第一章静力学的基本概念和受力分析优秀课件.ppt

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1、第一章静力学的基本概念和受力分析第1页，本讲稿共57页 工程力学工程力学是一门主要基础课。是一门主要基础课。通过本门通过本门课程的学习，要求学生掌握静力学和材料力学课程的学习，要求学生掌握静力学和材料力学的基础知识，使学生对杆体的平衡、强度、刚的基础知识，使学生对杆体的平衡、强度、刚度和稳定性问题具有明确的基本概念，必要的度和稳定性问题具有明确的基本概念，必要的基础知识和初步的计算能力，从而使学生能对基础知识和初步的计算能力，从而使学生能对简单工程问题进行定性分析。简单工程问题进行定性分析。课程简介课程简介工程力学分为工程力学分为理论力学理论力学和和材料力学材料力学两部分。两部分。第2页，本讲

2、稿共57页主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件；主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件；同时也研究物体受力的分析方法，以及力系简化同时也研究物体受力的分析方法，以及力系简化的方法。的方法。静力学静力学理论力学的研究对象和内容理论力学的研究对象和内容只从几何的角度来研究物体的运动（如轨迹、速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度、加速度等），而不研究引起物体运动的物理原因。原因。运动学运动学动力学动力学研究受力物体的运动和作用力之间的关系。研究受力物体的运动和作用力之间的关系。第3页，本讲稿共57页材料力学部分包括杆件的四种基本变形（轴向

3、材料力学部分包括杆件的四种基本变形（轴向拉伸与压缩拉伸与压缩、剪切与挤压、扭转、剪切与挤压、扭转、弯曲）的、弯曲）的内力、应力和变形，应力状态与强度理论，组内力、应力和变形，应力状态与强度理论，组合变形杆的强度和压杆稳定。合变形杆的强度和压杆稳定。材料力学的研究对象和内容材料力学的研究对象和内容第4页，本讲稿共57页教材：教材：工程力学工程力学尹尹 楠楠 主编，主编，国防科技大学出版社国防科技大学出版社教材及答疑教材及答疑第5页，本讲稿共57页 第一节第一节 静力学的基本概念静力学的基本概念 第二节第二节 静力学的基本公理静力学的基本公理 第三节第三节 约束与反约束力约束与反约束力 第四节第四

4、节 构件的受力分析构件的受力分析 第五节第五节 构件的受力图构件的受力图第一章第一章 静力学的基本静力学的基本 概念和受力分析概念和受力分析第6页，本讲稿共57页v本章是学习各门力学的基础，它贯穿着本学科的始终。本章是学习各门力学的基础，它贯穿着本学科的始终。学习时主要掌握四个概念（刚体、平衡、力、力系）、学习时主要掌握四个概念（刚体、平衡、力、力系）、四个公理（二力平衡公理、加减平衡力系公理、力的平四个公理（二力平衡公理、加减平衡力系公理、力的平行四边形法则、作用力和反作用力公理），掌握常用约行四边形法则、作用力和反作用力公理），掌握常用约束的特点并能正确地画出相应的约束力，熟练掌握对物束的

5、特点并能正确地画出相应的约束力，熟练掌握对物体进行受力分析的方法和步骤，并能正确地画出物体的体进行受力分析的方法和步骤，并能正确地画出物体的受力图。受力图。教学目的和要求教学目的和要求第7页，本讲稿共57页v静力学的四个基本概念；静力学的四个基本概念；v三个静力学基本公理和平行四边形法则；三个静力学基本公理和平行四边形法则；v工程中常见的约束反力的特点及受力图；工程中常见的约束反力的特点及受力图；v对物体进行受力分析的方法和步骤以及画受力图。对物体进行受力分析的方法和步骤以及画受力图。教学重点教学重点第8页，本讲稿共57页v静力学基本公理的应用和推论；静力学基本公理的应用和推论；v常见约束的区

6、分与约束反力的画法；常见约束的区分与约束反力的画法；v构件受力分析的方法步骤和受力图的画法。构件受力分析的方法步骤和受力图的画法。难点难点第9页，本讲稿共57页一、刚体一、刚体v 刚体刚体在力的作用下，大小和形状都不变的物体。在力的作用下，大小和形状都不变的物体。刚体是静力学中对物体进行分析所简化的刚体是静力学中对物体进行分析所简化的抽象化力学模抽象化力学模型型（变形很小可忽略不计时）。（变形很小可忽略不计时）。实践证明：将物体抽象为刚体可使力学分析大大简化且实践证明：将物体抽象为刚体可使力学分析大大简化且结果足够精确，既是工程分析允许的也是认识力学规律所结果足够精确，既是工程分析允许的也是认

7、识力学规律所必需的。但必需的。但刚体这一模型的使用是有条件和范围的，即在刚体这一模型的使用是有条件和范围的，即在静力学范围内构件可看作刚体。静力学范围内构件可看作刚体。第一节第一节 静力学的基本概念静力学的基本概念第10页，本讲稿共57页二、平衡二、平衡vv平衡平衡平衡平衡物体相对于惯性参考系处于物体相对于惯性参考系处于静止或作匀速直线运动静止或作匀速直线运动状态。状态。平衡是相对的，是运动的特例，平衡的规律远比一平衡是相对的，是运动的特例，平衡的规律远比一般规律简单。工程上有很多平衡问题。般规律简单。工程上有很多平衡问题。相对于地球不动的参考系称为相对于地球不动的参考系称为惯性参考系惯性参考

8、系。vv平衡力系平衡力系平衡力系平衡力系一个物体受某力系作用处于平衡，则此力系称为一个物体受某力系作用处于平衡，则此力系称为平平衡力系衡力系。力系使物体平衡而需要满足的条件称为力系力系使物体平衡而需要满足的条件称为力系平衡条平衡条件。件。第11页，本讲稿共57页三、力三、力1.力是物体间的相互机械作用。2.力对物体作用效应v外效应：使物体的运动状态发生改变；v内效应：使物体的形状发生改变。3.力是矢量:力矢用大写黑体字母力矢用大写黑体字母“F”表表示。示。4.力的三要素：力的大小、方向、作用力的大小、方向、作用点。点。5.力的单位力的单位：牛顿（N）或千牛（kN）。（力力F用有向线段表示）用有

9、向线段表示）分布力和集中力分布力和集中力第12页，本讲稿共57页四、力系四、力系v力系力系作用于物体上的一群力。作用于物体上的一群力。v合力合力：若一个力和一个力系等效，则这个力就：若一个力和一个力系等效，则这个力就称为该力系的称为该力系的合力。合力。力系中的每个力就称为力系的分力；力系中的每个力就称为力系的分力；将一个复杂力系简化为一个简单力系或一个将一个复杂力系简化为一个简单力系或一个力的过程，称为力的过程，称为力系的简化。力系的简化。第13页，本讲稿共57页 力系的分类力系的分类p平面力系：所有力的作用线均在同一个平面内的力系。平面力系：所有力的作用线均在同一个平面内的力系。平面汇交力系

10、：作用线汇交于一点的平面力系；平面汇交力系：作用线汇交于一点的平面力系；平面平行力系：作用线相互平行的平面力系；平面平行力系：作用线相互平行的平面力系；平面任意力系：作用线既不汇交于一点，又不相互平行的平面任意力系：作用线既不汇交于一点，又不相互平行的平面力系。平面力系。p空间力系：所有力的作用线不在同一平面内的力系。空间力系：所有力的作用线不在同一平面内的力系。v空间汇交力系：作用线汇交于一点的空间力系；空间汇交力系：作用线汇交于一点的空间力系；v空间平行力系：作用线相互平行的空间力系；空间平行力系：作用线相互平行的空间力系；v空间任意力系：作用线既不汇交于一点，又不相互平行的平面力系。空间

11、任意力系：作用线既不汇交于一点，又不相互平行的平面力系。第14页，本讲稿共57页v静力学公理概括了力的各种性质，是静力分析的理论基础。静力学公理概括了力的各种性质，是静力分析的理论基础。v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，使刚体处于平衡的必要和充分作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡的必要和充分条件是：条件是：这两个力的大小相等、方向相反、作用线共线，这两个力的大小相等、方向相反、作用线共线，作用于同一个物体上。作用于同一个物体上。矢量式：矢量式：F F1 1=F F2 2；第二节第二节 静力学的基本公理静力学的基本公理第15页，本讲稿共57页二力构件二力构件v二

12、二力平衡公理揭示了作用于物体上最简单的力系平衡时所应满力平衡公理揭示了作用于物体上最简单的力系平衡时所应满足的条件。足的条件。v工程上受两个力作用而平衡的刚体称为工程上受两个力作用而平衡的刚体称为“二力构件二力构件”或或“二二力体力体”。二力构件平衡时其所受的。二力构件平衡时其所受的两个力必沿着两个力作用两个力必沿着两个力作用点的连线，而且两力大小相等、方向相反。点的连线，而且两力大小相等、方向相反。F1F2第16页，本讲稿共57页ABv 在进行构件受力分析时，能正确判断其是否为在进行构件受力分析时，能正确判断其是否为二力构件二力构件，可使问题顺利解决。可使问题顺利解决。这点很重要！这点很重要

13、！F1F2F2F1CD第17页，本讲稿共57页作用在物体上同一点的两个力可以合成为一个力，合力的作用点仍作用在这一点，合力的大小和方向由这两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线确定。矢量表示法：F FR R=F=F1 1+F+F2 2公理公理2 2：力的平行四边形法则：力的平行四边形法则第18页，本讲稿共57页公理公理3 加减平衡力系原理加减平衡力系原理推论推论1 力的可传性原理力的可传性原理作用在刚体上的力，可沿其作用线移到刚体内任意作用在刚体上的力，可沿其作用线移到刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用效应。一点，而不改变该力对刚体的作用效应。在已知力系中加上或减去任意的平衡力系，并不改

14、变在已知力系中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原力系对刚体的作用。第19页，本讲稿共57页推论推论 2 三力平衡汇交定理三力平衡汇交定理平衡时平衡时F3必与必与 F12 共线则三力必汇交共线则三力必汇交O 点，且共面。点，且共面。作用于刚体上的三个力平衡，若其中两个力的作用线汇交于一作用于刚体上的三个力平衡，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必通过此点，则此三力必在同一平面内，且第三个力的作用线必通过此汇交点。汇交点。第20页，本讲稿共57页公理公理4 作用与反作用公理作用与反作用公理两物体间相互作用的力，总是大小相等、方向相反，两物

15、体间相互作用的力，总是大小相等、方向相反，沿同一直线，并分别作用于两个物体上。沿同一直线，并分别作用于两个物体上。在画物体受力图时要注意此公理的应用。在画物体受力图时要注意此公理的应用。第21页，本讲稿共57页第三节第三节 约束与反约束力约束与反约束力如果一个物体不受任何限制，可以在空间自由运动（例如可在空中自由飞行的飞机），则此物体称为自由自由体体；反之，如一个物体受到一定的限制，使其在空间沿某些方向的运动成为不可能（例如绳子悬挂的物体），则此物体称为非自由体非自由体。第22页，本讲稿共57页约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。约束反力：约束对非自

16、由体的作用力。约束反力：约束对非自由体的作用力。约约束束反反力力大小大小待定；待定；方向方向与该约束所能限制的位移方向相反；与该约束所能限制的位移方向相反；作用点作用点接触处。接触处。第三节第三节 约束与反约束力约束与反约束力第23页，本讲稿共57页1、柔性约束、柔性约束由柔软的绳索、链条或者皮带等构成的约由柔软的绳索、链条或者皮带等构成的约束。束。工程常见的约束工程常见的约束v只能限制物体沿柔体伸长方向的运动只能限制物体沿柔体伸长方向的运动,只能受拉，不能受压；只能受拉，不能受压；v柔性约束反力确定柔性约束反力确定:作用于触点作用于触点,方向沿绳索背离被约束物体；方向沿绳索背离被约束物体；v

17、约束反力符号：柔性约束反力用约束反力符号：柔性约束反力用 T表示。表示。T第24页，本讲稿共57页（接触面摩擦力很小可忽略不计时）接触面摩擦力很小可忽略不计时）v约束特点约束特点:只能限制沿接触点的法线方向趋向支承面的只能限制沿接触点的法线方向趋向支承面的运动；运动；v约束反力的确定：约束反力的确定：通过接触点，沿着接触面公法线方向，通过接触点，沿着接触面公法线方向，指向被约束的物体，指向被约束的物体，即即物体受压。物体受压。光滑接触的约束反力通常用光滑接触的约束反力通常用N N 表示。表示。2、光滑面约束、光滑面约束第25页，本讲稿共57页 反力特征：反力特征：反力特征：反力特征：方位：方位

18、：方位：方位：沿接触处的共法线沿接触处的共法线指向：指向：指向：指向：指向物体（物体受压）指向物体（物体受压）ABCFNAFNBFNC第26页，本讲稿共57页v组成及特点：组成及特点：v 两物体分别钻有直径相同的两物体分别钻有直径相同的圆柱形孔圆柱形孔，用一圆柱形，用一圆柱形销钉销钉连接连接起来，在不计摩擦时，即构成起来，在不计摩擦时，即构成光滑圆柱形铰链约束光滑圆柱形铰链约束，简称，简称铰链约铰链约束束。3、圆柱铰链约束、圆柱铰链约束第27页，本讲稿共57页v圆柱铰链约束分类圆柱铰链约束分类中间铰链中间铰链固定铰链支座固定铰链支座活动铰链支座活动铰链支座连杆约束连杆约束第28页，本讲稿共57

19、页（1 1）中间铰链约束）中间铰链约束v结构特点结构特点：如图示，用销钉联接两有孔零件，两被联接件均可绕销轴转：如图示，用销钉联接两有孔零件，两被联接件均可绕销轴转动，动，例如发动机中连杆与活塞、连杆与曲轴的联接。例如发动机中连杆与活塞、连杆与曲轴的联接。v约束特点约束特点：两零件均可相对转动又互相制约。：两零件均可相对转动又互相制约。v约束反力在确定约束反力在确定：其约束反力用过销轴中心的两个正交的分力：其约束反力用过销轴中心的两个正交的分力F FX X、和和F FY Y表示，如图下所示。表示，如图下所示。yx第29页，本讲稿共57页A铰链支座结构简图结构简图约束反力约束反力第30页，本讲稿

20、共57页第31页，本讲稿共57页（2 2）固定铰链支座）固定铰链支座v约束特点约束特点：如果中间铰链中的构件之一与地基或机架相连，便如果中间铰链中的构件之一与地基或机架相连，便构成固定铰链支座。构成固定铰链支座。v约束反力的确定约束反力的确定：约束反力通过销轴中心，方向随主动力方向约束反力通过销轴中心，方向随主动力方向而不同，用过销轴中心的两个正交的分力而不同，用过销轴中心的两个正交的分力F FX X、F FY Y表示。表示。x第32页，本讲稿共57页第33页，本讲稿共57页（3）活动铰链支座）活动铰链支座约束特点约束特点：在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光：在上述固定铰支座与光滑固定平

21、面之间装有光滑滚轮而成。滑滚轮而成。约束反力的确定约束反力的确定：构件受到垂直光滑面的约束力。：构件受到垂直光滑面的约束力。第34页，本讲稿共57页（4）链杆约束）链杆约束 两端以铰链与其它物体连接中间不受力且不计自重的刚性直杆称链杆，这种约束反力只能限制物体沿链杆轴线方向运动，因此链杆的约束反力沿着链杆两端中心连线方向，指向或为拉力或为压力。如图所示。链杆属于二力杆的一种特殊情形。结构实例结构实例结构简图结构简图第35页，本讲稿共57页ADCACDACDF 链杆支座第36页，本讲稿共57页链杆链杆常被用来作为拉杆或撑杆而形成链杆约束，如图所示的CD杆。根据光滑铰链的特性，杆在铰链C、D处受有

22、两个约束力FC和FD，这两个约束反力必定分别通过铰链C、D的中心，方向暂不确定。考虑到杆CD只在FC、FD 二力作用下平衡，根据二力平衡公理，这两个力必定沿同一直线，且等值、反向。由此可确定FC和FD 的作用线应沿铰链中心C与D的连线，可能为拉力，如图b所示，也可能为压力，如图所示。故链杆约束也是双面约束。由此可见，链杆为二力杆，链杆约束的反力沿链杆两端铰链的连线链杆为二力杆，链杆约束的反力沿链杆两端铰链的连线，指向不能预先确定，通常假设链杆受拉，如图b所示。第37页，本讲稿共57页补充：固定端约束补充：固定端约束将构件的一端插入一固定物体（如墙）中，就构成了固定端约束。在连接处具有较大的刚性

23、，被约束的物体在该处被完全固定，即不允许相对移动也不可转动。固定端的约束反力，一般用两个正交分力和一个约束反力偶来代替，如图所示。AAFAxmAFAy第38页，本讲稿共57页v受力分析要解决的两个问题：受力分析要解决的两个问题：1 1）确定研究对象；）确定研究对象；2 2）确定研究对象上所受的力（受力分析）。）确定研究对象上所受的力（受力分析）。分离体：分离体：解除约束后的自由物体。解除约束后的自由物体。研究对象往往为非自由体，为了清楚地表示物体的受力研究对象往往为非自由体，为了清楚地表示物体的受力情况，需要把所研究的物体从与它周围相联系的物体中分情况，需要把所研究的物体从与它周围相联系的物体

24、中分离出来，单独画出该物体的轮廓简图，使之成为离出来，单独画出该物体的轮廓简图，使之成为分离体分离体。第四节第四节 构件的受力分析构件的受力分析第39页，本讲稿共57页v根据题目恰当地确定研究对象，研究对象可以是一根据题目恰当地确定研究对象，研究对象可以是一个物体或一个物系；个物体或一个物系；v 取分离体；取分离体；v 在分离体上，画出物体所受的主动力，并标出各主在分离体上，画出物体所受的主动力，并标出各主动力的名称；动力的名称；v 根据约束的类型确定约束反力的位置与方向，画在分离根据约束的类型确定约束反力的位置与方向，画在分离体上，并标出各约束反力的名称。体上，并标出各约束反力的名称。受力分

25、析的一般步骤受力分析的一般步骤第40页，本讲稿共57页v受力图：受力图：在分离体上画上它所受的全部主动力和约束反力，就在分离体上画上它所受的全部主动力和约束反力，就称为该物体的受力图。称为该物体的受力图。v画受力图步骤画受力图步骤：画受力图是解平衡问题的关键，画受力图的一般步骤为：画受力图是解平衡问题的关键，画受力图的一般步骤为：（）根据题意（）根据题意确定研究对象确定研究对象，并画出研究对象的，并画出研究对象的分离体分离体简图。简图。（）在分离体上画出全部已知的（）在分离体上画出全部已知的主动力主动力。（）在分离体上解除约束的地方画出相应的（）在分离体上解除约束的地方画出相应的约束反力。约束

26、反力。第五节第五节 构件的受力图构件的受力图第41页，本讲稿共57页画分离体的受力图的注意事项画分离体的受力图的注意事项v力是物体间相互的机械作用，物体所受每一个力均应清楚哪个是力是物体间相互的机械作用，物体所受每一个力均应清楚哪个是施力物体，以免多画或漏画力；施力物体，以免多画或漏画力；v应严格区分约束反力类型；应严格区分约束反力类型；v注意运用注意运用“作用力与反作用力作用力与反作用力”公理来判断和检查；公理来判断和检查；v柔性约束的约束反力只能是拉力不会是压力；柔性约束的约束反力只能是拉力不会是压力；v特别注意运用特别注意运用“二力构件二力构件”来进行受力分析。来进行受力分析。第42页，

27、本讲稿共57页GADBFTFN例例1:1:一重为一重为G G的球体的球体A A，用绳子，用绳子BCBC系在光滑的铅垂墙壁上，系在光滑的铅垂墙壁上，试画出球体试画出球体A A的受力图。的受力图。GADBC第43页，本讲稿共57页例例2：重量为重量为G G的均质杆的均质杆ABAB，其，其B B端靠在光滑铅垂墙的顶端靠在光滑铅垂墙的顶角处，角处，A A端放在光滑的水平面上，在点端放在光滑的水平面上，在点D D处用一水平绳处用一水平绳索拉住，试画出杆索拉住，试画出杆ABAB的受力图。的受力图。FBFAFDG第44页，本讲稿共57页OCAFFAxFAyFOxFOyOBCADEFCDEFCxFCyFEBA

28、EFBxFByFBxFByFOxFOy例例3：试分别画出每个物体及整体的受力图。试分别画出每个物体及整体的受力图。第45页，本讲稿共57页画出下图中球与杆AB的受力图（忽略杆件的重力）。第46页，本讲稿共57页球的受力分析图球的受力分析图第47页，本讲稿共57页杆杆AB的受力分析图的受力分析图第48页，本讲稿共57页例4如图所示，梯子的两部分AB和AC在A点铰接，又在D、E两点用水平绳联接。梯子放在光滑水平面上，自重不计，在AB的中点H处作用一竖向载荷F。试分别画出绳子DE和梯子AB、AC部分以及整个系统的受力图。第49页，本讲稿共57页(1)取绳DE为研究对象绳子两端D、E分别受到梯子对它的

29、拉力FD、FE的作用，绳DE的受力如图b所示。第50页，本讲稿共57页(2)取梯子的AB部分为研究对象它在H处受载荷F 的作用，在铰链A处受AC部分给它的约束反力FAx和FAy的作用。在D点受绳子对它的拉力（与FD互为作用力和反作用力）。在B点受光滑地面对它的法向反力FNB的作用，梯子AB部分的受力如图c所示。第51页，本讲稿共57页(3)取梯子的AC部分为研究对象在铰链A处受AB部分对它的作用力FAx和FAy（分别与FAx和FAy互为作用力和反作用力）。在E点受绳子对它的拉力FE（与FE互为作用力和反作用力）。在C处受光滑地面对它的法向反力FNC，梯子AC部分的受力如图d所示。第52页，本讲

30、稿共57页(4)取整个系统为研究对象由于铰链A处所受的力互为作用力与反作用力关系，即FAx=-FAx，FAy=-FAy；绳子与梯子联接点D和E所受的力也分别互为作用力与反作用力关系，即FD=-FD，FE=-FE，这些力都是系统内各物体之间相互作用的力，称为物体系统的内力内力，内力成对地作用在整个系统内，它们对系统的作用效应相互抵消，因此可以除去，并不影响整个系统的平衡。故内力在受力图中不必画出。在受力图中只需画出系统以外的物体给系统的作用力，这种力称为外力外力。这里，载荷F 和约束反力FNB、FNC都是作用于整个系统的外力。整个系统的受力如图e所示。第53页，本讲稿共57页注意，内力与外力的区

31、分不是绝对的。例如，当我们把梯子的AC部分作为研究对象时，FAx、FAy和FE均属外力，但取整体为研究对象时FAx、FAy和FE又成为内力。可见，内力与外力的区分，只有相对于某一确定的研究对象才有意义。第54页，本讲稿共57页 本节最基本的概念本节最基本的概念本节最基本的概念本节最基本的概念 力力物物体体间间的的相相互互作作用用；力力是是矢矢量量。对对一一般般物物体体而而言言，力是定位矢量；对刚体而言，力是滑移矢量。力是定位矢量；对刚体而言，力是滑移矢量。刚体刚体受力不变形的物体。受力不变形的物体。约约束束物物体体与与物物体体之之间间接接触触和和连连接接方方式式的的简简化化模模型型，约束的作用是对与之连接物体的运动施加一定的限制条件。约束的作用是对与之连接物体的运动施加一定的限制条件。约束力约束力约束与被约束物体之间的相互作用力。约束与被约束物体之间的相互作用力。平衡平衡平衡平衡刚体相对惯性系静止或作匀速直线平移。刚体相对惯性系静止或作匀速直线平移。课后小结课后小结第55页，本讲稿共57页本章小结本章小结画受力图三步:分离体分离体主动力主动力约束力约束力检查”三不”:不多不多 不漏不漏 不错不错第56页，本讲稿共57页 谢谢大家！第57页，本讲稿共57页