距离始终保持不变的物体.力的三要素：大小、方向、作用点平面汇交（共点）力系平面平行力系平面力偶系平面任意力系空间汇交（共点）力系空间平行力系空间力偶系空间任意力系力是矢量．第一章静力学公理和物体的受力分析§1-1静力学公理公理1力的平行四边形法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。合力(合力的大小与方向)(矢量和)21RFFF亦可用力三角形求得合力矢公理2二力平衡条件使刚体平衡的充分必要条件21FF最简单力系的平衡条件作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力的大小相等，方向相反，且作用在同一直线上。公理3加减平衡力系原理推理1力的可传性作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为大小、方向和作用线．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。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。推理2三力平衡汇交定理作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则此三力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。公理4作用和反作用定律作用力和反作用力总是同时存在，同时消失，等值、反向、共线，作用在相互作用的两个物体上．在画物体受力图时要注意此公理的应用．公理5刚化原理柔性体（受拉力平衡）刚化为刚体（仍平衡）反之不一定成立．刚体（受压平衡）柔性体（受压不能平衡）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，其平衡状态保持不变.约束：对非自由体的位移起限制作用的物体.约束力：约束对非自由体的作用力．约束力大小——待定方向——与该约束所能阻碍的位移方向相反作用点——接触处§1-2约束和约束力工程中常见的约束1.具有光滑接触面（线、点）的约束（光滑接触约束）光滑接触面约束光滑支承接触对非自由体的约束力，作用在接触处；方向沿接触处的公法线并指向受力物体，故称为法向约束力，用表示．NF2.由柔软的绳索、胶带或链条等构成的约束柔索只能受拉力，又称张力.用表示．TF柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体．胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向，为拉力．3.光滑铰链约束（径向轴承、圆柱铰链、固定铰链支座等）（1）径向轴承（向心轴承）约束特点：轴在轴承孔内，轴为非自由体、轴承孔为约束．约束力：当不计摩擦时，轴与孔在接触处为光滑接触约束——法向约束力．约束力作用在接触处，沿径向指向轴心．当外界载荷不同时，接触点会变，则约束力的大小与方向均有改变．可用二个通过轴心的正交分力表示．yxFF,（2）光滑圆柱铰链约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成，如剪刀．光滑圆柱铰链约束约束力：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．其中有作用反作用关系一般不必分析销钉受力，当要分析时，必须把销钉单独取出．yCyCxCxCFFFF,（3）固定铰链支座约束特点：由上面构件1或2之一与地面或机架固定而成．约束力：与圆柱铰链相同以上三种约束（径向轴承、光滑圆柱铰链、固定铰链支座）其约束特性相同，均为轴与孔的配合问题，都可称作光滑圆柱铰链．4.其它类型约束（1）滚动支座约束特点：在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑辊轴而成．约束力：构件受到垂直于光滑面的约束力．(2)球铰链约束特点：通过球与球壳将构件连接，构件可以绕球心任意转动，但构件与球心不能有任何移动．约束力：当忽略摩擦时，球与球座亦是光滑约束问题．约束力通过接触点,并指向球心,是一个不能预先确定的空间力.可用三个正交分力表示．（3）止推轴承约束特点：止推轴承比径向轴承多一个轴向的位移限制．约束力：比径向轴承多一个轴向的约束力，亦有三个正交分力．AzAyAxFFF,,球铰链——空间三正交分力止推轴承——空间三正交分力（2）柔索约束——张力TF（4）滚动支座——⊥光滑面NF（3）光滑铰链——,AyAxFF（1）光滑面约束——法向约束力NF总结§1-3物体的受力分析和受力图力学模型与力学简图在受力图上应画出所有力，主动力和约束力（被动力）画受力图步骤：3.按约束性质画出所有约束（被动）力1.取所要研究物体为研究对象（分离体），画出其简图2.画出所有主动力物体的受力分析和受力图例1-1画出简图画出主动力画出约束力碾子重为，拉力为，、处光滑接触，画出碾子的受力图．FABP解：例1-2取屋架画出主动力画出约束力画出简图屋架受均布风力（N/m），屋架重为，画出屋架的受力图．qP解：例1-3取杆，其为二力构件，简称二力杆，其受力图如图(b)CD水平均质梁重为，电动机重为，不计杆的自重，画出杆和梁的受力图。2PABCDCDAB1P解：取梁，其受力图如图(c)AB若这样画，梁的受力图又如何改动?AB杆的受力图能否画为图（d）所示？CD例1-4不计三铰拱桥的自重与摩擦，画出左、右拱的受力图与系统整体受力图．CBAB,右拱为二力构件，其受力图如图（b）所示CB解：系统整体受力图如图（d）所示取左拱,其受力图如图（c）所示AC考虑到左拱三个力作用下平衡，也可按三力平衡汇交定理画出左拱的受力图，如图（e）所示ACAC此时整体受力图如图（f）所示讨论：若左、右两拱都考虑自重，如何画出各受力图？如图（g）（h）（i）例1-5不计自重的梯子放在光滑水平地面上，画出梯子、梯子左右两部分与整个系统受力图．绳子受力图如图（b）所示解：梯子左边部分受力图如图（c）所示梯子右边部分受力图如图（d）所示整体受力图如图（e）所示提问：左右两部分梯子在处，绳子对左右两部分梯子均有力作用，为什么在整体受力图没有画出？A力学模型与力学简图对任何实际问题进行力学分析、计算时，都要将实际问题抽象成为力学模型，任何力学计算实际都是针对力学模型进行的。例如对桥梁进行力学计算，实际上是指对这桥梁的力学模型进行了计算。显然，将实际问题化为力学模型是进行力学计算所必须的重要而关键的一环，这一环进行的好坏，将直接影响计算过程和计算结果。将实际问题化为力学模型的过程称为力学建模。由于理论力学中将物体视为刚体，因此其力学模型可以用简图来表达，这类简图称为力学简图。在建立力学模型时，要抓住关键、本质的方面，忽略次要的方面。例如：忽略变形刚体三维问题平面问题几何形状圆形作用在圆心重力和力的简化PFA，B处约束力的简化点接触光滑接触力学模型理论力学中力学模型常遇到的几个方面材料假设为均匀；将物体视为刚体；几何形状简化为圆柱、圆盘、板、杆及由它们组成的简单形状；受力简化为集中力、分布力；接触简化为光滑铰链、光滑接触、柔索等。