工程力学前言-牛顿力学.ppt

工程力学(静力学和材料力学),课程概论共64学时，周学时4，共16周。涵盖了“理论力学”中的静力学（Static)内容和材料力学(StrengthofMaterials)的大部分内容。课程性质属于专业基础课，是基础课程和专业课程之间的桥梁；为机械运动分析和构件的性能分析提供必要的理论基础。课程任务研究物体机械运动一般规律和有关构件强度、刚度和稳定性理论。,课程内容理论力学部分：研究物体机械运动的一般规律。研究对象为所有物体（可抽象为刚体、质点等），研究内容包括静力学、运动学和动力学。本课程因课时限制，仅讲解静力学（Static）内容，静力学主要研究力系简化和平衡规律。材料力学部分：研究构件的承载能力。研究对象为构件，构件是指组成结构的元件或机器的零件和部件的统称。承载能力包括了强度（构件抵抗破坏的能力）、刚度（构件抵抗变形的能力）和稳定性（构件保持原有平衡形式的能力）。,研究方法理论分析和实验研究相结合；实验研究是基础采用实验方法获得材料的需用应力；理论分析是必要工具。学习方法（1）理解基本概念；（2）掌握基本理论；（3）用所学的定理和公式解决具体问题做练习题。教学思路静力学部分受力分析、力的简化、平衡规律；材料力学部分以构件的变形形式为主线。,Aboutmechanics/关于力学,Inphysics,classicalmechanicsandquantummechanicsarethetwomajorsub-fieldsofmechanics.经典力学+量子力学Classicalmechanicsisconcernedwiththesetofphysicallawsdescribingthemotionofbodiesundertheactionofasystemofforces./力系作用下的物体运动规律的描述Thestudyofthemotionofbodiesisanancientone,makingclassicalmechanicsoneoftheoldestandlargestsubjectsinscience,engineeringandtechnology.ItisalsowidelyknownasNewtonianmechanics./牛顿力学http:/en.wikipedia.org/wiki/Classical_mechanics,工程实例中的力学问题：,高层建筑大型桥梁海洋石油平台航空航天器机械工程水利工程汽车工程电子工程/计算机,为了应对高空强风及台风吹拂造成大楼的摇晃楼内设置了“调谐质块阻尼器”（tunedmassdamper），是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。是全世界唯一开放游客观赏的巨型阻尼器，更是目前全球最大之阻尼器。,单摆式调谐质量阻尼器的力学原理：由质量块（惯性力）、弹簧（弹性恢愎力）与阻尼（能量消散）组成，装设於结构物上使之降低结构的动态反应，如顶层位移及加速度反应。,LEVEL92,LEVEL88,航母舰载机着陆,滑跃式起飞，拦阻索+着舰钩降落,Newtonslawsofmotion牛顿三大定理,Newtonslawsofmotionarethreephysicallawsthattogetherlaidthefoundationforclassicalmechanics.经典力学的基石Theydescribetherelationshipbetweenabodyandtheforcesactinguponit,anditsmotioninresponsetosaidforces.描述了物体和作用力间的关系，以及物体对所施加的力的响应Theyhavebeenexpressedinseveraldifferentwaysovernearlythreecenturies,andcanbesummarizedasfollows:,Firstlaw:Whenviewedinaninertialreferenceframe,anobjecteitherremainsatrestorcontinuestomoveataconstantvelocity,unlessacteduponbyanexternalforce.在惯性参考系下，物体会坚持其静止或匀速直线运动状态，除非有外力迫使改变其状态,15,Secondlaw:F=ma.ThevectorsumoftheforcesFonanobjectisequaltothemassmofthatobjectmultipliedbytheaccelerationvectoraoftheobject.施加于物体的外力合力等于此物体的质量与加速度的乘积,Thirdlaw:Whenonebodyexertsaforceonasecondbody,thesecondbodysimultaneouslyexertsaforceequalinmagnitudeandoppositeindirectiononthefirstbody.当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反,ThethreelawsofmotionwerefirstcompiledbyIsaacNewtoninhisPhilosophiNaturalisPrincipiaMathematica(MathematicalPrinciplesofNaturalPhilosophy自然哲学的数学原理),firstpublishedin1687.Newtonusedthemtoexplainandinvestigatethemotionofmanyphysicalobjectsandsystems.Forexample,inthethirdvolumeofthetext,Newtonshowedthattheselawsofmotion,combinedwithhislawofuniversalgravitation,explainedKeplerslawsofplanetarymotion.,IsaacNewton艾萨克牛顿,牛顿和几位学者关于经典力学的论述,宇宙里，所有物体都有其“自然位置”-处于完美状态的位置。物体会固定不动于其自然位置。被移离其自然位置的物体，会倾向于回返其自然位置。这是因为物体倾向于完美状态的位置。故像石头一类的重物体倾向于朝着地面移动，像烟灰等的轻物质倾向于朝着包含月亮在内的区域移动。运动分为两种：“自然运动”（Naturemotion）与“暴烈运动”（violentmotion）。重物体的自由坠落是一种自然运动，而发射体的运动则是非自然运动。处于自然位置的物体倾向于固定不动，只有施加“暴烈力”，才能使其移离自然位置。所有暴烈运动都不具有永久性，迟早会终止结束。为了维持暴烈运动，必需继续地施加暴烈力于物体，使其移离自然位置。,1.亚里斯多德/Aristotle,只有施加外力，才能改变物体速度；维持物体速度不变，不需任何外力。伽利略设计了实验来证实：让静止的小球从点A滚下斜面AB，滚到最底端后，小球又会滚上斜面BC。假设两块斜面都非常的平滑、摩擦系数极小，且空气阻力微弱，则小球会滚到与点A同高度的点C；假设斜面是BD、BE或BF，小球也同样地会滚到与点A同高度的位置；若斜面是水平面BH，则该小球永远不能滚到先前的高度，因此会不停地呈匀速直线运动。,2.伽利略伽利莱/GalileoGalilei,伽利略总结：假若不碰到任何阻碍，运动中的物体会持续地以匀速直线运动。这一理论刚被提出时不被其他学者接受，因为当时大多数学者不了解摩擦力与空气阻力的本质。伽利略的实验以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，深刻地反应了自然规律。,伽利略的思想导致了牛顿的第一定律的诞生不施加外力，则没有加速度，因此物体会维持速度不变。牛顿将第一定律的思路应该归功于伽利略。第一定律其实是伽利略所提出的惯性定律的再次陈述。原版第一定律的英文翻译为：Everybodyperseveresinitsstateofrest,orofuniformmotioninarightline,unlessitiscompelledtochangethatstatebyforcesimpressedthereon.,提出第一定律后，牛顿开始描述他所观察到的各种物体的自然运动。像飞箭、飞石一类的发射体，假若不被空气的阻力抗拒，不被引力吸引墬落，它们会持续不停地运动。像陀螺一类的旋转体，若不受到地面的摩擦力损耗，它们会永久不息地旋转。像行星、彗星一类的星体，移动于阻力较小的自由空间，会更长时期地维持它们的运动轨道。在这里，牛顿并没有提到第一定律与惯性参考系之间的关系，他所专注的问题是，为什么在一般观察中，运动中的物体最终会停止运动？他认为原因是有空气阻力、地面摩擦力等等作用于物体。假若这些力不存在，则运动中的物体会永远不停的做匀速运动。这一思想是很重要的突破，需要仔细的分析与极丰富的想像力才能闪耀出如此的科学思想。,好几位其它自然哲学家与科学家似乎分别独立地想出了惯性定律。十七世纪哲学家勒内笛卡儿/RenDescartes也曾经提出惯性定律，虽然他没有做出任何实验来证实这定律的正确性。,勒内笛卡儿/RenDescartes,惯性参考系/inertialreferenceframe对一切运动的描述，都是相对于某个参考系的。参考系选取的不同，对运动的描述，或者说运动方程的形式也不同。人类从经验中发现，总可以找到这样的参考系：其时间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的；在这样的参考系内，描述运动的方程有着最简单的形式。这样的参考系就是惯性系。,惯性参考系/inertialreferenceframe一个参考系是不是惯性系，只能由试验确定。最基本的判据就是牛顿运动定律成立与否。根据伽利略相对性原理，和一个惯性系保持相对静止或相对匀速直线运动状态的参考系也是惯性系。,惯性参考系/inertialreferenceframe在实践中，人们总是根据实际需要选取近似的惯性参考系。比如，在研究地面上物体小范围内的运动时，地球是一个很好的惯性系。在研究太阳系中天体的运动时，太阳是一个很好的惯性系。,Thanks！,