工程力学第一章--静力学基础知识教程文件.ppt

第一章第一章 静力学基础知识静力学基础知识11力与静力学模型(mxng)12静力学公理13约束与约束反力14物体的受力分析和受力图*知识拓展第一页，共58页。v理解力、刚体理解力、刚体(gngt)和约束等概念。和约束等概念。v深刻理解静力学各公理的内涵。深刻理解静力学各公理的内涵。v了解各种常见典型约束的性质，会正确了解各种常见典型约束的性质，会正确表示各种典型约束的约束反力。表示各种典型约束的约束反力。v初步学会对物体进行受力分析的方法，初步学会对物体进行受力分析的方法，能正确画出研究对象的受力图。能正确画出研究对象的受力图。第一章第一章 静力学基础知识静力学基础知识第二页，共58页。一、力 1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第三页，共58页。1力的概念力的概念(ginin)当某一物体(wt)受到力的作用时，一定有另一物体(wt)对它施加这种作用。力是物体间相互力是物体间相互(xingh)的机械作用。的机械作用。1-11-1 力与力与静力学模型静力学模型第四页，共58页。2施力物体施力物体(wt)和受力物体和受力物体(wt)施力物体和受力物体是相对具体(jt)受力分析而言的。1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第五页，共58页。3力的效应力的效应(xioyng)外效应外效应(xioyng)指力使物体的运动状态指力使物体的运动状态发生改变的效应发生改变的效应(xioyng)。力的外效应力的外效应足球足球1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第六页，共58页。内效应内效应(xioyng)力使物体的形状发生变化的效应力使物体的形状发生变化的效应(xioyng)。力的内效应力的内效应弹簧形变弹簧形变1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第七页，共58页。4力的三要素力的三要素l 大小(dxio)l 方向l 作用点力的三要素力的三要素1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第八页，共58页。夹紧夹紧(ji jn)力作用点的选择力作用点的选择 夹紧力作用点的选择夹紧力作用点的选择1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第九页，共58页。刚体刚体对物体的合理对物体的合理(hl)抽象与简化抽象与简化集中力与分布力集中力与分布力对受力的合理对受力的合理(hl)抽象与抽象与简化简化约束约束对接触与连接方式的合理对接触与连接方式的合理(hl)抽象与抽象与简化简化1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)二、力学模型二、力学模型 模型模型对实际物体和实际问题对实际物体和实际问题(wnt)的合理抽象与简化的合理抽象与简化第十页，共58页。1对物体的合理(hl)抽象与简化刚体 刚体刚体在力的作用下形状和大小都保持在力的作用下形状和大小都保持(boch)不变的物体。不变的物体。简单(jindn)地说，刚体就是在讨论问题时可以忽略由于受力而引起的形状和体积改变的理想模型。1-11-1 力与静力学模型力与静力学模型第十一页，共58页。受力的木板可以(ky)抽象为刚体吗？刚体刚体1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第十二页，共58页。2对受力的合理对受力的合理(hl)抽象与简化抽象与简化集中力与分布集中力与分布力力 接触面面积很小，则可以(ky)将微小面积抽象为一个点，将受力合理抽象简化为集中力。接触面面积较大不能忽略时，则力在整个接触面上分布作用，将受力合理抽象(chuxing)与简化为分布力。1-11-1 力与静力学模型力与静力学模型第十三页，共58页。集中力 分布力 1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第十四页，共58页。3对接触与连接方式的合理抽象与简化对接触与连接方式的合理抽象与简化(jinhu)约束约束约束是构件之间的接触与连接方式(fngsh)的抽象与简化。1-1 力与静力学模型力与静力学模型(mxng)第十五页，共58页。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)一、作用与反作用公理（公理一）二、二力平衡(pnghng)公理（公理二）三、加减平衡(pnghng)力系公理（公理三）四、力的平行四边形公理（公理四）第十六页，共58页。一、作用一、作用(zuyng)与反作用与反作用(zuyng)公理公理（公理一）（公理一）两个物体间的作用力与反作用力总是同时存在、同时消失，且大小相等、方向(fngxing)相反，其作用线沿同一直线，分别作用在这两个物体上。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)作用与反作用力示意图 第十七页，共58页。一、作用一、作用(zuyng)与反作用与反作用(zuyng)公理（公公理（公理一）理一）l 作用力与反作用力永远是成对出现l 已知作用力就可以(ky)知道反作用力，两者总是同时存在，又同时消失作用力与反作用力作用力与反作用力1-2 静力学公理静力学公理(gngl)作用与反作用力示意图 第十八页，共58页。公理公理(gngl)一的应用一的应用 人在划船(hu chun)离岸时，常把浆向岸上撑。这就是利用了作用力与反作用力的原理。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)第十九页，共58页。二、二力平衡二、二力平衡(pnghng)公理（公理二）公理（公理二）作用于同一刚体(gngt)上的两个力，使刚体(gngt)平衡的必要且充分条件是，这两个力的大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)二力平衡公理示意图 第二十页，共58页。l 二力平衡条件只适用于刚体。l 二力等值、反向(fn xin)、共线是刚体平衡的必要与充分条件。l 对于变形体，二力平衡条件只是必要的而非充分条件。受等值、反向、共线(n xin)的两个压力作用的绳索不能保持平衡 1-2 静力学公理静力学公理(gngl)第二十一页，共58页。公理公理(gngl)二的应用二的应用 二力构件二力构件只有两个着力点而处于平衡的构件。只有两个着力点而处于平衡的构件。二力杆二力杆略去自重略去自重(zzhng)和伸长的二力杆状构和伸长的二力杆状构件。件。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)二力杆第二十二页，共58页。公理公理(gngl)一与公理一与公理(gngl)二的区别二的区别 公理(gngl)一描述的是两物体间的相互作用关系。公理(gngl)二描述的是作用在同一物体上二力的平衡条件。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)公理一与公理二的区别 第二十三页，共58页。巧拆锈死螺母巧拆锈死螺母(lum)1-2 静力学公理静力学公理(gngl)螺母(lum)受力分析 该方法的力学原理是：根据二力平衡公理，若在锈死螺母的相对面作用一对大小相等、方向相反的平衡力（F，F），螺栓与螺母将保持平衡，确保螺栓不会折断。第二十四页，共58页。三、加减三、加减(ji jin)平衡力系公理（公理三）平衡力系公理（公理三）在一个(y)刚体上加上或减去一个(y)平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用效果。加减平衡力系公理加减平衡力系公理1-2 静力学公理静力学公理(gngl)第二十五页，共58页。公理公理(gngl)三的应用三的应用 力的可传性原理作用于刚体的力可以(ky)沿其作用线滑移至刚体的任意点，不改变原力对该刚体的作用效应。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)公理三的应用 第二十六页，共58页。四、力的平行四边形公理四、力的平行四边形公理(gngl)（公理（公理(gngl)四）四）作用于物体上同一点的两个力，可以合成(hchng)为一个合力，合力也作用于该点上，其大小和方向可用以这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。力的平行四边形公理力的平行四边形公理1-2 静力学公理静力学公理(gngl)人力队伍与大象 第二十七页，共58页。力的三角形力的三角形将力矢将力矢F1、F2首尾相接（两个力的首尾相接（两个力的前后次序任意）后，再用线段将其封闭构成一个三角形。前后次序任意）后，再用线段将其封闭构成一个三角形。封闭边代表合力封闭边代表合力FR。这一力的合成方法。这一力的合成方法(fngf)称为力称为力的三角形法则。的三角形法则。FR=F1+F2 1-2 静力学公理静力学公理(gngl)力的三角形法则(fz)第二十八页，共58页。力的合成(hchng)与分解 力的合成与分解力的合成与分解1-2 静力学公理静力学公理(gngl)第二十九页，共58页。公理公理(gngl)四的应用四的应用 三力平衡汇交定理若作用于物体同一平面(pngmin)上的三个互不平行的力使物体平衡，则它们的作用线必汇交于一点。三力构件只受共面的三个力作用而平衡的物体。1-2 静力学公理静力学公理(gngl)第三十页，共58页。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力一、约束与约束反力二、几种(j zhn)常见的约束及其约束反力第三十一页，共58页。一、约束(yush)与约束(yush)反力1自由体和非自由体1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十二页，共58页。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十三页，共58页。约束约束对非自由对非自由(zyu)物体的限制物体的限制 当物体沿着约束所能限制的方向有运动趋势时，约当物体沿着约束所能限制的方向有运动趋势时，约束为了阻止物体的运动，必然对物体有力的作用，这种束为了阻止物体的运动，必然对物体有力的作用，这种力称为约束反力或反力。力称为约束反力或反力。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力2主动力与约束(yush)反力第三十四页，共58页。主动力主动力 约束反力约束反力 定 义 促使物体运动或有运动趋势的力，属于主动力，工程上常称为载荷 阻碍物体运动的力，随主动力的变化而改变，是一种被动力 特 征 大小与方向预先确定，可以改变运动状态 大小未知，取决于约束本身的性质，与主动力的值有关，可由平衡条件求出可由平衡条件求出。约束力的作用点在约束与被约束物体的接触处。约束力的方向与约束约束力的方向与约束所能限制的运动方向相反所能限制的运动方向相反 主动力与约束(yush)反力的区别1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十五页，共58页。二、几种常见二、几种常见(chn jin)的约束及其约束反力的约束及其约束反力1柔性体约束2光滑面约束3光滑圆柱(yunzh)铰链约束 （1）中间铰链约束 （2）固定铰链支座 （3）活动铰链支座几种常见的约束几种常见的约束1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十六页，共58页。1柔性体约束(yush)由柔软而不计自重的绳索、链条、传动带等所形成的约束(yush)特点：只能承受(chngshu)拉力，不能承受(chngshu)压力。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十七页，共58页。2光滑(gung hu)面约束 由光滑(gung hu)接触面所构成的约束 特点：物体可以沿光滑的支撑面自由滑动，也可向离开支撑面的方向运动，但不能沿接触面法线(f xin)并朝向支撑面方向运动。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十八页，共58页。3光滑圆柱铰链约束 (1)中间铰链约束 用销钉将两个具有(jyu)相同直径圆柱孔的物体连接起来，且不计销钉与销钉孔壁之间摩擦的约束光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链约束1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第三十九页，共58页。约束特点：只限制两物体在垂直于销钉轴线(zhu xin)的平面内沿任意方向的相对移动，而不能限制物体绕销钉轴线(zhu xin)的相对转动和沿其轴线(zhu xin)方向的相对移动。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力(1)中间铰链(jiolin)约束第四十页，共58页。（2）固定铰链支座 圆柱销连接(linji)的两构件中，有一个是固定构件 约束特点：能限制物体（构件）沿圆柱(yunzh)销半径方向的移动，但不限制其转动。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第四十一页，共58页。（3）活动铰链(jiolin)支座 铰链(jiolin)将桥梁、房屋等结构连接在有几个圆柱形滚子的活动支座上，支座在滚子上可作左右相对运动，两支座间距离可稍有变化 约束特点：在不计摩擦的情况下，能够限制(xinzh)被连接件沿着支撑面法线方向的上下运动。1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力第四十二页，共58页。固定与活动铰链支座(zh zu)约束铰链(jiolin)支座 铰链(jiolin)支座结构简图 1-31-3 约束与约束反力约束与约束反力第四十三页，共58页。巧夹球形工件巧夹球形工件(gngjin)1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力 钳工在球形工件上加工(ji gng)孔时，直接用平口钳很难夹紧。如右图所示，若在平口钳上放置两个螺母，将球形工件夹在两个螺母中间，可使球形工件夹得很牢固。巧夹球形工件巧夹球形工件 1平口钳 2螺母3球形工件 4钻头4 4第四十四页，共58页。巧夹球形工件巧夹球形工件(gngjin)1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力 其原因是：增加了螺母与钳口平面、螺母与球形工件之间的接触面，限制了球形工件的上下移动和绕钻头轴线的转动。因此，钻头钻孔时作用于球形工件的轴向力F与螺母的约束(yush)反力F1y与F2y平衡;两螺母的约束(yush)反力F1x与F2x平衡。如下图b所示；圆周的切削力矩M与螺母的摩擦力矩M平衡，如下图c所示。4第四十五页，共58页。巧夹球形工件巧夹球形工件(gngjin)1-3 约束约束(yush)与约束与约束(yush)反力反力 用平口钳夹球形工件很难夹紧，这是因为平面与球面(qimin)接触，接触面积小（理论上为点接触），要产生一定大小的约束反力F、F2和摩擦刀矩M，与轴向力F和切削力矩M平衡，需要很大的夹紧力，易损坏球形工件。若用螺母代替，将是环面接触，加大了接触面积，改变了约束条件。因此，只需较小的夹紧力，就可使球形工件夹得很牢固。4第四十六页，共58页。14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和受力图和受力图 分离体分离体为分析某一物体为分析某一物体(wt)的受力情况的受力情况而解除限制该物体而解除限制该物体(wt)运动的全部约束，将其从运动的全部约束，将其从相联系的周围物体相联系的周围物体(wt)中分离出来的物体中分离出来的物体(wt)。物体物体(wt)的受力图的受力图将物体将物体(wt)所受的所受的全部主动力与约束反力以力的矢量形式表示在分离全部主动力与约束反力以力的矢量形式表示在分离体上，这样得到的图形称为研究对象的受力图。体上，这样得到的图形称为研究对象的受力图。第四十七页，共58页。物体受力图的画法(hu f)与步骤：1确定(qudng)研究对象，取分离体2画主动力3画约束反力14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和受和受力图力图第四十八页，共58页。解题(ji t)前须知：（1）画受力图时，先画主动力，后在解除约束处画约束反力。必须清楚每个力的施力物是何物。本教材题目中没说明或原图中未画出重力的就是不计重力，凡没有提及摩擦时，接触面视为光滑。（2）要善于分析二力平衡物体的受力方向(fngxing)，并正确应用三力平衡汇交定理分析三力平衡刚体的受力特点。（3）一对作用力和反作用力要用同一字母，在其中一个力的字母上加上“”以示区别。作用力的方向(fngxing)确定了，反作用力的方向(fngxing)就不能随便假设，一定要符合作用与反作用公理。14 物体物体(wt)的受力分析和受的受力分析和受力图力图第四十九页，共58页。【例【例11】重量为】重量为G的梯子的梯子AB，放置在光滑的水平地面上，并靠在，放置在光滑的水平地面上，并靠在铅直墙上，在铅直墙上，在D点用一根水平绳索与墙相连点用一根水平绳索与墙相连(xin lin)。试画出梯子。试画出梯子的受力图。的受力图。解题过程解题过程14 物体物体(wt)的受力分析和的受力分析和受力图受力图第五十页，共58页。【例【例12】简支梁】简支梁AB，在跨中处受到集中力，在跨中处受到集中力F作用，作用，A端为固端为固定铰支座约束定铰支座约束(yush)，B端为活动铰支座约束端为活动铰支座约束(yush)。试画出。试画出梁的受力图（梁自重忽略不计）。梁的受力图（梁自重忽略不计）。解题过程解题过程14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和和受力图受力图第五十一页，共58页。l 如图所示的单缸内燃机，内部有一曲柄滑块机构，其力学模型图如图b所示；由气缸l、活塞2、连杆3和曲轴4相互联结组成，该机构可将连杆3上端的活塞2的往复直线运动转换(zhunhun)为与连杆下端所联结的曲轴的连续旋转运动。14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和受力图和受力图典型典型(dinxng)例题例题第五十二页，共58页。l曲柄滑块机构运动原理是：燃气推动气缸1内的活塞2作直线运动，带动连杆3作平面运动，使曲轴4作旋转(xunzhun)运动，从而该机构将直线运动转换为旋转(xunzhun)运动，实现了内燃机将燃气燃烧的热能转换成曲轴转动的机械能的功能。14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和受和受力图力图典型典型(dinxng)例题例题第五十三页，共58页。l根据单缸内燃机的结构和工作原理，分析并思考下列问题：l 1.分析曲柄滑块机构的约束情况l2.分析滑块受力情况并画受力图l3.分析连杆(lin n)AB的受力情况并画受力图l4.讨论作用与反作用定理上述受力分析中的实际应用14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和受力图和受力图典型典型(dinxng)例题例题第五十四页，共58页。l解：1.分析曲柄滑块机构的约束情况l 点O约束为：固定铰链支座(zh zu)l 点A约束为：中间铰链约束 l 点B 约束为：中间铰链约束 l 点C约束为：光滑接触面约束14 物体物体(wt)的受力分析和的受力分析和受力图受力图典型典型(dinxng)例题例题第五十五页，共58页。l2.分析(fnx)滑块C的受力情况l滑块 C 为三力构件，受以下三力作用：主动力 F 为气体的压力；约束力FAB为连杆的反作用力；约束力 FN 为汽缸壁的法向反力。由三力平衡汇交定理可知F、FAB、FN三力必汇交于 B 点。14 物体物体(wt)的受力分析和受的受力分析和受力图力图典型典型(dinxng)例题例题第五十六页，共58页。l3.分析滑块AB的受力情况l连杆(lin n)AB为二力构件，受以下二力作用：约束力 FBA为滑块的推力；约束力FAB为曲柄的反作用力;由二力平衡公理可知FBA与FAB等值、反向、共线。14 物体的受力分析物体的受力分析(fnx)和受力图和受力图典型典型(dinxng)例题例题第五十七页，共58页。l4通过作用与反作用公理，可以(ky)把曲柄滑块机构中相互作用的物体，如滑块与连杆的受力分析联系起来。从而可知，两物体上的作用力FAB与FAB大小相等、方向相反，沿同一条直线且分别作用于两个物体上。14 物体物体(wt)的受力分析和受的受力分析和受力图力图典型典型(dinxng)例题例题第五十八页，共58页。