第1章静力学的基本概念PPT讲稿.ppt
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1、第1章静力学的基本概念第1页,共80页,编辑于2022年,星期一第一篇 工程静力学 力系(forces system)是指作用于物体上的若干个力所形成的集合。本篇主要研究三方面问题:物体的受力分析;力系的等效简化;力系的平衡条件及其应用。第2页,共80页,编辑于2022年,星期一第一篇 工程静力学 第1章 基本概念 与物体受力分析方法第3页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型静力学模型 物体的抽象与简化刚体物体的抽象与简化刚体 实际物体受力时,使物体的形状和尺寸改变,这种改变称为变形变形(deformation)。物体变形很小时,变形对物体的运动和平衡的影响甚微,因而在研究力的作用
2、效应时,可以忽略不计,这时的物体便可抽象为刚体刚体(rigid body)。如果变形体在某一力系作用下已处于平衡,则将此变形体如果变形体在某一力系作用下已处于平衡,则将此变形体刚化为刚体时,其平衡不变,这一论断刚化为刚体时,其平衡不变,这一论断称为刚化原理(rigidity principle)第4页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型 集中力和分布力 第5页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型 集中力和分布力集中力和分布力 物体受力一般是通过物体间接触进行的。接触处是具有一定尺寸的面积。因此无论是施力体还是受力体,其接触处所受的力都是作用在接触面积上的分布力分布力(d
3、istributed force)。在很多情形下,这种分布力比较复杂。例如,人之脚掌对地面的作用力以及脚掌上各点处受到的地面支撑力都是不均匀的。第6页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型静力学模型 集中力和分布力集中力和分布力 当分布力作用面积很小时,为了分析计算方便起见,可以将分布力简化为作用于一点的合力,称为集中力集中力(concentrated force)。例如,静止的汽车通过轮胎作用在桥面上的力,当轮胎与桥面接触面积较小时,即可视为集中力;而桥面施加在桥梁上的力则为分布力。F F1 1F F2 2第7页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型静力学模型 集中力和分
4、布力集中力和分布力 当分布力作用面积很小时,为了分析计算方便起见,可以将分布力简化为作用于一点的合力,称为集中力集中力(concentrated force)。例如,静止的汽车通过轮胎作用在桥面上的力,当轮胎与桥面接触面积较小时,即可视为集中力;而桥面施加在桥梁上的力则为分布力。q第8页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型 约 束 第9页,共80页,编辑于2022年,星期一 静力学模型静力学模型 约约 束束 工工程程中中的的机机器器和和结结构构都都是是由由若若干干零零件件和和构构件件通通过过相相互互接接触触和和相相互互连连接接而而成成。约约约约束束束束(constraintcons
5、traint)则则是是接接触触和和连连接接方方式式的的简简化化模模型。型。物物体体的的运运动动,如如果果没没有有受受到到其其他他物物体体的的直直接接制制约约,称称为为自自自自由体由体由体由体(free bodyfree body)。)。物物体体的的运运动动,如如果果受受到到其其他他物物体体直直接接制制约约,这这类类物物体体称称为为非自由体非自由体非自由体非自由体或或受受受受约束体约束体约束体约束体(constrained bodyconstrained body)。)。约约束束的的作作用用是是对对与与之之连连接接物物体体的的运运动动施施加加一一定定的的限限制制条条件件。地地面面限限制制车车辆辆
6、在在地地面面上上运运动动;桥桥墩墩限限制制桥桥梁梁的的运运动动,使使之之保保持固定的位置;轴承限制轴只能在轴承中转动等等。持固定的位置;轴承限制轴只能在轴承中转动等等。第10页,共80页,编辑于2022年,星期一第1章 基本概念与物体受力分析方法 力的基本概念返回返回返回总目录返回总目录第11页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 力与力系力与力系 力力(forceforce)是是物物体体间间的的相相互互作作用用,这这种种作作用用将将使使物物体体的的运运动动状状态态发发生生变变化化运运动动效效应应(effect effect of of motionmotion),或
7、或使使物物体体发发生生变形变形变形效应变形效应(effect of deformationeffect of deformation)。)。力力是是矢矢矢矢量量量量(vector)(vector);当当力力作作用用在在刚刚体体上上时时,力力可可以以沿沿着着其其作作用用线线滑滑移移,而而不不改改变变力力对对刚刚体体的的作作用用效效应应,这这时时的的力力是是滑滑滑滑动动动动矢矢矢矢量量量量(slip(slip vector)vector);当当力力作作用用在在变变形形体体上上时时,力力既既不不能能沿沿其其作作用用线线滑滑移移,也也不不能能绕绕作作用用点点转转动动,这这表表明明,作作用用在在变变形形
8、体体的的力力的的作作用用线线和和作作用用点点都都是是固固定定的的,所以这时的力是所以这时的力是定位矢量定位矢量定位矢量定位矢量(fixed vectorfixed vector)。)。力的量纲为牛顿(力的量纲为牛顿(N N)。力在直角坐标系中的表示为:)。力在直角坐标系中的表示为:F F=F Fx xi i+F+Fy yj j+F+Fz zk k 第12页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 力与力系力与力系 力的量纲为牛顿(N)。力在直角坐标系中的表示为:F=Fxi+Fyj+Fzk Fx,Fy,Fz分别为力矢F在x、y、z轴上的投影,为代数量。作用在物体上的力的集合
9、称为力系力系(forces system)。第13页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念 静力学基本原理 第14页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 等等等等效效效效力力力力系系系系的的的的概概概概念念念念 使使同同一一刚刚体体产产生生相相同同作作用用效效应应的的力力系系称称为等效力系。为等效力系。如如果果某某力力系系与与一一个个力力等等效效,则则这这一一力力称称为为力力系系的的合合力力,而而力力系系中中的的各各个个力力则则称称为为这这一一合合力力的的分分力力。作作用用于于刚刚体体、并使刚体保持平衡的力系称为并使刚体保持平
10、衡的力系称为平衡力系平衡力系,或称零力系。,或称零力系。第15页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 二二力力平平衡衡原原理理 刚体在二力作用下平衡的必要和充分条件是:二力沿着同一作用线,大小相等,方向相反,称为二二力力平平衡衡原原理理。其数学表达式为 F1=F2 作用有二力的刚体又称为二二力力构构件件(members subjected to the action of two forces)或二力杆二力杆。第16页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 加加减减平平衡衡力力系系原原
11、理理 在作用于刚体的力系中,加上或减去任意个平衡力系,不改变原力系对刚体的作用效应,称为加加减减平平衡衡力力系原理系原理。推推论论:力力的的可可传传性性原原理理(principle of transmissibility of a force)作用于刚体上的力可沿其作用线滑移至刚体内任意点而不改变力对刚体的作用效应。加减平衡力系原理是力力系系简简化化(reduction of a force system)的重要依据之一。第17页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 推推论论:力力的的可可传传性性原原理理(principle of tra
12、nsmissibility of a force)作用于刚体上的力可沿其作用线滑移至刚体内任意点而不改变力对刚体的作用效应。F=F=F F F FF FF FF F F F第18页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 推论表明,对于刚体,力力的的三三要要素素(three elements of a force)变为:力的大小、方向和作用线。可沿方位线滑动的矢量称为滑滑动动矢矢量量(sliding vector)。作用于刚体上的力是滑动矢量。F FF FF FF F F F第19页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概
13、念 静力学基本原理静力学基本原理 F F2 2F F1 1O OF F1212 二二力力合合成成原原理理 在作用于刚体某点的两个力可以合成一个力,称为合力。二力的合成满足矢量加法原则。第20页,共80页,编辑于2022年,星期一F F2 2F F1 1O OC CF F3 3B BF F2 2F F1 1A AB BF F2 2F F1 1A A 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 推推论论:三三力力平平衡衡汇汇交交定定理理 作用于刚体上的三个力,若构成平衡力系,且其中两个力的作用线汇交于一点,则三个力必在同一平面内,而且第三个力的作用线一定通过汇交点。B BF F2 2C
14、 CF F3 3F F1 1A AF F1212第21页,共80页,编辑于2022年,星期一 力的基本概念力的基本概念 静力学基本原理静力学基本原理 作作用用力力与与反反作作用用力力原原理理 当甲物体对乙物体有作用力的同时,乙物体对甲物体也有反作用力;它们同时存在,大小相等、方向相反且沿同一直线分别作用在两个物体上。刚刚化化公公理理 当变形体在某力作用下处于平衡状态时,将变形体刚化成刚体,则平衡不受影响。第22页,共80页,编辑于2022年,星期一第1章 基本概念与物体受力分析方法 工程常见约束与约束力 返回返回返回总目录返回总目录第23页,共80页,编辑于2022年,星期一 工程常见约束与约
15、束力 工程中的机器和结构都是由若干零件和构件通过相互接触工程中的机器和结构都是由若干零件和构件通过相互接触和相互连接而成。和相互连接而成。约束约束约束约束(constraintconstraint)则是接触和连接方式)则是接触和连接方式的简化模型。的简化模型。约束施加于被约束物体上的力称为约束施加于被约束物体上的力称为约束力约束力约束力约束力(constraint constraint forceforce)。)。第24页,共80页,编辑于2022年,星期一 工程常见约束与约束力工程常见约束与约束力 单侧约束单侧约束 缆索、工业带、链条等都可以理想化为单侧约束,统称为缆索、工业带、链条等都可以
16、理想化为单侧约束,统称为柔索柔索柔索柔索(cablecable)。这种约束的特点是其所产生的约束力只)。这种约束的特点是其所产生的约束力只能沿柔索方向的单侧约束力,并且只能是拉力,不能能沿柔索方向的单侧约束力,并且只能是拉力,不能是压力。是压力。第25页,共80页,编辑于2022年,星期一链条约束与约束力 工程常见约束与约束力 单侧约束单侧约束 第26页,共80页,编辑于2022年,星期一皮带约束与约束力 工程常见约束与约束力工程常见约束与约束力 单侧约束单侧约束 第27页,共80页,编辑于2022年,星期一 工程常见约束与约束力 刚性约束(双侧约束)第28页,共80页,编辑于2022年,星期
17、一 工程常见约束与约束力工程常见约束与约束力 刚性约束刚性约束(双侧约束双侧约束)约束体与被约束体都是刚体,因而二者之间为刚性接触,约束体与被约束体都是刚体,因而二者之间为刚性接触,这种约束称为这种约束称为刚性约束刚性约束。大多数情形下,刚性约束都将。大多数情形下,刚性约束都将产生双侧约束力,因而又产生双侧约束力,因而又称为双侧约束称为双侧约束。某些情形下,刚。某些情形下,刚性约束也将产生单侧约束力。性约束也将产生单侧约束力。第29页,共80页,编辑于2022年,星期一齿轮啮合力齿轮啮合力 光滑面约束的约束力是通过接触点、沿该点公法线并光滑面约束的约束力是通过接触点、沿该点公法线并指向被约束物
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