理论力学教学材料基本概念和受力分析优秀PPT.ppt

《理论力学教学材料基本概念和受力分析优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《理论力学教学材料基本概念和受力分析优秀PPT.ppt（60页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、理论力学教学材料基本概念和受力分析你现在浏览的是第一页，共60页力的单位：力的单位：国际单位制：牛顿(N)千牛顿(kN)第一章第一章 静力学基本公理和物体的受力分析静力学基本公理和物体的受力分析1-11-1刚体和变形固体的概念刚体和变形固体的概念一、力的概念一、力的概念1定义定义：力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的 运动状态发生改变或使物体产生变形。2.力的效应：力的效应：运动效应(外效应)变形效应(内效应)。3.力的三要素：力的三要素：大小，方向，作用点。表示为：F，手写为（如无特别声明，本课程只研究力的外效应）力是矢量你现在浏览的是第二页，共60页 力系：力系：是指作用在物体上的一

2、群力。平衡力系：平衡力系：物体在力系作用下处于平衡，我们称这个力系 为平衡力系。是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运动的状态。三三.刚体刚体就是在力的作用下，大小和形状都不变的物体。二二.平衡平衡等效力系：等效力系：用一个力系代替另一个力系，而不改变原力系 对刚体的效应，称此两力系等效或互为等效力系。你现在浏览的是第三页，共60页四、静力学公理四、静力学公理公理公理：是人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。公理公理1 1 二力平衡公理二力平衡公理作用于刚体上的两个力，使刚体平衡的必要与充分条件是：这两个力大小相等、方向相反、作用线共

3、线，作用于同一个物体上。(简称等值、反向、共线）注意：你现在浏览的是第四页，共60页说明说明：对刚体来说，上面的条件是充要的 二力构件二力构件：只在两个力作用下平衡的刚体叫二力构件。对变形体来说，上面的条件只是必要条件(或多体中)你现在浏览的是第五页，共60页 在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的效应。推论推论1：力的可传性：力的可传性 作用于刚体上的力可沿其作用线移到同一刚体内的任一点，而不改变该力对刚体的效应。因此，对刚体来说，力的三要素为：大小、方向、作用线大小、方向、作用线公理公理2 2 加减平衡力系公理加减平衡力系公理力是滑移矢量力是滑移矢量你现在浏览的是第

4、六页，共60页当刚体受到三力作用而平衡时，若有两力交于一点，则此三力必构成平面汇交力系。公理公理3 3 力的平行四边形法则力的平行四边形法则 作用于物体上同一点的两个力可合成一个合力，此合力也作用于该点，合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。即推论推论2：三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理 力三角形你现在浏览的是第七页，共60页公理公理4 4 作用力和反作用力定律作用力和反作用力定律两物体间的相互作用力即作用力与反作用力，总是大小相等、方向相反、作用线重合，并分别作用在这两个物体上。证证 为平衡力系，也为平衡力系。又 二力平衡必等值、反向、共线，三力 必汇交，且共面

5、。例例 吊灯你现在浏览的是第八页，共60页公理公理5 5 刚化原理刚化原理 变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体变成刚体（刚化为刚体），则平衡状态保持不变。公理5告诉我们：处于平衡状态的变形体，可用刚体静力学的平衡理论。你现在浏览的是第九页，共60页1-2 1-2 力的投影及荷载分类力的投影及荷载分类一、力的投影一、力的投影1.力力 在任一轴上的投影在任一轴上的投影 （1）力 与轴共面：以X表示力 在x轴上的投影，则X=ab。你现在浏览的是第十页，共60页（2）力与轴不共面：过力 的起点和终点分别作平面垂直于x轴，则X=AB =ab（3）正负号规定：若为 与x轴正向的夹角，则X=Fco

6、s若为锐角，则X=Fcos，用观察法确定正负，即：如果从力的起点的投影到终点的投影与投影轴的正向一致者为正，反之为负。你现在浏览的是第十一页，共60页2.力平面上的投影力平面上的投影 为力 在平面上的投影，大小：F=FCOS 注意：力在轴上的投影是代数量，而在平面上的投影是矢量。3.力在直角坐标轴上的投影力在直角坐标轴上的投影 你现在浏览的是第十二页，共60页(1)一次投影法（直接投影法）一次投影法（直接投影法）3.力在直角坐标轴上的投影力在直角坐标轴上的投影 若已知力与坐标轴正向的夹角、，则你现在浏览的是第十三页，共60页（2）二次投影法（间接）二次投影法（间接投影法）投影法）当力与各轴正向

7、夹角不易确定时，可先将 F 投影到xy面上，然后再投影到x、y轴上，即你现在浏览的是第十四页，共60页4.若已知力在直角坐标轴上的投影若已知力在直角坐标轴上的投影X、Y、Z，则，则力的大小：方向余弦：为力与x、y、z轴正向的夹角。5.力的分解式力的分解式在直角坐标系下，力的分力与其投影之间有下列关系：分力的模等于力在相应坐标轴上的投影的绝对值，即 你现在浏览的是第十五页，共60页 力的解析表达式为：5.力的投影和力的分力的区别力的投影和力的分力的区别 力的投影和力的分力是两个不同的概念，不得混淆：（1）力在轴上的投影是代数量，由力的投影X、Y、Z只能求出力的大小和方向，不能确定其作用点的位置；

8、而力的分力是矢量，由力的分力完全可以确定力的大小和方向及作用点的位置。（2）力的投影是向轴作垂线而得，力的分力则是利用平行四边形法则而得。关系式 你现在浏览的是第十六页，共60页仅对直角坐标系成立，对斜坐标系不成立。二、荷载分类二、荷载分类力主动力（又称荷载）：使物体产生运动或运动趋势 的力，如 重力、风压力、水压力等，约束反力1.荷载分类根据作用时间，荷载恒载：不随时间而变，如自重活载：随时间而变，如风压力你现在浏览的是第十七页，共60页根据分布情况，荷载集中荷载（力）：作用在极小的面积或 体积上，可以认为作用在一点上。分布荷载：分布作用于物体的体内或 表面，如重力、土压力、水压力。2.分布

9、荷载线分布力线分布力或线荷载：线荷载：沿一条直线连续分布且相互平行的力系。线荷载集度线荷载集度q：单位长度上的线荷载，单位：N/m或kN/m。匀布荷载匀布荷载：q=const，非匀布荷载非匀布荷载：qconst 荷载图荷载图：表示荷载集度分布的图形。你现在浏览的是第十八页，共60页线分布力的大小及作用位置可由力系简化理论（后述）求得：同同向线分布力的合力的大小等于荷载图的面积，方向与分布力向线分布力的合力的大小等于荷载图的面积，方向与分布力的方向相同，作用线通过荷载图的形心的方向相同，作用线通过荷载图的形心。常见分布力的合力及作用位置：2l/3l/3l/2l/2l/3你现在浏览的是第十九页，共

10、60页1-3 1-3 力矩和力偶力矩和力偶力的效应：移动效应和转动效应一、力对点的矩：一、力对点的矩：度量力使刚体绕某点转动效应的物理量。(1)在平面问题中，力对点的矩为代数量在平面问题中，力对点的矩为代数量（因为所有力矩的作用面都在同一平面内，只要确定了力矩的大小和转向，就可完全表明力使物体绕矩心转动的效应）。大小等于力与力臂的乘积面积当F=0或h=0时，单位N.m或kN.m正负号:逆时针转动为正，反之为负 O矩心，h 力臂你现在浏览的是第二十页，共60页（2）在空间问题中，力对点的矩为矢量在空间问题中，力对点的矩为矢量(为了表示力使物体绕矩心的转动效应，须表示出三个要素三个要素：力矩的大小

11、大小、力矩作用面的方方位位及力矩在其作用面内的转向转向，这三个要素必须用一个矢量表示 力对点之矩依赖于矩心的位置，所以空间力对点的矩是空间力对点的矩是定位矢定位矢量量。力矩的大小大小 面积 力对一点的矩不因力沿其作用线移动而改变力对一点的矩不因力沿其作用线移动而改变。这再以次证明了力力是滑移矢量是滑移矢量。你现在浏览的是第二十一页，共60页矢量 的指向按右手法则确定。力对点之矩的解析式 以O点为原点建立直角坐标系，则力作用点的矢径及力可表示为解析式：于是：注意：力作用点的坐标及力的投影有正负。你现在浏览的是第二十二页，共60页二、力偶二、力偶1.力偶力偶：大小相等、方向相反、作用线平行但不重合

12、的两个力。力偶是常见的一种特殊力系。2.力偶矩力偶矩：力偶对物体的转动效应用力偶矩度量。（1）平面问题中的力偶矩是代数量，）平面问题中的力偶矩是代数量，大小等于力偶中的力的大小与力偶臂的乘积：规定：逆时针转向为正，反之为负逆时针转向为正，反之为负。单位：N.m，kN.m你现在浏览的是第二十三页，共60页（2）空间问题中的力偶矩是矢量，）空间问题中的力偶矩是矢量，其对物体的作用决定于力偶三三要素要素：力偶矩的大小大小：力偶作用面作用面在空间的方位方位 力偶在作用面内的转向转向：力偶矩矢与力偶的转向符合右手螺旋法则右手螺旋法则。力偶对刚体的作用完全决定于力偶矩矢。3.力偶的基本性质力偶的基本性质

13、力偶只能使物体转动。因此，力偶不能与一个力等效力偶不能与一个力等效，它既不能合成一个力，也不能与一个力平衡。力偶只能用力偶来平衡。你现在浏览的是第二十四页，共60页力偶对任一点之矩恒等于力偶矩力偶对任一点之矩恒等于力偶矩而与矩心位置无关，因此力偶对物体的转动效应完全决定于力偶矩。只要保持力偶矩矢的大小和方向不变，力偶可以在其作用面内只要保持力偶矩矢的大小和方向不变，力偶可以在其作用面内任意移动，也可以移动到与其作用面相互平行的平面中去；或同任意移动，也可以移动到与其作用面相互平行的平面中去；或同时改变力偶中力和力偶臂的大小，而不改变力偶对刚体的效应。时改变力偶中力和力偶臂的大小，而不改变力偶对

14、刚体的效应。由此可知，力偶矩矢力偶矩矢是是自由矢量自由矢量。在研究力偶问题时可以不考虑力偶的作用位置及力偶中力的大小和力偶臂的长度，而只需考虑力偶的力偶矩，故常在力偶作用面内将力偶用带箭头的弧线表示，箭头表示力偶的转向，旁边的数字表示力偶矩的大小。你现在浏览的是第二十五页，共60页你现在浏览的是第二十六页，共60页约束反力（或约束力、反力）：约束反力（或约束力、反力）：约束给被约束物体的作用力。1-4 1-4 约束与约束反力约束与约束反力一、概念一、概念自由体：自由体：在空间的运动不受任何限制的物体。非自由体：非自由体：在空间的运动受到限制的物体，也称被约束体被约束体。约束：约束：阻碍物体某些

15、方向运动的限制条件 。（这里，约束是名词，而不是动词的约束。）（这里，约束是名词，而不是动词的约束。）你现在浏览的是第二十七页，共60页大小是未知的。故称为被动力。方向总是与所限制的物体的位移方向相反；作用点在物体与约束相接触的那一点。约束反力特点：约束反力特点：你现在浏览的是第二十八页，共60页由于柔索只能阻碍物体沿柔索伸长的方向运动，故柔索的约束力通过柔索与物体的连接点，方位沿柔索而指向背离物体。即恒为拉力拉力。二、常见约束及约束反力：二、常见约束及约束反力：1.柔索约束（不计重的绳索、链条或皮带等）柔索约束（不计重的绳索、链条或皮带等）你现在浏览的是第二十九页，共60页此类约束如支持物体

16、的固定面。2.光滑接触面约束光滑接触面约束 (光滑指摩擦不计光滑指摩擦不计)约束限制物体沿接触面法线向约束内部的位移，故其约束力沿接触面的公法线指向被约束物体，即恒为压力。你现在浏览的是第三十页，共60页你现在浏览的是第三十一页，共60页滑槽与销钉（双面约束）滑槽与销钉（双面约束）约束力垂直于滑槽约束力垂直于滑槽，指向可假设，指向可假设结构图简化图受力图你现在浏览的是第三十二页，共60页3.光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链约束光滑圆柱铰链光滑圆柱铰链销钉A、B互为约束与被约束体你现在浏览的是第三十三页，共60页A简化图受力图约束力在垂直于销钉轴线的平面内并约束力在垂直于销钉轴线的平面内并通过销钉中

17、心，方向待定通过销钉中心，方向待定。常用两个正交的分力常用两个正交的分力X、Y表示表示。或你现在浏览的是第三十四页，共60页固定铰支座（铰链支座）固定铰支座（铰链支座）将光滑圆柱铰链其中一构件固定而得光滑圆柱铰链固定铰支座你现在浏览的是第三十五页，共60页你现在浏览的是第三十六页，共60页简化图受力图（同光滑圆柱铰链）工程实例或你现在浏览的是第三十七页，共60页 在在分分析析铰铰链链约约束束力力时时，通通常常将将销销钉钉固固连连在在某某个个构构件件上上，简化成只有两个构件的结构。例如，在图（a）所示的三铰拱结构中，如将铰链C处的销钉固连在构件II上，则构件I、II互为约束。铰链约束力如图(b)

18、所示。（a）（b）（如将铰链C处的销钉固连在构件I上，铰链约束力不变）你现在浏览的是第三十八页，共60页轴承轴承由轴承和轴颈构成的轴承约束，其约束力的特征和铰链的约束力完全相同。你现在浏览的是第三十九页，共60页结构图4.活动铰支座（辊轴支座）活动铰支座（辊轴支座）你现在浏览的是第四十页，共60页简化图被约束体可以绕销钉转动，可以沿销钉轴线移动，也可以沿支承面移动，即约束阻碍物体沿与支承面垂直的方向运动，其约束力通过销钉中心垂直于支承面，约束力通过销钉中心垂直于支承面，指向待定指向待定。你现在浏览的是第四十一页，共60页5.连杆约束连杆约束两端是光滑铰链、自重不计、中间不受力的杆件，称为连杆。

19、你现在浏览的是第四十二页，共60页 连杆只阻碍物体上与连杆连接的那一点沿连杆两端铰链中心的连线运动，故连杆的约约束束力力沿沿连连杆杆两两端端铰铰链链中中心心的的连连线线，指向待定指向待定。连杆在结构中用作拉杆或支撑杆。连杆连杆你现在浏览的是第四十三页，共60页 当连杆平衡时，根据二力平衡公理，其两端的两个力必等值、反向、共线，因此，连杆是二力杆连杆是二力杆（只受两个力作用而平衡的杆）。6.平面固定端平面固定端 平面固定端约束既阻碍被约束物体在该平面内沿任何方向移动，又阻碍被约束物体绕固定端在该平面内转动，如图悬臂梁所示。阻碍被约束物体移动的约束力为两个正交的分力，阻碍被约束物体转动的为反力偶。

20、故平面固定端的约束反力又三个。你现在浏览的是第四十四页，共60页一、受力分析一、受力分析 解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件，约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析受力分析。作用在物体上的力有：一类是:主动力,如重力,风力,气体 压力等。二类是：被动力，即约束反力。1-5 1-5 物体的受力分析和受力图物体的受力分析和受力图你现在浏览的是第四十五页，共60页 3.3.画物体受力图主要步骤为画物体受力图主要步骤为：二、受力图二、受力图1.分离体（或脱离体）分离体（或脱离体）：从周围物体中单独分离出来的研究对象。2.受受

21、力力图图：表示研究对象（既脱离体）所受全部力的图形。主动力一般是先给定的，约束力则需要根据约束的性质来判断。(1)根据题意选选取研研究究对对象象，并用尽可能简明的轮廓把它单独画出，即解除约束、取分离体。(2)在脱离体上画主动力在脱离体上画主动力。要画上其所受的全部的主动力，不能漏掉，也不能把不是作用在该分离体上的力画在该分离体上。主动力的作用点（线）和方向不能任意改变。你现在浏览的是第四十六页，共60页(3)在去掉约束的地方在去掉约束的地方 根据约束性质逐一画画出作用在脱离体上的约约束力束力。例例1用力 拉动压路的碾子。已知碾子重 ，并受到固定石块A的阻挡，如图所示。试画出碾子的受力图。你现在

22、浏览的是第四十七页，共60页例例2 2曲柄连杆机构，自重不计，所有接触处都光滑，机构在、M、作用下平衡，画整体及各部件受例图。M你现在浏览的是第四十八页，共60页三、画受力图应注意的问题三、画受力图应注意的问题除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，接触处必有力，力的方向由约束类型而定。2、不要多画力、不要多画力要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对于受力体所受的每一个力，都应能明确地指出它是哪一个施力体施加的。1、不要漏画力、不要漏画力你现在浏览的是第四十九页，共60页 即受力图一定要画在分离体上。3、画作用力与反

23、作用力时，二者必须作用方位相同，指向相、画作用力与反作用力时，二者必须作用方位相同，指向相反反。4、受力图上不能再带约束。、受力图上不能再带约束。5、受力图上只画外力，不画内力。、受力图上只画外力，不画内力。内力内力：物体系统内部各物体之间的相互作用的力。它们成对出现，组成平衡力系。外力：外力：物体系统以外的其它物体给该系统的作用力。一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。你现在浏览的是第五十页，共60页7、正确判断二力构件。、正确判断二力构件。6、整体受力图与部分受力图中同一个力的力符及方向必须一致。、整体受力图与部分受力图中同一个力的力符及方向必须一致。8、受力图上，力符要

24、用矢量表示。、受力图上，力符要用矢量表示。你现在浏览的是第五十一页，共60页受力图习题课受力图习题课 例例11图示结构，不计自重及摩擦，试画整体及各构件受力图。你现在浏览的是第五十二页，共60页 例例22画图示结构各构件及整体受力图。设接触处摩擦不计，结构自重不计。你现在浏览的是第五十三页，共60页你现在浏览的是第五十四页，共60页 例例33结构自重不计，试画结构整体及各部件受力图。（1）设轮C带销钉，此时杆AC、BC互不接触，都与销钉（即轮C）接触，杆AC、BC对销钉的作用力都作用在轮C上。你现在浏览的是第五十五页，共60页你现在浏览的是第五十六页，共60页（2）设AC杆带销钉，此时杆轮C、BC互不接触，都与销钉（即AC）接触，轮C、杆BC对销钉的作用力都作用在AC上。此时，整体、杆BC、重物E的受力图同前。（3）设杆BC带销钉（一般不考虑此种情况）（4）设销钉独立你现在浏览的是第五十七页，共60页例例4重为W的均质圆柱体O由杆及墙支撑如图，不计杆重及各处摩擦，试画各物体的受力图。你现在浏览的是第五十八页，共60页例例5 画出下图机构整体及各构件的受力图你现在浏览的是第五十九页，共60页你现在浏览的是第六十页，共60页