第一章-物体受力分析及其平衡条件优秀PPT.ppt
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1、研究对象构件,指宏观可见物体,如桥梁、汽车、塔、化工设备等。构件的状态探讨处于平衡状态构件。平衡状态构件在外力作用下相对于地面是静止或匀速运动。第1章物体受力分析及其平衡条件本章探讨内容构件在外力作用下处于平衡状态时遵循的规律。构件平衡时的受力分析由平衡条件求未知力大小与方向重点:受力分析(forceanalysis)平衡条件(balancecondition)包括两方面内容:1.1物体受力分析受力图1.1.1基本概念1.力力是物体间相互机械作用。力不能脱离物体而存在力的作用效果:外效应使物体运动状态发生变更内效应物体在力的作用下发生变形或破坏刚性体构件在外力作用下形态、尺寸保持不变。注:在对
2、构件受力分析时可认为构件为刚性体。在分析构件受力变形时不行认为构件是刚性体。力有三要素力有大小、方向和作用点力有方向性,力是矢量表示力的大小的国际单位(SI)牛顿(N)工程上以千牛(KN)表示:1KN=1000N有时用千克力(kgf)表示:1kgf=9.8N力三要素用带箭头线段表示:如图:线段AB长度表示力的大小AB所在线mn线表示力的作用线表示力的大小量标量白色字母F表示表示力的大小与方向矢量黑色字母F表示A点力的作用点1.1.2静力学公理力有四条基本性质(1)二力平衡条件一个刚体只受两力作用处于平衡,二力确定大小相等,方向相反,作用在同始终线上。刚体形态不影响二力平衡性质二力平衡条件简称二
3、力等值,反向,共线。二力平衡前提条件:力作用体为刚性体对刚性体受拉受压不变形。条件成立FA=FBFF=F F 对非刚性体如,松软体(绳索类)只受两个力作用 构件处于平衡状态。受拉时 FA=FB二力平衡条件成立。受压时 柔绳不能承受压力,FA,FB不存在,不能平衡。如图表示二力作用刚体构件构件处于平衡,则FA=-FBFA,FB称为一对平衡力平衡力概念:二力等值,反向,共线,作用在同一物体上。留意:平衡力必需满足四条件,否则不是平衡力。二力构件在两力作用下,处于平衡构件,构件为杆状时,二力杆。二力杆在二力作用下平衡的刚性杆状构件。注:工程上杆件指长度远大于截面尺寸。此时二力不共线也可近似二力杆,但
4、对长度和截面尺寸相差不大时,二力不共线,则不是二力杆。力 系 概 念同一物体受力数n2,物体受 到力系作用。平 衡 力 系同一物体在受力数 n2个力 作用下平衡,力系称为平衡力系。加减平衡力系原理:作用在刚体上任一力系中,加上或减去任一 平衡力系,物体的运动状态不变,即不变更力 的外效应,但变更力的内效应,即加足够大平 衡力系时,构件可能破坏。(2)加减平衡力系原理和力的可传性原理如图:在多个力系作用下,匀速运动物体,增加或减去任一平衡力系,运动不变。得出推论力的可传性原理 即作用在刚体上的力可沿作用线移到 刚体上任一 点,不变更力对刚体作用的外效应。一小车在水平力作用下,将水平力沿作用线移到
5、小车上任一点,小车运动状态不变。可见:力作用点不是确定力作用效果要素,研 究力对物体外效应时,力可沿作用线滑 动,力视为滑动矢量。假如假如不沿力的作用线移动,如图 留意:力可传性只适用于刚体 物体受力不变形。适用于探讨力的外效应。对非刚性构件,求变形大小时,力的可传性不适用。不适用于探讨力的内效应 对探讨力效应,力的作用点确定力的作用效果。力为固定矢量 有一橡皮绳在力作用下伸长,变更一力作用点,显示出伸长量不同。(3)力的平行四边形法则合力:作用在刚体上多个力,假如用一个力代替,而不变更力对刚体作用的外效应,此力为合力。力系中各力为分力。a:力的平行四边形法则合力大小与方向由分力为邻边所画平行
6、四边形对角线表示。两共点力合成作用于物体上 任一点两力合成后合力也作用 于该点。由图表示共点力合成两个力的合成由分力求合力 平行四边形法 三角形法留意:力为矢量,不能简洁相加,除非有同一作用线,否则用平行四边形法合成。矢量和表示:R=F1+F2 b:力的合成三角形法 以F1末端为F2始端画出F2(平行于原F2),将F2末端与F1始端连线 即为合力R。力的分解 将作用于物体上一个力分解为两个分力,分力合力共点。如图 具有同一对角线平行四边形由无穷 多个,力的分解无穷多。工程一般将力分解为已知方向的两力或两互 相垂直的分力。如图:分解相互垂直力正交分解 F1,F2为正交分力。三力平衡定律 物体受三
7、力作用处于平衡,其中两力作用线相交一点,则第三力作用线也必相交同一点。可以证明:如图 三力作用物体,物体平衡,两力作用线交于一 点。由力的可传性原理将F1,F2移到O点求 与合力R 物体在R和F3两力作用下平衡,则为二 力平衡构件。F3与R必等值,反向共线。三力作用线必交于一点。(4)作用与反作用定律 特点:作用与反作用力同时存在,等值,反向,共线。作用于两物体上。如图:留意:作用与反作用力与平衡力有本质区分。作用与反作用力两力作用在两个物体上。平衡力两力作用在 同一物体上。如:地球对物体引力 作用力与反作用力1.1.3 1.1.3 约束与约束反力约束与约束反力自 由 体:物体在空间上沿随意方
8、向移动不受限制。(free-body)如失重下,太空中物体。非自由体:物体在某些方向受到限制,不能自由移动。如门、窗。约 束 体:限制或阻碍非自由体运动的物体。主动力(driving force):能主动引起物体运动状态 变更或有变更趋势。如重力、风力、拉力等。工程上主动力称为载荷。约束反力约束体作用在非自由体上的力,简称反力。约束体与非自由体之 间存在一对作用力与反作用力。约束反力方向总与该约束所限制的运动方向相反。可由约束性质确定。大小由力系平衡条件定。如图:将墙上一钉子拔出。1.柔性约束由柔性软物体如绳、钢丝等产生的约束。如图:特点:拉直才有约束。阻挡沿柔性阿体伸长方向运动。约束反力背离
9、被约束自由体。工程上常见几种约束类型:PPTS1S1S2S2特点:非自由体与约束体接触面光滑,约束只能限制非自由体沿支承面方向 运动,不能限制沿其切线方向运动。(1)光滑面约束如图:光滑面上有物体2.刚性约束PNNPNANB(2)圆柱铰链约束铰链约束特点:只能阻挡两物体相对移动,不限制相对转动。约束反力常用两个正交分力表示铰链支座用铰链连接两物体,其中一个固定不动,成为铰链约束。(简称铰支)铰支分为固定铰支:支座相对于地面固定不动可动铰支:支座相对于地面可转动a、固定铰支(固定铰链支座)如图:固定在基座上的杆与销子结构,销子对杆约束为固支。固定支座简化示意图与约束反力简化特点:A可转支座转动,
10、不能移动,支座相对于地面是固定不动。b、可动铰支(可动铰链支座)如汽车轮子驱动轴相对轮子可转动,轮子相对地面又可运动。简化示意图与约束反力简化特点:A可绕支座相对转动,不能相对移动,支座相对地面可移动。化工上运用的卧式换热器,常常一端为固定铰支,另一端为可动铰支,如图。1.1.4物体受力分析和受力图画受力图目的:将困难工程问题抽象简化成简洁力学模型,以便求解各力。中心问题对非自由体进行受力分析分离体解除构件约束,用约束反力代替约束,此构件称为分别体。分别体受力分析1确定探讨对象,取分别体3画出分别体受力图2分析探讨对象受力状况,分清主动力和约束反力(作用力与反作用力)对分别体解除约束用约束反力
11、代替约束。将分别体受到的力表示在构件上,画出受力图。例1:如图钢架桥上,静止一卡车,分析桥受力研究对象桥桥受力状况两端约束力,本身重量及汽车压力。画受力图解除约束,用约束反力代替,形成分别体。桥受力模型例2:如图有一支承架(不计杆自重)上作用一重物(支承架各处铰支)。画出各杆件受力图。1、各杆件受力分析重物受力分析探讨对象重物受力状况支承约束和重力受力图解除约束,约束反力代替约束重物受力图斜杆受力分析受力状况两端为固定铰支,解除约束,约束反力方向未知,用一对相互垂直正交力表示约束反力。斜杆受到两约束反力作用而平衡属于二力杆。两约束力等值、反向、共一线。斜杆受力图斜杆受力可简化为水平杆受力状况两
12、端约束,重物压力。解除约束,画受力图。水平杆在互不平行三力作用下平衡由三力平衡定理得三力交于一点。C端约束反力SC为正交分力的合力,为真实的约束反方向。S Sc cS SB BS SB B X XA AY YA AQQ悬臂吊车的受力分析悬臂吊车的受力分析习题:3(c、e、f、i、l),4,61.2平面汇交力系的简化与平衡中心问题由力系平衡条件求未知力的大小与方向三种力系1平面汇交力系作用物体上各力作用线在同一平面,且汇交于一点。2平面一般力系3空间随意力系(本书不讲)平面汇交力系简化与平衡的方法几何法解析法1.2.1平面汇交力系简化与平衡的几何法如图:三个汇交力合成1、简化几何法力系简化本质力
13、系的合成两个汇交力系合成用平行四边形法或三角形法多汇交力系合成方法连续运用力的三角形法将力系各力矢量按方向依次首尾相接成折线,用一矢量连接折线首尾构成力的多边形,封闭边为合力R。推论平面汇交力系简化结果为一个合力,等于力系各分力矢量和。合力作用线通过各分力汇交点,大小、方向由力多边形表示。力的合成几何法力的多边形法留意:变更各力合成依次,力多边形形态变更,合力大小、方向不变。各分力首尾相接,合力矢量与此相反。力系简化为一个合力存在两种状况R0表示原力系为非平衡力系,物体处于不平衡状态。R=0力系是平衡力系,物体处于平衡。2、平面汇交力系平衡几何条件平面汇交力系作用下物体平衡的充要条件合力为0汇
14、交力系平衡几何条件力系中各分力构成力多边形自行封闭。由汇交力系平衡几何条件求未知力方法1、由已知力大小与方向画出封闭多边形2、由尺、量角器或三角公式求未知力大小与方向。解:取吊钩为探讨对象,解除约束:吊构受力图,TAB=TACT=G吊构处于平衡例:如图,通过定滑轮匀速拉动一重量G,钢索AB,AC与垂直夹角为a,不计吊索重。由平衡几何条件:力多边形自行封闭。如图三角关系得:2TACcosa=T=GTAC=TAB=G/2cosa求AB,AC中拉力。1.2.2平面汇交力系简化解析法简化的解析法建立适当的坐标系,将各力在坐标轴上投影,然后合成求出合力。1、力在坐标系上投影如图:一力F作用于物体A点,对
15、F进行投影。(1)任建一坐标系y-x,F与x轴夹角a.(2)过F两端点A,B向x和y作垂线得垂足a,b和a,b线段ab和ab分别为F在x,y投影(3)投影后是代数量,有大小,有正负,正负规定如下:留意:力的投影与力的重量是有本质区分,投影是代数量,有大小与正负;力的分量是矢量,有大小与方向。力与坐标轴垂直,投影为0。力与坐标轴平行,投影数值于力的本身。投影指向与坐标轴一样为正,反之为负。即当F方向与x或y坐标方向一样为正。投影量x=Fcosa,y=Fsina投影数值分别等于力F在x,y轴的分力数值。2、合力投影定律探讨平面力系中各力在坐标轴投影如图:随意三个力作用于物体A 点,其合力为R。用力
16、的多边形求合力。几个力在坐标轴投影关系如图建立坐标进行投影求投影代数和x1与y3投影方向与坐标轴相反为负。x1+x2+x3=Rxy1+y2+y3=Ry推广到三个以上平面汇交力系有Rx=x1+x2+-+xn=xiRy=y1+y2+-+yn=yi合力投影定理合力在任一轴上投影等于各分力在同一轴上投影代数和。3、平面汇交力系简化的解析法简化的解析法实质将矢量和转化代数和,求出合力。求合力方法:(1)任设始终角坐标系,求各分力在坐标轴投影(2)分力在各坐标轴投影代数相加得合力投影值Rx,,Ry(3)由Rx,Ry求RR=(4)求合力与x轴夹角atga=Ry/Rx(5)合力方向由Rx,Ry正负确定Rx,R
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