《工程力学》教学课件第一章静力学的基本.ppt

工程力学,长江三峡工程,航空航天,上海南浦大桥,我国著名桥梁,南京长江大桥,澳 门 桥,高层建筑,四川彩虹桥坍塌,工程力学是一门主要基础课。通过本门课程的学习，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，从而使学生能对简单工程问题进行定性分析。,课程简介,工程力学分为理论力学和材料力学两部分。,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 的方法。,静力学,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 度、加速度等），而不研究引起物体运动的物理 原因。,运动学,动力学,研究受力物体的运动和作用力之间的关系。,材料力学部分包括杆件的四种基本变形（轴向拉伸与压缩 、剪切与挤压、扭转 、弯曲）的内力、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。,材料力学的研究对象和内容,第一节 静力学的基本概念 第二节 静力学的基本公理 第三节 约束与反约束力 第四节 构件的受力分析 第五节 构件的受力图,第一章 静力学的基本 概念和受力分析,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）、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），掌握常用约束的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受力图。,教学目的和要求,静力学的四个基本概念； 三个静力学基本公理和平行四边形法则； 工程中常见的约束反力的特点及受力图； 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,静力学基本公理的应用和推论； 常见约束的区分与约束反力的画法； 构件受力分析的方法步骤和受力图的画法。,教学难点,一、刚体,刚体在力的作用下，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抽象化力学模型（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结果足够精确，既是工程分析允许的也是认识力学规律所必需的。但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。,第一节 静力学的基本概念,二、平衡,平衡物体相对于惯性参考系处于静止或作匀速直线运动状态。 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。 相对于地球不动的参考系称为惯性参考系。 平衡力系 一个物体受某力系作用处于平衡，则此力系称为平衡力系。 力系使物体平衡而需要满足的条件称为力系平衡条件。,三、力,1.力是物体间的相互机械作用。 2.力对物体作用效应 外效应：使物体的运动状态发生改变； 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“F”表示。 4.力的三要素：力的大小、方向、作用点。 5.力的单位：牛顿（N）或千牛（kN）。,（ 力F用有向线段表示）,分布力和集中力,四、力系,力系作用于物体上的一群力。 合力：若一个力和一个力系等效，则这个力就称为该力系的合力。 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力的过程，称为力系的简化。,力系的分类,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：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。 空间力系：所有力的作用线不在同一平面内的力系。 空间汇交力系：作用线汇交于一点的空间力系； 空间平行力系：作用线相互平行的空间力系； 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。,静力学公理概括了力的各种性质，是静力分析的理论基础。 公理1：二力平衡公理 作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡的必要和充分条件是：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。 矢量式：F1=F2；,第二节 静力学的基本公理,二力构件,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足的条件。 工程上受两个力作用而平衡的刚体称为“二力构件”或“二力体”。二力构件平衡时其所受的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。,F1,F2,在进行构件受力分析时，能正确判断其是否为二力构件，可使问题顺利解决。这点很重要！,F1,F2,F2,F1,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：FR=F1+F2,公理2：力的平行四边形法则,公理3 加减平衡力系原理,推论1 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，并不改变 原力系对刚体的作用 。,推论 2 三力平衡汇交定理,平衡时F3必与 F12 共线则三力必汇交O 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。,公理4 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，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。,约束：对非自由体的位移起限制作用的物体。,约束力：约束对非自由体的作用力。,约束反力,大小待定；,方向与该约束所能限制的位移方向相反；,作用点接触处。,第三节 约束与反约束力,1 、柔性约束由柔软的绳索、链条或者皮带等构成的约束。,工程常见的约束,只能限制物体沿柔体伸长方向的运动,只能受拉，不能受压； 柔性约束反力确定:作用于触点,沿柔体中心,背离被约束物体； 约束反力符号：柔性约束反力用 T表示。,（接触面摩擦力很小可忽略不计时） 约束特点: 只能限制沿接触点的法线方向趋向支承面的运动； 约束反力的确定： 通过接触点，沿着接触面公法线方向，指向被约束的物体，即物体受压。 光滑接触的约束反力通常用N 表示。,2、光滑面约束, 反力特征：,组成及特点： 两物体分别钻有直径相同的圆柱形孔，用一圆柱形销钉连接起来，在不计摩擦时，即构成光滑圆柱形铰链约束，简称铰链约束。,3 、圆柱铰链约束,圆柱铰链约束分类,中间铰链 固定铰链支座 活动铰链支座 连杆约束,（1）中间铰链约束,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动，例如发动机中连杆与活塞、连杆与曲轴的联接。 约束特点：两零件均可相对转动又互相制约。 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FX、和FY表示，如图下所示。,（2）固定铰链支座,约束特点：如果中间铰链中的构件之一与地基或机架相连，便构成固定铰链支座。 约束反力的确定：约束反力通过销轴中心，方向随主动力方向而不同，用过销轴中心的两个正交的分力FX、FY表示。,（3）活动铰链支座,约束特点：在上述固定铰支座与光滑固定平面之间装有光滑滚轮而成。 约束反力的确定：构件受到垂直光滑面的约束力。,（4）连杆约束,约束特点：但链杆只能限制物体沿其中心线方向的运动，而不能限制其他方向的运动。 约束反力的确定：约束力的作用线一定是沿着链杆两端铰链的连线，指向待定。,受力分析要解决的两个问题： 1）确定研究对象； 2）确定研究对象上所受的力（受力分析）。 分离体：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情况，需要把所研究的物体从与它周围相联系的物体中分离出来，单独画出该物体的轮廓简图，使之成为分离体。,第四节 构件的受力分析,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； 取分离体； 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； 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。,受力分析的一般步骤,受力图：在分离体上画上它所受的全部主动力和约束反力，就称为该物体的受力图。 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： （）根据题意确定研究对象，并画出研究对象的分离体简图。 （）在分离体上画出全部已知的主动力。 （）在分离体上解除约束的地方画出相应的约束反力。,第五节 构件的受力图,画分离体的受力图的注意事项,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； 应严格区分约束反力类型； 注意运用“作用力与反作用力”公理来判断和检查； 柔性约束的约束反力只能是拉力不会是压力； 特别注意运用“二力构件”来进行受力分析。,G,A,D,B,FT,FN,例1 : 一重为G的球体A，用绳子BC系在光滑的铅垂墙壁上，试画出球体A的受力图。,例2：重量为G的均质杆AB，其B端靠在光滑铅垂墙的顶角处，A端放在光滑的水平面上，在点D处用一水平绳索拉住，试画出杆AB的受力图。,FB,FA,FD,G,例3 ： 试分别画出每个物体及整体的受力图。, 本节最基本的概念,力物体间的相互作用；力是矢量。对一般物体而言，力是定位矢量；对刚体而言，力是滑移矢量。,刚体受力不变形的物体。,约束物体与物体之间接触和连接方式的简化模型，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。,约束力约束与被约束物体之间的相互作用力。 平衡刚体相对惯性系静止或作匀速直线平移。,课后小结,本章小结,画受力图三步:,分离体 主动力 约束力,检查”三不”:,不多 不漏 不错,谢谢大家！,