2019年《工力静力学1》PPT课件.ppt

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1、绪 论,工程力学,本章重点、难点 重点 力、刚体、平衡和约束等概念。 静力学公理 。 柔索约束、光滑接触面约束、光滑铰链约 束的特征及约束反力的画法。 单个物体及物体系的受力分析。 难点 约束的概念，约束的特征及约束反力的画法。 体系的受力分析。,第一 节 工程力学课程的主要内容,工程力学主要包括静力学、材料力学、运动学和动力学四个部分。,理论力学研究物体机械运动规律的科学。,机械运动：物体在空间的位置随时间的变化。包括：静止、移动、转动、振动、变形、流动、波动、扩散等。,运动是物质存在的形式，它的范围很广：物体位置的变化、发光、发热、化学变化甚至人脑的思维等。,理论力学是以伽利略(Galil

2、eo A.D.1564-1642年)和牛顿(Newton A.D.1642-1727年)所总结的关于机械运动的基本定律为基础发展起来的，属于古典力学的范畴。实际上它的研究对象的速度必须远小于光速(300000 km/s)，才足够准确。,理论力学的内容包括以下三个部分：,静力学 研究物体的平衡规律，同时也研究力的一般性质及其合成法则。,动力学 研究物体的运动变化与其所受的力之间的关系。,运动学 研究物体运动的几何性质，而不考虑物体运动的原因。,要使构件正常工作应该满足以下三个要求：,1、强度：构件抵抗破坏的能力,2、 刚度：构件抵抗变形的能力,3、稳定性：构件维持其原有平衡形式的能力,材料力学的

3、任务 : 设计构件时，在保证满足强度、刚度、 稳定性的要求的前提下，还必须尽可能合理选用材料和降低 材料的消耗量，以节约资金或减轻构件的自重。,由于静力学和材料力学关系紧密，所以本书讲授顺序为：静力学、材料力学、运动学、动力学。,第二 节 工程力学研究模型与研究方法,一、工程力学的研究模型,变形体在自然界中的实际工程构件受力后，几何形状和几何尺寸都要发生改变，这种改变称为变形。,弹性变形：卸除荷载后能完全消失的那一部分变形。 塑性变形：卸除荷载后不能完全消失而残留下来的那部分变形。,变形可以分为弹性变形和塑性变形,刚体在外界的任何外力作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意

4、两点间的距离保持不变的物体。,一般地，在静力学、运动学和动力学中可以将变形体简化为不变形的刚体 。在材料力学部分，为了研究构件的内力和变形，我们采用变形固体这种模型 。,故宫俯瞰全景,故宫，又名紫禁城，位于北京市中心，今天人们称她为故宫，意为过去的皇宫。故宫东西宽750米，南北长960米，面积达到72万平方米，为世界之最；故宫的整个建筑被两道坚固的防线围在中间，外围是一条宽52米，深6米的护城河环绕；接着是周长3公里的城墙，墙高近10米，底宽862米。城墙上开有4门，南有午门，北有神武门，东有东华门，西有西华门，城墙四角，还耸立着4座角楼，角楼有3层屋檐，72个屋脊，玲珑剔透，造型别致，为中国

5、古建筑中的杰作。,丹江口大坝,1958年，周恩来总理听取专家汇报后，批准了丹江口水利工程建设规划，并选定在汉江和丹江的交汇处修建大坝。当年9月1日，丹江口大坝破土动工。1973年底，初期工程完工，此时的丹江口大坝高162米，蓄水量174.5亿立方米，发电机装机容量90万千瓦。,丹江口大坝加高工程，2002年12月27日开工 ，是南水北调中线工程关键性、控制性、标志性工程，也是国内水电工程加高续建项目中规模和难度最大的工程。工程总投资为24.25亿元。,南京长江二桥,南京长江二桥位于南京长江大桥下游11公里处，由南汊桥、八卦洲（长江中第三大岛）公路连接线、北汊桥“二桥一路”组成，全长21.337

6、公里。其中，南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，主跨为628米，在当时同类桥型中居国内第一，世界第三。 工程于1997年10月6日正式开工，2001年3月26日建成通车。,广东九江大桥200米桥面被撞垮塌,3月9日晚8时半左右，信宜市朱砂镇一座接近竣工的石拱桥“轰”的一声塌了 。相同的施工单位。,上海东方明珠,东方明珠塔位于上海黄浦江畔、浦东陆家嘴嘴尖上，1991年7月30日动工，1994年10月1日建成，塔高468米，与外滩的万国建筑博览群隔江相望，列亚洲第一，世界第三高塔，东方明珠塔仅次于加拿大多伦多电视塔和俄罗斯的莫斯科电视塔。东方明珠电视塔选用了东方民族喜爱的圆曲线体作为基本建筑线

7、条。主体有三个斜筒体，三个直筒体和11个球体组成，形成巨大空间框架结构。筒体内有6部电梯，其中一部是可载50人的双层电梯，还有一部在上球体和太空舱间运行。塔体可供游览之处有：下球体、中间球体及环廊、上球体及太空仓等。下球顶高118米，设有观光环廊和梦幻太空城等；上球顶高295米，有旋转茶室、餐厅和可容纳1600人观光平台。,三峡大坝,1994年12月14日，当今世界第一大的水电工程-三峡大坝工程正式动工，它位于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的三斗坪，距下游葛洲坝水利枢纽工程38公里。到2009年工程全部完工。大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035米，坝顶高程185米，正常蓄水位175米，总库容39

8、3亿立方米，其中防洪库容221.5亿立方米，能够抵御百年一遇的特大洪水。配有26台发电机的两个电站年均发电量849亿度。航运能力将从现有的1000万吨提高到5000万吨，万吨级船队可直达重庆，同时运输成本也将降低35 。,“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。由2001年普利茨克奖获得者赫尔佐格、德梅隆与中国建筑师合作完成的巨型体育场设计，形态如同孕育生命的“巢”，它更像一个摇篮，鸟巢是一个大跨度的曲线结构，有大量的曲线箱形结构，设计和安装均有很大挑战性，在施工过程中处处离不开科技支持。“鸟巢”采用了当今先进的建筑科技，全部工程共有二三十项技术难题，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢

9、结构总重4.2万吨，最大跨度343米，而且结构相当复杂，其三维扭曲像麻花一样的加工，在建造后的沉降、变形、吊装等问题正在逐步解决，相关施工技术难题还被列为科技部重点攻关项目。,奥运主体育场鸟巢,改革开放以来中国在各个方面都取得了很大成就，这里不再举更多的例子了。,第二节 理论力学的任务及其研究方法,一、理论力学任务,1、运用力学基本知识结合其他有关的课程，解决工程技术中的实际问题；,2、为学习一系列的后续课，如材料力学、结构力学、弹性力学、有限单元法、机械原理、机械零件等课程提供理论基础。,二、研究方法,1、理论分析 理论力学一般用如下方法研究：从实际出发，经过抽象化、综合、归纳、建立公理，再

10、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，然后再通过实践来证实理论的正确性。,2、实验分析 测定基本力学量，如摩擦因数、速度位移等有关运动的量，振动频率等有关振动的量。,第一篇 静力学 引言,静力学的任务是研究力系的简化与平衡条件。,刚体是一种理想化的力学模型。,一个物体能否视为刚体，不仅取决于变形的大小，而且和问题本身的要求有关。,2、刚体在外界的任何外力作用下形状和大小都始终保持不变的物体。或者在力的作用下，任意两点间的距离保持不变的物体。,1、平衡平衡是物体机械运动的特殊形式，是指物体相对地球表面处于静止或匀速直线运动状态。,3、质点如果不计物体的大小，只考虑其质量，则称之为

11、质点。质点是为研究物体运动规律而作的一种简化，一组有联系的质点构成质点系。 。,力 系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。,平衡力系能使物体维持平衡的力系。,合 力在特殊情况下，能和一个力系等效 的一个力。,4、力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。,静力学研究的三个问题：,1、物体的受力分析 分析物体共受几个力，以及每个力的作用位置和方向。,2、力系的简化（力系的等效代换） 研究力系的简化并不限于静力学问题，也为动力学提供基础。,3、建立各种力系的平衡条件 研究作用在物体上的各种力系所需满足的平衡条件。,第一章 静力学

12、公理及受力分析,第一节 静力学公理,即，合力为原两力的矢量和。,公理1、力的平行四边形法则 作用于物体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平行四边形的对角矢来表示。,F1,F2,FR,矢量表达式：FR= F1+F2,F1,F2,FR,F1,F2,FR,力三角形法则,FR,力的多边形法则,F1,Fi,o,F2,公理2 二力平衡公理 要使刚体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。,二力杆(二力构件): 受两力作用而平衡 的构件或直杆.,A,B,A,F1,F2,F2,F1,B,公理3 加减平衡力系公理

13、 可以在作用于刚体的任何一个力系上加上或去掉几个互成平衡的力，而不改变原力系对刚体的作用。,推论2 三力平衡汇交定理 当刚体在三个力作用下平衡时，设其中两力的作用线相交于某点，则第三力的作用线必定也通过这个点。,F1,F,F2,=,证明：,推论1 力的可传性 作用在刚体上的力可沿其作用线移动而不改变力对刚体的效应.,右图中 F = F1 = F2,A,B,F,F2,F1,(F1 , F2),(F , F2),作用在刚体上的力是滑移矢量.,F3,公理4 作用和反作用公理 任何两个物体相互作用的力，总是大小相等，作用线相同，但指向相反，并同时分别作用于这两个物体上。,公理5 刚化公理 设变形体在已

14、知力系作用下维持平衡状态，则如将这个已变形但平衡的物体变成刚体（刚化），其平衡不受影响。,第二节 约束和约束反力,自由体,非自由体,约束,约束反力,主动力, 可以任意运动（获得任意位移）的物体。, 运动(位移)受到某些限制的物体。, 约束对被约束体的作用力。也是被动力, 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，一般为已知力，有时称为荷载。,1. 基本概念,在空中飞行的炮弹、飞机等为自由体，理论上可达到空间任意位置；而火车、汽车、建筑物等为非自由体，它们的位置受到周围物体预先给定的限制。,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。地面限制车辆在地面上运动；桥墩限

15、制桥梁的运动，使之保持固定的位置；轴承限制轴只能在轴承中转动等等。,2. 常见的几种类型的约束,柔索约束柔绳、链条、胶带构成的约束,缆索、工业带、链条等统称为柔索（cable）。这种约束的特点是其所产生的约束力只能沿柔索方向的单侧约束力，并且只能是拉力，不能是压力。一般用FT 表示。,FT1,FT2,柔索约束工程实例,光滑接触面约束,光滑接触面约束的反力通过接触点，方向沿接触面的公共法线并指向被约束的物体（即为压力），通常用FN表示。,FN,FN,FNC,杆AB重FG，放在半圆槽C上，如图所示。 试绘出AB点的受力。,注意：FA垂直于接触点处的公共切线，并过圆心C点。 FB垂直于AB杆（也是与

16、接触点的公共切线垂直）。 三个力FA、FB、FG应交于一点。,F,F,光滑接触面约束实例,光滑接触面约束实例,压力角：啮合力与切线的夹角20o。,齿轮啮合力,光滑圆柱铰链约束,两物体分别被钻上直径相同的圆孔并用销钉连接，不计销钉与销钉孔壁之间的摩擦，这类约束称为光滑圆柱铰链，简称铰链或铰,铰链的约束反力作用在与销钉轴线垂直的平面内，并通过销钉中心，而方向待定，通常有两种画法。力的箭头方向任意。,一力FA，一个夹角a。 一般力的方向a已知时,两个力Fax，FAy。 力的方向a未知时一般这样,固定铰链支座 简称铰支座,常见画法有：,铰支座反力画法有：,将结构物或构件连接在墙、柱、机器的机身等支承物

17、上的装置称为支座。,用光滑圆柱铰把结构物或构件与支承底板连接，并将底板固定在支承物上而构成的支座，称为固定铰支座。,固定铰支座作用于被约束物体上的约束反力也应通过圆孔中心而方向不定。,可动铰链支座,在固定铰支座的底座与固定物体之间安装几个辊轴，就构成可动铰支座，又称辊轴支座。,F,F,常见画法有：,铰支座反力画法有：,可动铰支座的约束反力垂直于支承面，且过铰链中心。,光滑圆柱铰链约束实例一,固定铰链支座,活动铰链支座,光滑圆柱铰链约束实例二,链杆约束 又称连杆约束,两端各以铰链与不同的物体连接且中间不再受力（包括自重忽略不计）的直杆称为链杆，也称连杆，这种约束只能限制物体上的铰结点沿连杆轴线方

18、向的运动，而其它方向的运动不能限制。,FR,二力杆,二力构件,轴承,向心轴承：机器中常见各类轴承，如向心轴承或径向轴承等。这些轴承允许轴承转动，但限制与轴线垂直方向的运动和位移。轴承约束力的特点与光滑圆柱铰链相同。,止推轴承：可视为由一光滑面将向心轴承圆孔的一端封闭而成。这种约束的特点是能同时限制转动和轴向（止推方向）的移动。,球铰链 简称球铰,将固结于物体一端的球体置于球窝形支座内，就形成了球铰支座，简称球铰。这种约束的特点是限制构件的球心不能有任何移动，但构件可绕球心任意转动。若忽略摩擦，球铰的约束反力必通过球心，但方向待定。,F,光滑球铰链约束实例,盆骨与股骨之间的球铰连接,第三节 物体

19、的受力分析和受力图,受力分析：即确定作用在物体上力的数目、作用点的位置，以及了解其作用线方向、大小的有关信息。 分离体：为了清楚地显示物体的受力状态，通常将被研究的物体（也称受力体或研究对象），从周围物体（施力体）分离出来，单独画出它的简图，并用矢量标明全部作用力。分离的过程称为取分离体； 受力图：最后所得的标明力的图称为受力图。 解除约束：非自由体是受约束的，这时就要去掉约束，代之以相应的约束力，这个过程也叫解除约束。,1.取分离体。,2.画出对象所受的全部主动力。,3.在存在约束的地方，按约束类型逐一画出约束反力。,受力图的画法步骤：,例11用力拉动碾子以压平路面，重为P的碾子受到一石块的

20、阻碍，如图所示。不计摩擦，试画出碾子的受力图。,习题 重力为FP 的AB杆放置在刚性槽内。所有接触处均为光滑接触。试画出AB杆的受力图。,习题 在图示的平面系统中，匀质球A重为P，借本身重量和摩擦不计的理想滑轮C 和柔绳维持在仰角是 的光滑斜面上，绳的一端挂着重为Q 的物体B。试分析物体B、球A 和滑轮C 的受力情况，并分别画出平衡时各物体的受力图。,(1) 物体B 受两个力作用：,(2) 球A 受三个力作用：,(3) 作用于滑轮C 的力：,习题 画球体的受力图.,例1-2 梁AB的一端用铰链、另一端用柔索固定在墙上如图所示。在D处挂一重物，其重量为P，如果梁的自重不计，试画出梁的受力图。,方

21、法1,方法2（三力平衡汇交）,方法3（考虑自重W）,例题1-3 由水平杆AB和斜杆BC构成的管道支架如图所示。在AB杆上放一重为P的管道。A 、B、C处都是铰链连接 。不计各杆的自重 ，各接触面都是光滑的。试分别画出管道O，水平杆AB，斜杆BC及整体的受力图。,解:(1)取管道O为研究对象.,O,P,ND,(2)取斜杆BC为研究对象.,C,B,RC,RB,A,B,D,ND,RB,XA,YA,(3)取水平杆AB为研究对象.,(4)取整体为研究对象.,YA,RC,XA,习题等腰三角形构架ABC 的顶点 A，B，C 都用铰链连接，底边AC固定，而AB 边的中点D 作用有平行于固定边AC 的力F，如图

22、所示。不计各杆自重，试画出杆AB 和BC 的受力图。,2. 杆 AB 的受力图：,解：,1. 杆 BC 的受力图：,习题 如图所示，重物重G = 20 kN,用钢丝绳挂在支架的滑轮B上，钢丝绳的另一端绕在铰车D上。杆AB与BC铰接，并以铰链A，C与墙连接。如两杆与滑轮的自重不计并忽略摩擦和滑轮的大小，试画出杆AB和BC以及滑轮B的受力图。,解：取B点（或滑轮B）为研究对象。受力如图图,例题14 曲杆AC与BC用三个铰链连接成如图所示的结构，工程上称为三铰拱。如果在C处作用主动力F ，试画出系统的受力图（杆重不计）。,习题画各构件的受力图,A,B,C,习题 图示连续梁，做AB、BC及整体的受力图

23、。,例题15 如图所示，梯子的两部分AB和AC在点A铰接，又在D，E两点用水平绳连接。梯子放在光滑水平面上，在AB的中点H处作用一铅直载荷F，若不计自重，试分别画出绳子DE和梯子的AB、AC两部分以及整个系统的受力图。,习题 画出下列各构件的受力图,习题不计杆与滑轮重量，画各构件受力图。,习题.不计自重 画各构件受力图,1)DE杆由力偶平衡，定约束力方位。,2)D、B处作用与反作用力等值反向。,FBx、FBy指向可任意假定。,3) 分布力不可事先向一点简化.分离后可简化。,习题不计自重，画各构件受力图。,习题 画出组合梁ACD中AC和CD部分及整体的受力图。,解: 组合梁由AC和CD两部分组成

24、，CD杆上力P的方向已知且D点的约束反力的方位可以确定,因而应先画CD杆的受力图。,RD,RB,P,RD,RB,CD,AC,F,习题如图所示机构中，BC杆的轮绳子处于水平位置。不计摩擦。绘出轮C、杆BC、杆AD、及整体的受力图。,取轮C为研究对象，作出轮C的分离图，绳子是柔性约束，反力方向沿绳子中心线，为拉力，由三力汇交定理可绘出轮C的受力图如图（b）所示。其余受力图如图（c）（d）（e）所示。,解：,习题如图所示平面构架，由杆AB 、DE及DB铰接而成。钢绳一端拴在K处另一端绕过定滑轮和动滑轮后拴在销钉B上。重物的重量为G，各杆和滑轮的自重不计。,（1）试分别画出各杆，各滑轮、销钉B以及整个

25、系统受的受力图 （2）画出销钉B与滑轮一起的受力图 （3）画出杆AB ，滑轮、钢绳和重物作为一个系统时的受力图,1. 杆BD（B处为没有销 钉的孔）的受力图：,2. 杆AB（B处仍为没有销钉的孔）的受力图：,解：,3.杆DE的受力图：,4.轮（B处为没有销钉的孔）的受力图：,5. 轮的受力图：,6. 销钉B的受力图：,7. 整体的受力图：,8. 销钉B与滑轮一起的受力图：,9. 杆AB，滑轮， 以及重 物、钢绳（包括销钉B）一起 的受力图：,（1）二力平衡条件的适用范围是（ ） A、刚体 B、刚体系统 C、变形体 D、任何物体或物体系统,（2）作用和反作用定律的适用范围是（ ） A、只适用刚体 B、只适用于变形体 C、对任何物体均适用 D、只适用于处于平衡状态的物体,2、选择题,（4）一物体能否看作刚体，取决于（ ） A、物体是否坚硬 B、变形是否微小 C、变形不起决定因素 D、是否研究物体的变形,（3）如果力是 两力的合力，用矢量方程表示为 其大小之间的关系为（ ） A、必有 B、不可能有 C、必有 D、可能有,谢谢同学们,