外文翻译--结构和流体中的力中文版

机械工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译教 科 部： 机械电子工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 外 文 出 处： An Introduction to Mechanical Engineering （用外文写）附 件： 指导老师评语签名： 年 月 日第四章、结构和流体中的力概述 当机械工程师在设计产品，系统和硬件时，他们必须应用数学和物理原理进行建模，分析和预测系统特性。通过有效的工程分析成功的设计是支持的；有效的工程分析依赖于在结构和机构上对力的了解。本章和下一个单元讲述机械工程的这一重点。本章向您介绍力学的主题，这个主题包含了结构和机构在力的作用下要么保持静止，要么保持移动。形成这种现象的基本原理是以牛顿的三大运动定律为基础的：1、 每一个物体都保持静止状态或匀速运动状态，除非在它的外部受到不平衡力的作用。2、 物体的质量为m，受的力为F，物体的加速度与物体受到运动方向相同的力的大小成正比，与物体的质量成反比。这种关系可表示为：F=ma。3、 两个物体之间的作用力与反作用力，大小相等，方向相反，并且共线。4.3力矩 当你想用长柄扳手拧松冻结的螺栓，螺栓更容易转向时。力的趋势（在这种情况下，应用于手柄的一端）使物体旋转称为矩。矩的大小同时取决于所施加的力和力到枢轴点的垂直距离。垂直的力臂矩的大小是由它的定义中找到 (4.8)其中是关于点O的力矩，F是力的大小，d是力到O点的垂直距离。转矩一词也可用于描述作用在杠杆臂上的力的影响，但在电机、发动机或变速箱中机械工程师通常用转矩来代替力矩。我们将在第7章讨论这些应用。 基于方程4.8，Mo单位是力和距离组成的。在美国，矩的单位是磅英寸或磅英尺。在国际单位制中，单位是牛顿米，应用不同的前缀时数值可以是非常大或非常小。例如；5000N-m5KN-m和0.002N-m2mN-m.两个单位之间的转换系数见表4:2，在那里你可以看到1英尺磅1.356N-m。功和能，这是在机械工程中出现的参数，也有是力和距离的乘积单位。例如，在国际单位制中，焦耳（J）被定义为一个牛顿米。它是由一个1牛顿的力通过距离1米的工作量。然而，功和能的物理量跟力矩和转矩有很大的不同，为了要清楚区分它们时，牛顿米的单位（而不是焦耳）应使用在国际单位制中表示力矩和转矩。 表达式Fd可以应用于具体结构的理解。图4.9（a），力F大致向下作用在支架的右侧。有可能力的作用点在支撑杆的底部，标示在图中为点O。该结构可以在该位置分解，且工程师将研究后，以确保它能够支持F。力矩的计算是基于力F的大小和偏离O点的垂直距离。事实上，力F可沿着它的作用线的任何一点施加到支架上，对O点产生的力矩将保持不变，因为d不会改变。力矩的方向是顺时针，因为力F引起后倾旋转的趋势（在这种情况下虽然刚性安装可以防止后倾的趋势）图4.9（b）F的方向已更改。力的作用线将直接通过点O，偏移距离d0。不产生力矩，力趋向于直接从后拉其离开地基。总之，在计算力矩的时候必须考虑力的方向以及它的大小。实例4.3如图4.10所示的开口扳手紧固六角头螺栓和螺母。计算当35磅力被施加到如图所示扳手的两个方向上螺母的中心的力矩。手柄的整个长度，手柄是倾斜的稍微向上。开口端和封闭端中心之间的长度为英寸。解决方案（一）在图4.10（a），35磅的力垂直向下作用。从螺母的中心到力的作用线的垂直距离为d6英寸。该扳手的手柄的倾斜和长度都无关紧要与计算有关的是d；手柄的长度不一定和力臂的垂直距离相同。力矩有大小 (35 1b) (6 in.)210 in. lb17.5 ft.lb力矩方向是顺时针（CW）。（b）在图4.10（b）；力已经转向倾斜一个角度，它的作用线已经变了，测得d为英寸。力矩减少到(35 lb) (5.375 in.)188 in.lb15.7ft.lb我们得到的答案为Mo=15.7英尺磅（CW）。力矩分量 就像我们可以把力分解为两个互相垂直的力；它有时是有用的来计算出力矩的分量之和。力矩被确定为与该力相关联的两个组成部分的总和，而不是力的全部合成值。据计算，力矩被分解，它往往比合力更容易找到各个组成部分的力臂。应用这种技术时，有必要规定符号，了解各分力产生的力矩是顺时针还是逆时针：为了说明这种方法，我们计算如图4.11所示的矩点的力矩。首先我们选择以下符号规定：那就是力矩顺时针为正，逆时针为负。符号规定只是一种簿记工具结合了各种顺时针和逆时针力矩分量。对O点的力矩顺时针方向都带有一个正号；而另一个方向的力矩为负。这种正方向和负方向的选择是任意的;；我们可以简单地选定逆时针的方向为正。然而，一旦符号规定好后，我们坚持始终如一地遵循它。图4.11（a）。力被分解为分量Fx和Fy。而不是确定从O点到力F垂线的距离，理应涉及到几何关系，这是我们希望避免的，我们不需要单个计算Fx和Fy杠杆臂的距离，这是更直接的。保持符号约定，对O点的力矩变为。每个对 Mo 产生的力矩都是正的，因为Fx ，Fy每个都引起顺时针旋转的趋势。它们的作用是要合并起来的。F的方向已经在图4.11（b）中变化了。当分力Fx 还是形成正的力矩，分力Fy现在对O点产生逆时针的力矩。因此有一个负的力矩，总的力矩变成了。此处是用两个分量的解合并的方法。在特殊情况下，这两个力矩恰好抵消。在这种情况下的力矩为零因为F作用线直接穿过O点，如图4.9（b）。一般情况下力矩的表达式，我们写为 (4.9)正负号是由分量是顺时针或逆时针所决定的：不管你使用什么方法计算力矩，当报答案时你应该说明（1）力矩的数值的大小，（2）单位，（3）方向。您可以通过使用符号指明方向，前提是您也表明了符号规定在你的图上。符号的顺时针或逆时针表示力矩的顺时针或逆时针也是非常有用。实例4.4在可调扳手施加250-N的力确定螺母中心的力矩，图4.12中的处理。使用（a）垂直杠杆臂的方法，（b）一组分力的方法。解决方案 （a）如图4.13（a）所示，我们表示螺母的中心点为A，施加力的点为B，使用给定的尺寸，距离AB的计算值虽然这是从点A到在其中施加力的位置的距离，它不是垂直的杠杆臂的距离d。为此，我们需要计算的实际长度是作用力倾斜35的垂直距离，垂直力的作用线是与水平面成35的角。如图4.13（a）；AB线位于水平线以下tan-1（75/200）20.6，从AC偏移。因此，正确的杠杆臂的距离成为。扳手的力矩为。方向为顺时针（CW）。 （b）在图4.13（b）中，该250-N的力被分解为两个分力。水平分量（250N）sin35143N，垂直分量（250N）cos35205N。这些分量的方向分别向左、向下，他们对点A都产生顺时针力矩的作用。在图4.13（b）中，我们已经规定顺时针的力矩为正号。通过累加每个分量的力矩，我们得到 因为最终的结果是正的，力矩的方向为顺时针。4.4力和力矩的平衡现已确定力和力矩的基本属性，我们接下来的任务是计算作用于其他结构和机器的（未知）力通过目前（已知）的力。这个过程涉及到应用静力平衡的原则，即要么是静止的或移动的等速系统。在任何情况下，没有加速度的存在，并根据运动规律，作用在系统上的合力为零。质点和刚体一个机械系统可以包括单一的对象（例如，发动机活塞）或多个对象连接在一起（整个发动机）。当物体的物理尺寸在计算力的时候是不重要的，该对象被称为一个质点。这一概念将一个对象集中为一个点，而不是分布在一个扩展的面积或体积上。为了达到解决问题的目的，因此，一个粒子可以被视为具有可忽略不计的尺寸。另一方面，如果一个对象的长度，宽度，和面积是重要的问题，它被称为一个刚体。当看到航天飞机的运动，它绕地球运行，例如，飞船被视为质点由于其尺寸相对于轨道的大小是小的。然而，当航天飞机在着陆和工程感兴趣的的空气动力学性能和飞行特性，将不被视为一个刚体。如图4.14说明应用到质点和刚体力之间的区别；你可以看到一个力不平衡可能导致刚体转动。如果一个平衡力作用在质点上面，产生平衡。因为力作为矢量，最终必须为零在两个垂直方向上，我们标为x和y： (4.10)对于刚体处于平衡状态，它是必要的，（1）所有的合力为零，（2）净力矩为零。当这些条件得到满足，对象没有移动（反应部队）或转动（反应时间）的趋势。刚体的平衡要求，涉及方程4.10和 (4.11)Moi的书写方式被用来表示对O点施加的第i个力矩。总之，公式4.10两个关系注明，无论是在x或y方向都没有净力作用，方程4.11注明没有净力矩往往造成旋转。 符号规定是一个簿记方法来区分力作用在相反的方向，力矩的方向是顺时针或逆时针。在平衡方程求和时包括了所有的力和力矩，他们的方向和大小是预先已知的。在问题开始的时候代数变量求和总是包含未知的力在他们当中，然后列平衡方程时应用确定的数值。从数学上讲，一个刚体的平衡方程是一个包括三个未知的力和力矩的线性方程组。这个特性的一个含义是，以定它确是可能的最多三个未知量时，方程4.10-4.11应用到一个单一的刚体。通过对比；要求一个质点平衡时，力矩方程是没有用的。因此，产生两个独立的方程，可以确定只有两个未知数。这是不可能获得更多独立的方程分解通过点的力矩，或在不同的方向求合力。附加方程仍然有效，但它们将仅仅是其他（已经派生）那些组合。因此，它们将不提供新的信息。当你解决平衡问题，你应该检查一下，你的独立方程比未知量多。自由体图自由体图（简称FBD）是草图用来分析作用在结构和机器上的力和力矩，它们的建立是一项重要的技能。FBD是用来识别的机械系统，经过检查，表示所有存在的已知和未知的力。当绘制FBD要经过三个主要步骤：1。选择一个对象，将采用平衡方程分析。试想一下，一个细虚线围绕着对象绘制，请注意线将如何切入和表示各种力。虚线内的一切都与周围分开并应该出现在图中。2。坐标系统绘制在旁边来指示力和力矩的正号。这将是毫无意义的汇报答案，说，“-25米”或“+250磅”没有定义与所述正号和负号相关联的方向。3。在最后一步中，所有的力和力矩的绘制与标注。这些力可能代表重力或自由体和其他对象接触之间的力，物体被分离时这些力也被移除，。当力是已知的，其方向和大小应写在图中。力是即使它们的大小和方向不知道在这一步骤中，分析已知：如果力的方向是未知的（例如，向上/向下或向左/向右），你应该绘制它用一种方式或其他方式在FBD中，或者用你的直觉为导向。应用平衡方程和一贯使用符号规定后，正确的方向可以通过计算确定。如果你找到的数量是正的，那么你知道，选择了正确的方向。另一方面，如果值是负的，结果只是意味着力与假定的方向相反。实例4.5一种汽车碰撞测试中，膝部和肩部安全带各张紧到300磅，如图4.15所示（a）。处理扣b作为一个质点，（a）画的自由体图，（b）确定锚带AB张力T，（c）确定T作用的角度。 解决方案（a）扣的自由体图如图4.15（b）。XY坐标系统也画出来表示我们对正的水平和垂直方向的符号规定。三力作用于扣：两个给定的300磅力和锚带未知力。由于扣处于平衡状态，这三种力必须平衡。虽然两者的幅度T和在带AB力的方向是未知的，两个量都在自由体图上完整地表示出来了。（b）我们通过使用矢量多边形的方法连接三个力，如图4.15（c）。多边形的起点和终点都是一样的，因为三个力一起作用的合力为零；即多边形的开始和结束点之间的距离是零。张力利用余弦定理确定（斜三角形方程在附录B进行了综述）的边角边三角形如图4.15（c）：我们计算： （c）锚带的角度由正弦定理： o 实例4.6一对钢丝钳如图4.16所示。机械师在手柄施加70-N的抓握力。在电线上的切削力的幅度是多少？解决方案规定力和力矩的坐标系统和正方向，如图4.17所示。接下来我们绘制自由体图的一个夹爪/手柄组件，这被视为一个刚体，因为它可以旋转并且和力之间的距离是显著的问题：当一个刀片压紧导线，电线反过来作用在刀刃的（未知）力A。力B是通过铰链销施加，连接两个夹爪/手柄件。70-N的抓握力作用在手柄的端部并在FBD显示。图4.17中完成的自由体图，作用在刚体上的切削力是通过应用平衡方程求得。在垂直方向上力的平衡条件是 有两个未知数，A和B，因此需要额外的方程。通过对B点的力矩，我们有 负号的存在，因为70牛顿的力对B点产生一个逆时针方向的力矩。切削力求得A315 N，经过回代，B385 N。因为这些都是正的，假设的方向和FBD显示是正确的。这些钢丝钳根据杠杆原理操作。每个夹爪/手柄组件绕点B旋转。作用在A点的力与手柄上的力是成正比的，它也与距离AB和BC的比值有关。一个机器的机械优势定义为输出和输入力之比，或在这种情况下，（315N）/（70N）4.5。因此，钢丝钳放大机械师的抓握力约450%。实例4.7在图4.18（a）所示的叉车重3500 1b，并带有一个800磅的集装箱。在叉车上有两个前轮和两个后轮。（a）画的叉车的自由体图。（b）确定车轮和地面之间的接触力。（C）你怎样确定前轮动力，而无需求后轮的力？（d）叉车前轮的尖端可以承载多少的负荷？解决方案（a）叉车的自由体图绘制在图4.18（b），力和力矩的正方向规定也显示在图中。我们选择向上的方向是力的正方向，顺时针方向为力矩的正方向。我们首先通过叉车，集装箱的质量中心绘制和标注已知的3500-1b和800-1b的重力。前车轮与地面之间的（未知的）力被表示为F（未知的），后轮与地面之间的（未知）力为R。在旁边，在FBD中查看，车轮的前头净效应变为2F和2R。（b）有两个未知数（F和R），因此，需要两个独立的平衡方程解决问题。我们首先在垂直方向的合力 但是，需要解决的问题是一个二次方程。在水平方向的合力将不提供任何有用的信息，所以我们利用力矩平衡。任何位置可以被作为力矩的作用点。我们确认，通过选择，力矩点与前轮重合，力F将被从计算中消除。因此，对点A取矩，我们有 从中我们求得R888磅，800磅的力和后轮的重力对点A产生逆时针或负的力矩，叉车的3500磅的重力对点A产生正的弯矩。将R代入力的平衡方程，求得F1262磅。 （c）为了求得前轮的力，而不需要求R，我们可以得到对点B的合力矩，未知力R通过该点；力矩平衡方程是 我们得到F1262磅直接通过一个方程。 （d）当叉车前车轮的边缘倾斜，后轮就与地面失去接触；所以R0。我们表示为W新（未知）集装箱的重力引起的倾斜。关于前轮的力矩平衡方程是 叉车将濒临倾翻，当操作员试图举起W =6125磅的集装箱。4.5在流体中的浮力，阻力和升力在这一点上，我们已经考虑了机械系统中力与重力或元件之间的连接有关：力也是由固定的和移动的流体产生，可以是液体或气体。在本节中，我们将探讨三种类型的流体力称为浮力，阻力，和升力，接下来，我们重点介绍流体的特性和令人感兴趣的特点。液体和气体的产生的力是重要的在许多机械工程领域。一些应用包括汽车风阻和燃油经济性；火箭和飞机的飞行性能；在工程机械液压系统；相互作用的大气，海洋，和全球气候；甚至在人肺系统的空气和血液的生物力学研究。图4.19显示，四力作用在飞行中的飞机：飞机的重力W，由发动机产生的推力T，由机翼产生的升力L,在空气中阻碍着飞机运动的阻力D。 风洞，如图4.20所示，是重要的研究和开发工具，用于测量空气流围绕对象所产生的力。广泛应用于航空航天工业，风洞使工程师能优化飞机，导弹的性能，和火箭有不同的速度和飞行条件。在这样一个试验，一个规模模型的建立，并连接到一个特殊的夹具，用于测量通过的气流产生的力。作为一个例子，一个规模.图4.20用于飞机和飞行动力学研究的几个风洞鸟瞰图来源：转载并得到美国航天局的许可。图4.21航天飞机系统的上升过程中A1的比例模型。该工程模型包括轨道器，两个固体火箭发动机，外部燃料箱和排气羽。它是在一个跨音速风洞进行测试。来源：转载并得到美国航天局的许可。在图4.21风洞测试过程中显示的航天飞机系统在其上升的配置模型。这个模型甚至包括轨道器发动机和固体火箭发动机创造的排气羽流，这影响了空气动力。风洞也被用来进行超音速飞行的实验;图4.22描绘了冲击波传播了在一个高层大气中研究飞机的比例模型。当空气流绕飞机的速度超过音速时发生冲击波，这种噪音被称为音爆。风洞也可以用来设计汽车，减少风的阻力，因此，带来更好的燃油经济性。低速风洞甚至在奥林匹克运动领域应用，有助于滑雪跳线改善他们的形式，并帮助工程师设计自行车，自行车头盔，运动服装和改善空气动力学性能。浮力和压力阻力和升力，我们将稍后讨论，产生原因物体移动通过流体，或相反，流体流过对象。另一方面，流体和固体之间的力可能会产生即使它们都是静止的，由于重力及流体的重力。当你游到池的底部或在山上行进时，在水中或空气中，围绕着你的压力变化，当你调节上升或下降的压力时，你的耳朵“啪”的作响。 - 我们的经验是，压力在液体或气体中随深度的增加而增加。在图4.23所示的是烧杯中的液体，在层次“0”和“1”之间由于液体的重量产生压力p的不同。两级通过深度h分离，液柱的质量为mAh。在这里，（小写希腊字母RHO）是液体的密度和啊是两个水平之间的音量。使用图4.23中，平衡受力平衡的色谱柱的自由体图读取p1 A - p0A- (Ah)g = 0，其中g9.81 m/s232.2 ft/s2 为重力加速度常数。在液体深度为“1”的压力变为 p1 = p0+Ah (4.12)并且它与深度的增加成正比。表4.3提供了对几种常见的气体和液体密度的数值，并在表4.4中列出美式和国际标准单位制之间的密度转换系数。压力是以每单位面积上的力为单位。在SL中压力单位是帕斯卡（1帕=1 N/m2），是以十七世纪的科学家帕斯卡的名字命名，他对空气和其他例进行了实验。单位psi lb/in2 和 psf lb/ft2通常用于美式的压力m，因为是大气或大气压的单位。表4.5提供了转换系数在这些传统的单位之间。参照该表的第四列，例如，我们知道 当航行船舶进出港口或热气球在地面之上徘徊，他们身受流体压力产生浮力。浸在液体中物体的浮力制定，因为物体具有位移，流体的一些体积由图4.24所示的潜艇。浮力B等于由于物体位移的流体重量，根据 (4.13)式中，g为重力加速度常数，V为对象的体积，并且是流体的密度。从历史上看，这一结果归因于阿基米德，据说他已经查获一个骗局，国王委托制造一个金色的王冠。国王怀疑金匠用白银取代了一些王冠中的黄金。阿基米德认为原理上（4.13）可以用来确定王冠是否用纯金生产，还是用价值较低的金银，密度较小的合金（见问题26在本章的结尾）。阻力和粘度一个浮力作用在一个静止流体，曳力（和升力，我们将在下一部分讨论）来自一个物体通过流体的运动（例如，汽车和空气），或从流体流过去的一个对象（针对市区的摩天大楼风荷载）。运动流体的常规行为定义在机械工程学领域被称为流体动力学。因为一般的从物理和数学的观点定义是相当复杂，我们会考虑一些受限制情况下有用的固定的想法，并提出了一些问题。至于阻力，如图4.25，我们将研究小球周围的流体的流动。这种情况对通过喷雾剂的医学设备提供重要应用;如细粉尘，烟尘，和在大气中的污染物颗粒的运动;雨滴和冰雹的沉淀;和微粒碎屑在液体的罐中的沉降。对于我们的目的，无论是球体以速度v移动通过一个原本静止的液体或气体还是流体围绕一个固定的球体流动。在每一种情况下，反向阻力D由下式表示 (Re 1) (4.14)其中，d是球体的直径。你可以看到阻力的增大与速度加快和直径成正比。公式4.14参数（小写希腊字母亩）被称为流体的粘度，阻力与它同样的增加。正如在第2章中问题9的语句所述，粘度测量流体的“粘性”或阻力。像密度，粘度是气体和液体的物理性质，几个值列于表4.3。正如你看到的，在SI和USCS中，数值普遍较小。为了让公式4.14的尺寸一致，粘度必须是质量/（长度-时间）的单位。当对流体系统进行分析时，由于粘度特性频繁出现，特殊的单位“泊”（P）被用以表彰法国医生和科学家吉恩泊肃叶（1797-1869），他研究了血液流动是通过体内的毛细血管。公斤/（M-S），斯/（英尺 - s）和泊常用于粘度的单位，它们之间的转换系数列于表4.6。方程4.14常用于确定一个像球形的物体在流体中下降（或上升）的速度。考虑到轴承中的小球在储油或另一种液体的容器中下落。当它最初落入容器，轴承球受重力向下加速。很短的距离之后，它停止加速并达到恒定或终端速度。在这一点上，阻力和浮力，其作用向上在图4.26的自由体图恰好平衡轴承球的重量。通过结合方程4.13和4.14 (Re 1) (4.15)式中，g为重力加速度常数，在直径方面我们用表达式d3 /6表示一个球体的体积。终端速度取决于固体球体和流体之间的密度差，如果两者具有相同的密度，则该球体有要么上升或下降倾向。如果，粒子向下落下，但如果，浮力大于球体的重量粒子上升：4.14和4.15两个方程括号内的条件Re1的施加限制了流体密度，粘度值，速度和直径，这些方程是正确的。我们讨论的限制性和无量纲变量Re称为雷诺数，通过以下的示例证明。