理论力学概念和公理.ppt
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1、第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析理论力学(理论力学()哈尔滨工业大学理论力学教研组哈尔滨工业大学理论力学教研组主讲:张天军主讲:张天军 教授教授单位:理学院力学系单位:理学院力学系电话:电话:地点:地点:2-3-404第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析本课程的性质和任务本课程的性质和任务理论力学是各门力学的基础,并在许多工程技术领域中有广泛的应用。它是工程力学、机械、采矿、土建等专业的专业基础核心课程。其任务是使学生掌握质点、质点系和刚体机械运动的基本规律和研究方法,为学习后续课程打好基础;初步学会用理论力学的理论和方法分析、解
2、决一些简单的工程实际问题;结合本课程的特点,培养学生的辩证唯物主义世界观,使学生在逻辑思维、抽象化能力、自学能力、表达能力以及数学计算能力上得到培养和提高。第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析课程安排课程安排课程安排课程安排讲课:讲课:80课时(课时(16周)周)复习考试:复习考试:24课时课时课时总计:课时总计:80课时课时成绩:平时成绩:平时10%+期中考试期中考试20%+期末考试期末考试70%平时成绩组成:作业平时成绩组成:作业+平时平时+奖励奖励作业要求用铅笔直尺绘图,认真独立完成,星作业要求用铅笔直尺绘图,认真独立完成,星期四下午答疑期四下午答疑第一章第
3、一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析 一、理论力学的研究对象二、理论力学的研究方法三、理论力学的任务及其研究内容四、理论力学的发展史绪论绪论第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析 机械运动:机械运动:是物体在空间的位置随时间的变化。一、理论力学的研究对象一、理论力学的研究对象理论力学:理论力学:是研究物体机械运动一般规律的一门学科。二、理论力学的研究方法二、理论力学的研究方法 是从实践出发,经过抽象化、综合、归纳、建立公理,再应用数学演绎和逻辑推理而得到定理和结论,形成理论体系,然后再通过实践来验证理论的正确性。第一章第一章 静力学公理和物体的
4、受力分析静力学公理和物体的受力分析 三、理论力学的任务及其研究内容三、理论力学的任务及其研究内容理论力学静力学研究力系的简化与平衡条件运动学 单纯从几何观点研究物体的运动学性质 为了研究上的方便动力学 研究作用于物体上的力与运动之间的关系理论力学理论力学高等数学高等数学材料力学材料力学机械原理机械原理机械零件机械零件流体力学流体力学结构力学结构力学弹性力学弹性力学土力学土力学机械类土建类第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析 早在(公元前287212)古希腊阿基米德著的论比重就奠定了静力学基础。意大利的达.芬奇(14521519)研究滑动摩擦、平衡、力矩。波兰的哥白
5、尼(14731543)创立宇宙“日心说”。德国的开普勒(15711630)提出行星运动三定律。意大利的伽利略(15641642)自由落体规律、惯性定律及加速 度的概念。四、理论力学的发展史四、理论力学的发展史第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析 英国伟大科学家牛顿(16431727)在1687年版的自然哲学的 数学原理一书总其大成,提出动力学的三个基本定律,万有引力定律,天体力学等。是力学奠基人。瑞士的伯努利(16671748)虚位移原理。瑞士的欧拉(17071783)著出力学用微分方程研究。法国达朗伯(17171785)名著动力学专论达朗伯原理。法国拉格朗日(1
6、7361813)提出第二类拉格朗日方程。第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析第一章第一章 静力学的基本概念静力学的基本概念和公理和公理静力学公理和物体的静力学公理和物体的受力分析受力分析 静静静静 力力力力 学学学学第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析 15 受受 力力 分分 析析 和和 受受 力力 图图 14 约约 束束 和和 约约 束束 反反 力力 13 静静 力力 学学 公公 理理 12 力力 1 1 刚刚 体体第一章第一章 静力学公静力学公理和物体理和物体的受力分的受力分析析 静静 力力 学学第一章第一章 静力学公理和物体的受
7、力分析静力学公理和物体的受力分析11 刚刚 体体第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析刚体是一种理想的力学模型。刚体是一种理想的力学模型。一个物体能否视为刚体,不仅取决于变形的大小,而一个物体能否视为刚体,不仅取决于变形的大小,而且和问题本身的要求有关。且和问题本身的要求有关。刚体在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变在外界的任何作用下形状和大小都始终保持不变的物体。的物体。或者在力的作用下,任意两点间的距离或者在力的作用下,任意两点间的距离保持不变的物体保持不变的物体。11 11 刚刚 体体第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析12
8、 力力12 12 力力第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析12 力力1 1.力的定义 力是物体相互间的机械作用,其作用结果使力是物体相互间的机械作用,其作用结果使物体的形状和运动状态发生改变物体的形状和运动状态发生改变。确定力的必要因素3.力的三要素大小大小 方向方向作用点作用点2.力的效应外效应外效应改变物体运动状态的效应。改变物体运动状态的效应。内效应内效应引起物体变形的效应。引起物体变形的效应。力的定义力的定义第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析4.力的表示法5.力的单位力是一矢量,用数学上的矢量记号力是一矢量,用数学上的矢量记
9、号来表示,如图。来表示,如图。F 在国际单位制中,力的单位是牛顿在国际单位制中,力的单位是牛顿(N)1 N=1公斤公斤 米米/秒秒2(kg m/s2)。12 力力第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析13 静力学公理静力学公理13 13 静力学公静力学公里里第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析13 静力学公理静力学公理1.基本概念力 系 作用于同一物体或物体系上的一群力。作用于同一物体或物体系上的一群力。等效力系 对物体的作用效果相同的两个力系。对物体的作用效果相同的两个力系。平衡力系 能使刚体维持平衡的力系。能使刚体维持平衡的力系。分
10、 力 一个力等效于一个力系,则力系中的各一个力等效于一个力系,则力系中的各 力称为这个力(合力)的分力。力称为这个力(合力)的分力。合 力 能和一个力系等效的一个力。能和一个力系等效的一个力。基本概念基本概念第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析2.公理公理一(二力平衡公理)要使要使刚体刚体在两个力作用下维持平衡状态,必须也只在两个力作用下维持平衡状态,必须也只须这两个力大小相等、方向相反、沿同一直线作用。须这两个力大小相等、方向相反、沿同一直线作用。公理二(加减平衡力系公理)可以在作用于可以在作用于刚体刚体的任何一个力系上加上或去掉几的任何一个力系上加上或去掉几个
11、互成平衡的力,而不改变原力系对刚体的作用。个互成平衡的力,而不改变原力系对刚体的作用。公理一公理一 公理二公理二13 静力学公理静力学公理第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析推论 (力在刚体上的可传性)作用于作用于刚体刚体上的力,其作用点可以沿作用线在该刚上的力,其作用点可以沿作用线在该刚体内前后任意移动,而不改变它对该刚体的作用体内前后任意移动,而不改变它对该刚体的作用。=F F1 1=F F2 2=F=FF FABF FABF F2 2F F1 1F F1 1AB13 静力学公理静力学公理 公公公公 理理理理推论推论第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力
12、学公理和物体的受力分析即,即,合力为原两力的矢量和合力为原两力的矢量和。A 公理三(力平行四边形公理)作用于作用于物体物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力,即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的一个力,即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。的力平行四边形的对角矢来表示。F F1 1F F2 2F FR R公理三公理三矢量表达式:矢量表达式:矢量表达式:矢量表达式:F FR R=F=F1 1+F+F2 213 静力学公理静力学公理 公公公公 理理理理第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分
13、析 公理三(力平行四边形公理)作用于作用于物体物体上任一点的两个力可合成为作用于同一点的上任一点的两个力可合成为作用于同一点的一个力,即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力一个力,即合力。合力的矢由原两力的矢为邻边而作出的力平行四边形的对角矢来表示。平行四边形的对角矢来表示。AF F1 1F F2 2F FR R公理三公理三AF F1 1F F2 2F FR RAF F1 1F F2 2F FR R力三角形法13 静力学公理静力学公理 公公公公 理理理理第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析推论(三力汇交定理)当刚体在三个力作用下平衡时,设其中两力的作用线当刚
14、体在三个力作用下平衡时,设其中两力的作用线相交于某点,则第三力的作用线必定也通过这个点。相交于某点,则第三力的作用线必定也通过这个点。F F1 1F FF F2 2A=证明:F F1 1F F2 2F F3 3A3AA2A113 静力学公理静力学公理 公公公公 理理理理推论推论第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析F F3 3F FA=A3F F1 1F F2 2F F3 3A3AA2A113 静力学公理静力学公理推论(三力汇交定理)当刚体在三个力作用下平衡时,设其中两力的作用线当刚体在三个力作用下平衡时,设其中两力的作用线相交于某点,则第三力的作用线必定也通过这个
15、点。相交于某点,则第三力的作用线必定也通过这个点。证明:公公公公 理理理理第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析公理四公理四 公理五公理五13 静力学公理静力学公理 任任何何两两个个物物体体相相互互作作用用的的力力,总总是是大大小小相相等等,作作用用线线相相同同,但但指指向向相相反反,并并同同时时分分别别作作用用于于这这两个物体上。两个物体上。公公公公 理理理理公理四(作用和反作用公理)第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析公理五(刚化公理)设设变变形形体体在在已已知知力力系系作作用用下下维维持持平平衡衡状状态态,则则如如将将这这个已变形
16、但平衡的物体变成刚体(刚化),其平衡不受影响。个已变形但平衡的物体变成刚体(刚化),其平衡不受影响。公理四公理四 公理五公理五13 静力学公理静力学公理 公公公公 理理理理第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析14 约束和约束力约束和约束力第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析基本概念基本概念自由体非自由体 可以任意运动(获得任意位移)的物体。可以任意运动(获得任意位移)的物体。运动运动(位移位移)受到某些限制的物体。受到某些限制的物体。1.基本概念14 约束和约束力约束和约束力第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受
17、力分析基本概念基本概念非自由体约束约束力主动力 运动运动(位移位移)受到某些限制的物体。受到某些限制的物体。约束对被约束体(非自由体)的作用力。约束对被约束体(非自由体)的作用力。由周围物体所构成的、限制非自由体位移的条件。由周围物体所构成的、限制非自由体位移的条件。约束力以外的力。约束力以外的力。14 约束和约束力约束和约束力方向第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析2.常见的几种类型的约束柔绳、链条、胶带构成的约束14 约束和约束反力约束和约束反力常见约束常见约束第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析柔绳约束柔绳约束A 约束类型与约束
18、类型与约束类型与约束类型与实例实例实例实例柔绳、链条、胶带构成的约束14 约束和约束反力约束和约束反力F F1 1F F2 2第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析柔绳约束柔绳约束柔绳、链条、胶带构成的约束14 约束和约束反力约束和约束反力 约束类型与约束类型与约束类型与约束类型与实例实例实例实例F F1 1F F2 2第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力分析柔绳约束柔绳约束胶带构成的约束14 约束和约束反力约束和约束反力 约束类型与约束类型与约束类型与约束类型与实例实例实例实例第一章第一章 静力学公理和物体的受力分析静力学公理和物体的受力
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