静力学基本概念与物体受力分析.ppt

1 第1章静力学基本概念与物体受力分析Chapter1BasicConceptsofStaticsandForceanalysis 目录 2 目录 主要内容 1 1静力学基本概念 1 2约束和约束力 1 3受力图 3 目录 1 1静力学基本概念 刚体 Rigidbody 形状和大小不变 且内部各点的相对位置也不变的一种物体理想模型 忽略变形 将实际变形体抽象为刚体 称为刚化原理 rigidityprinciple 静力学 Statics 研究物体平衡的一般规律 三个主要内容 受力分析 力系的简化和力系的平衡条件 4 目录 1 1静力学基本概念 刚体静力学 StaticsofRigidbody 研究刚体在力系作用下的平衡问题 研究对象被抽象为刚体 暂不考虑其变形 为研究力系的平衡提供了极大的方便 平衡 Equilibrium 物体相对惯性参考系静止或作匀速直线平移 平衡条件 物体处于平衡状态 力系必须满足的条件 平衡力系 作用于物体上正好使之保持平衡的力系 5 目录 1 1静力学基本概念 力 Force 力是物体间的相互作用 这种作用将使物体的运动状态发生变化 运动效应 effectofmotion 或使物体发生变形 变形效应 effectofdeformation 力的作用效果 取决于力的三要素 大小 方向 作用点 集中力 分布力 6 目录 1 1静力学基本概念 力是矢量 vector 当力作用在刚体上时 力可以沿着其作用线滑移 而不改变力对刚体的作用效应 这时的力是滑移矢量 slipvector 当力作用在变形体上时 力既不能沿其作用线滑移 也不能绕作用点转动 这表明 作用在变形体的力的作用线和作用点都是固定的 所以这时的力是定位矢量 fixedvector 自由矢量 freevector 只有大小和方向 不确定作用点 7 目录 1 1静力学基本概念 力的合成满足矢量加法规则 若干个共点力 可以合成为一个合力 力的量纲 MLT 2 单位 牛顿 N 力在直角坐标系中的表示为 8 目录 1 1静力学基本概念 力系 Forcessystem 作用在物体上的力的集合称为力系 等效力系 Equivalentforcessystem 使同一刚体产生相同作用效应的力系 如果某力系与一个力等效 则这一力称为力系的合力 而力系中的各个力则称为这一合力的分力 平衡力系 或称零力系 9 目录 1 1静力学基本概念 力系的简化 对一个比较复杂的力系求出与它等效的简单力系的过程 按力系中诸力作用线在空间的分布情况 平面力系 空间力系 汇交力系 平行力系 任意力系 10 目录 1 1静力学基本概念 二力平衡原理 不计自重的刚体在二力作用下平衡的必要和充分条件是 二力沿着同一作用线 大小相等 方向相反 称为二力平衡原理 其数学表达式为 作用有二力的刚体又称为二力构件 memberssubjectedtotheactionoftwoforces 或二力杆 11 目录 1 2约束和约束力 自由体 可以在空间任意运动的物体 非自由体 运动受到某些限制的物体 12 目录 1 2约束和约束力 约束 限制物体运动的条件 约束体 约束非自由体运动的物体 列车是非自由体铁轨是约束体 约束力 约束体作用在非自由体上的力 铁轨作用在车轮上的力为约束力 13 目录 1 2约束和约束力 主动力 作用于非自由体上的约束力以外的力 约束力 也称约束反力 反力 是一种被动力 约束力 大小 待定 方向 与该约束所能阻碍的位移方向相反 作用点 接触处 14 目录 工程中常见的约束 1 具有光滑接触面 线 点 的约束 光滑接触约束 1 2约束和约束力 15 目录 1 2约束和约束力 光滑支承接触对非自由体的约束力 作用在接触处 方向沿接触处的公法线并指向受力物体 故称为法向约束力 用表示 16 目录 1 2约束和约束力 2 由柔软的绳索 胶带或链条等构成的约束 柔索只能受拉力 又称张力 用表示 17 目录 1 2约束和约束力 柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体 胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向 为拉力 18 目录 1 2约束和约束力 3 光滑圆柱铰链约束 径向轴承 圆柱铰链 固定铰链支座等 1 径向轴承 向心轴承 约束特点 轴在轴承孔内 轴为非自由体 轴承孔为约束 约束力 当不计摩擦时 轴与孔在接触处为光滑接触约束 法向约束力 约束力作用在接触处 沿径向指向轴心 19 目录 1 2约束和约束力 当外界载荷不同时 接触点会变 则约束力的大小与方向均有改变 可用二个通过轴心的正交分力表示 20 目录 1 2约束和约束力 2 光滑圆柱连接铰链 中间铰 约束特点 由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成 如剪刀 21 目录 1 2约束和约束力 约束力 光滑圆柱铰链 亦为孔与轴的配合问题 与轴承一样 可用两个正交分力表示 其中有作用反作用关系 一般不必分析销钉受力 当要分析时 必须把销钉单独取出 22 目录 1 2约束和约束力 3 固定铰链支座 约束特点 由上面构件1或2之一与地面或机架固定而成 约束力 与圆柱铰链相同 以上三种约束 径向轴承 光滑圆柱铰链 固定铰链支座 其约束特性相同 均为轴与孔的配合问题 都可称作光滑圆柱铰链 23 目录 1 2约束和约束力 4 其它类型约束 1 滚动支座 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辊轴而成 约束力 构件受到垂直于光滑面的约束力 24 目录 1 2约束和约束力 2 球铰链 约束特点 通过球与球壳将构件连接 构件可以绕球心任意转动 但构件与球心不能有任何移动 约束力 当忽略摩擦时 球与球座亦是光滑约束问题 约束力通过接触点 并指向球心 是一个不能预先确定的空间力 可用三个正交分力表示 25 目录 1 2约束和约束力 3 止推轴承 约束特点 止推轴承比径向轴承多一个轴向的位移限制 约束力 比径向轴承多一个轴向的约束力 亦有三个正交分力 26 目录 1 2约束和约束力 球铰链 空间三正交分力 止推轴承 空间三正交分力 总结 27 目录 1 2约束和约束力 思考题 如二力构件是物体的约束 约束力如何确定 28 目录 1 3受力图 画受力图是对物体进行受力分析的第一步 也是最重要的一步 将研究对象 物体或物体系统 从周围物体的约束中分离出来 画出作用在研究对象上全部力 主动力和约束力 的图 称为受力图或分离体图 在受力图上应画出所有力 主动力和约束力 被动力 29 目录 1 3受力图 画受力图时必须清楚 研究对象是什么 将研究对象分离出来需要解除哪些约束 约束限制研究对象的什么运动 如何正确画出所解除约束处的反力 30 目录 1 3受力图 画受力图步骤 3 按约束性质画出所有约束 被动 力 1 取所要研究物体为研究对象 分离体 画出其简图 2 画出所有主动力 31 目录 1 3受力图 例1 1 解 画出简图 画出主动力 画出约束力 碾子重为 拉力为 A B处光滑接触 画出碾子的受力图 32 目录 1 3受力图 解 取屋架 画出主动力 画出约束力 画出简图 例1 2 屋架受均布风力q N m 屋架重为 画出屋架的受力图 33 目录 1 3受力图 例1 3 解 取CD杆 其为二力构件 简称二力杆 其受力图如图 b 水平均质梁AB重为 电动机重为 不计杆CD的自重 画出杆CD和梁AB的受力图 34 目录 1 3受力图 取AB梁 其受力图如图 c 若这样画 梁AB的受力图又如何改动 CD杆的受力图能否画为图 d 所示 35 目录 1 3受力图 解 右拱CB为二力构件 其受力图如图 b 所示 36 目录 1 3受力图 系统整体受力图如图 d 所示 取左拱AC 其受力图如图 c 所示 37 目录 1 3受力图 考虑到左拱AC三个力作用下平衡 也可按三力平衡汇交定理画出左拱AC的受力图 如图 e 所示 此时整体受力图如图 f 所示 38 目录 1 3受力图 讨论 若左 右两拱都考虑自重 如何画出各受力图 如图 g h i 39 目录 1 3受力图 例1 5 不计自重的梯子放在光滑水平地面上 画出梯子 梯子左右两部分与整个系统受力图 解 绳子受力图如图 b 所示 40 目录 1 3受力图 梯子左边部分受力图如图 c 所示 梯子右边部分受力图如图 d 所示 41 目录 1 3受力图 整体受力图如图 e 所示 提问 左右两部分梯子在A处 绳子对左右两部分梯子均有力作用 为什么在整体受力图没有画出 42 目录 第1章作业P16 181 1 a d 1 2 b e 1 3 c 1 4 d 1 5 b c 作业是锻炼大脑的体操