理论力学@1静力学基础

1第1章静力学基础1.1主要内容静力学研究作用在物体上力系的平衡。具体研究以下三个问题。1.物体的受力分析：2.力系的等效替换：3.力系的平衡条件及其作用。1.1.1力与力的投影力是物体间相互的机械作用，这种作用使物体运动状态发生变化或使物体产生变形。前者称为力的运动效应，后者称为力的变形效应。力的作用效应由力的大小、方向和作用点决定，称为力的三要素。力是定位矢量。作用在刚体上的力可沿作用线移动，是滑动矢量。刚体是在力作用下不变形的物体，它是实际物体的抽象化模型。在静力学中把物体看成刚体，从而简化了平衡问题的研究。等效若两力系对物体的作用效应相同，称两力系等效。静力学基本公理是力学的最基本、最普遍的客观规律。概括了力的基本性质，是建立静力学理论的基础。力的平行四边形法则给出了力系简化的一个基本方法，是力的合成法则,也是一个力分解成两个力的分解法则。二力平衡公理是最简单的力系平衡条件。加减平衡力系公理是研究力系等效变换的主要依据。作用反作用定律概括了物体间相互作用的关系。刚化公理给出了变形体可看作刚体的条件。力在轴上的投影定义为力与该投影轴单位矢量的标量积，是代数量。力在直角坐标轴上的投影有一次（直接）投影法和二次（间接）投影法。应用力的投影概念，将力的合成由几何运算转换为代数运算。1.1.2力矩与力偶力对轴之矩是力使物体绕轴转动效果的度量,是代数量。可按定义或下述解析式计算。xyzzxyyzxyFxFMxFzFMzFyFM)()()(FFF式中x、y、z为力F作用点的坐标，Fx、Fy、Fz为力矢在轴上的投影。当力与轴相交或平行时，力对该轴之矩等于零。2力对点之矩是力使物体绕该点转动效果的度量，是定位矢量。用矢积式表示FrFM)(OzyxFFFzyxkjikji)()()(xyzxyzyFxFxFzFzFyF平面问题中力F对O点之矩记为hFMOF是代数量。力对点之矩在通过该点某轴上的投影等于力对该轴之矩。有)()]([)()]([)()]([FFMFFMFFMOOOzzyyxxMMM或kFjFiFFM)()()()(zyxOMMM合力矩定理力系的合力对任一点之矩等于力系中各力对该点之矩的矢量和，即)()(FMFMORO合力对任一轴（例如z轴）之矩等于力系中各力对该轴之矩的代数和，即)()()(RxyzzyFxFMMFF在平面问题中，力对点O之矩是代数量。hFMO)(F力臂h是指矩心到力作用线的距离，取逆时针转向为正，反之为负。平面汇交力系的合力对平面内任一点之矩等于各分力对该点之矩的代数和，即FFOOMMR力偶与力偶矩大小相等，方向相反，作用线平行的两个力F和F´组成力偶，力偶是一特殊力系。力偶无合力，也不能与一个力平衡。力偶对物体只产生转动效应。力偶矩矢力偶矩大小，力偶作用面在空间的方位及力偶的转向。称力偶三要素力偶矩矢是表示力偶三要素的自由矢量，它完全决定了力偶对物体的作用。力偶三要素可由力偶矩矢表出。力偶矩矢是一个自由矢量。力偶矩矢完全决定了力偶对刚体的作用效果。3若两力偶的力偶矩矢相等，则两力偶等效。力偶对任意点之矩等于力偶矩，与矩心位置无关。力偶的等效性表明，只要力偶矩不变，可任意改变力的大小和力偶臂的长短，力偶也可在作用面内任意移转。平面力偶力偶矩是代数量。取逆时针转向为正，反之为负。1.1.3约束与约束力限制非自由体某些位移的周围物体，称为约束。约束作用在被约束物体上的力称为约束力或约束反力，物体所受的约束力必须根据约束性质进行分析，其方向与该约束所能限制的位移方向相反。工程中常见的几种简单的约束类型及其约束力特点如下：·光滑接触表面约束约束力作用在接触点处，方向沿接触面公法线并指向受力物体。·柔索约束（如绳索,链条或胶带等构成的约束）约束力沿柔索而背离物体。·铰链约束约束力在垂直销钉轴线的平面内，并通过销钉中心。约束力的方向不能预先确定，常以两个正交分量Fx和Fy表示。·滚动支座约束约束力垂直滚动平面，通过销钉中心。·球铰约束约束力通过球心，但方向不能预先确定，常用三个正交分量Fx、Fy、Fz表示。·止推轴承约束约束力有三个分量Fx、Fy、Fz。1.1.4物体的受力分析和受力图将所研究的物体或物体系统从与其联系的物体中分离出来，分析它的受力状态，这一过程称为物体的受力分析。它包括两个步骤：（1）选择研究对象，取分离体待分析的某个物体或物体系统称为研究对象。一旦明确了研究对象，需要解除它受到的全部约束，将其从周围的约束中分离出来，并画出相应的简图，称为分离体；（2）画受力图在分离体图上，画出研究对象所受的所有力，并标明各力的符号及各位置符号，这一受力简图称为受力图。1.2基本要求1．正确理解力、力偶、力矩、力偶矩、简化、平衡等概念，全面掌握力及力偶的性质。2．会根据所给条件，选择恰当的方法计算力在坐标轴上的投影，计算力对点之矩和力对轴之矩，计算力偶矩。3．掌握典型约束的约束性质及各种约束所提供的约束力的特性、描述方法。4．对简单的物体系统，能熟练地选择研究对象，取分离体并画出受力图。41.3重点讨论不同类型的约束，其约束反力未知分量的数目是不同的；当刚体受空间力系作用时，其约束反力的未知分量数目最多为6个。确定各类约束的未知量数目的基本方法是∶观察物体在空间的六种可能的运动中，判断哪几种运动被约束所阻碍，如移动受到阻碍，就产生约束反力；如转动受到阻碍，就产生约束反力偶。例如枢轴承约束，它比颈轴承多了一个沿轴线方向的移动阻碍，因此约束反力用三个大小未知的分量Fx、Fy、Fz。又如空间插入端约束，它能阻碍物体在空间的六种可能的运动，因此有三个约束反力和三个约束反力偶。受力分析是整个理论力学的基础，为了能够正确地画出研究对象的受力图，画受力图时，应注意以下几点：1．先逐一画出它所受的主动力，再逐一画出所受的约束力；2．一定要按照上节所讲的约束类型去画各约束力的作用线和指向，一般不要按照主动力去判断约束力的真实作用线与指向；3．在物系问题中，若需要画几个受力图，各分离体之间的相关作用力必须满足作用与反作用定律的关系；4．一个受力图中所画之力均为其所受的外力，因其内力总是成对出现，故不要在该受力图中画出；5．如果分离体与二力杆相连，一定要按二力杆的特点去画它对分离体的作用力。一般情况下，二力杆的两端为铰链，在去掉铰链约束之处，此作用力宜画成沿此二力杆两铰链连线的方向；6．切忌在一个结构图中画多个受力图。1.4例题分析例1-1在图1-1中，长方体三边长分别为a=b=3m，c=2m。长方体上作用三个力F1=100N，F2=200N，F3=300N，方向如图。求各力在三个坐标轴上的投影。解：F1、F2两力与坐标轴正向夹角比较明显，可用直接投影法求其投影。F3力宜用二次投影法求其在坐标轴上的投影。力F1沿z轴的负向，它在各坐标轴上的投影：100,0,01111FFFFzyx力F2与x轴负向夹角为60，与y轴的负向夹角为30，它在各坐标轴上的投影：图1-150310030cosN10060cos22222zyxFFFFF力F3与xy平面的夹角为30°，Fxy与x、y轴的负向夹角均为45°，它在各坐标轴上的投影：N15030sin67545cos30cos67545sin30cos333333FFFFFFxxx例1-2已知作用在A点的力F的大小为200N，其方向如图1-2所示。试计算该力对x、y、z轴之矩。解：力F在坐标轴上的投影为60sin45cosFFx2322200N5.12260cos45cosFFy2122200N7.7045sinFFz22200N4.141力F作用点A的坐标为cm20cm14410cm15zyx得力F对坐标轴x、y、z之矩分别为cmN6555.122147.7015cmN3294.141155.12220cmN5667.70204.14114xyzzxyyzxyFxFMxFzFMzFyFMFFFF6图1-2例1-3手柄ABCE在平面Axy内，在D处作用一个力F，如图1-3所示，它在垂直于y轴的平面内，偏离铅直线的角度为。如aCD，杆BC平行于x轴，杆CE平行于y轴，AB和BC的长度都等于l。试求力F对x、y和z轴之矩。解：将力F沿坐标轴分解为xF和zF两个分力，其中sinFFx，cosFFz。注意到力与轴平行或相交时对该轴之矩为零,由合力矩定理,有)()()(CDABFMMzxxzFFcos)(lFcos)()(FlBCFMMzyyzFF)()()(CDABFMMxzzxFFsin)(lF下面再用力对轴之矩的解析式计算。力F在x、y、z轴上的投影为cos,0,sinFFFFFzyx力作用点D的坐标为0,,zalylx，得cos)(0)cos)(()(alFFalzFyFMyzxFcos)cos)((0)(FlFlxFzFMzxyFsin)()sin)((0)(alFFalyFxFMxyzF两种计算方法结果相同。无论是研究静力学问题还是研究动力学问题，一般都需要分析物体受到哪些力作用，即对物体进行受力分析。工程上所碰到的物体几乎都是非自由体，它们同周围的物体相互连接。将所研究的物体或物体系统从与其联系的物体中分离出来，分析它的受力状态，这一过程称为物体的受力分析。它包括两个步骤。1.选择研究对象，取分离体根据实际情况，选取某个物体或物体系统进行分析研究，这就是选择研究对象。一旦明确了研究对象，需要解除它受到的全部约束，将其从周围的约束中分离出来，并画出相应的简图，这一过程称为取分离体。2.画受力图在分离体图上，先画上所有的主动力，为了保证分离体能处于分离前的状态，还必须依图1-37据所去掉的约束的特征，逐个画上相应的约束力，然后标明各力的符号，这个简图称为受力图。受力分析是力学的基础，为了能够正确地画出研究对象的受力图，画受力图时，应注意以下几点：（1）明确研究对象，画出它所受的主动力；（2）按照上节所讲的约束类型去画各约束力的作用线和指向；（3）在物系问题中，宜先画整体的受力图，再画各分离体的受力图，当分析两分离体之间相互作用力时，应符合作用与反作用关系；作用力方向一经假定，则反作用力方向与之相反。画整体的受力图时，由于内力成对出现，因此不必画出，只需画出全部外力。（4）如果分离体与二力杆相连，要按二力杆的特点去画它对分离体的作用力。一般情况下，二力杆的两端为铰链，在去掉铰链约束之处，此作用力宜画成沿此二力杆两铰链连线的方向。（5）滑轮一般不单独折出单画力图，而与某个构件连在一起。（6）当一个销钉上与三个或三个以上的物体连接时，各物体相互之间没有关系，都只与销钉之间有作用反作用关系。例1-4用力F拉动碾子以压平路面，碾子受到了一石块的阻碍，如图1-4(a)所示。试画出碾子的受力图。解：（1）取碾子为研究对象，并单独画出其简图。（2）画主动力。有重力FP和杆对碾子的中心的拉力F。（3）画约束力。因碾子在A和B两处受到石块和地面的约束，如不计摩擦，则均为光滑表面接触，故在A处受石块的法向反力FAN的作用，在B处受地面的法向力FBN的作用，它们都沿着碾子上接触点的公法线而指向圆心。碾子的受力图如图1-4(b)所示。例1-5简支梁AB两端分别固定在铰链支座与滚动支座上，如图1-5(a)所示。在C处作用一集中力F，梁的自重不计。试画出此梁的受力图。图1-4FP8解：取梁AB为研究对象，解除A、B支座的约束，画分离体简图，如图1-5(b)所示。先画主动力F，再画约束力。A处为铰链支座，约束力用二正交分力FAx、FAy表示；B处为滚动支座，约束力FB沿铅