力学基础知识

绪论学习支持知识目标：了解力，重力的概念，明确力的三要素，作用力和反作用力，会画受力分析图。了解平面汇交力系的基本概念，合成。知道力臂，力矩，力偶等概念及其性质，会合成平面内的力偶系。知道力的平移定理，会合成和平衡一般平面力系。了解摩擦，磨损等概念，知道润滑的基本原理，知道润滑油的性质和选用的要求。能力目标：在掌握力学的基础知识的基础上，会分析一些吊索具的受力情况，能进行一些简单的计算。第一章力学基础知识第一节力的性质一、力的概念力的概念是人们在长期的生活和生产实践中经过观察和分析，逐步形成和建立的。当人们用手握、拉、掷、举物体时，由于肌肉紧张而感受到力的作用。这种作用广泛地存在于人与物及物与物之间。例如用手推小车，小车受了“力”的作用，由静止开始运动，用锤子敲打会使烧红的铁块变形等。人们从大量的实践中，形成力的科学概念，即力是物体间相互的机械作用。这种作用一是使物体的机械运动状态发生变化，称为力的外效应；另一个是使物体产生变形，称为力的内效应。二、物体重力物体所受的重力是由于地球的吸引而产生的。重力的方向总是竖直向下的，物体所受重力大小C和物体的质量m成正比，用关系式G＝mg表示。通常，在地球表面附近，g取值为9．8N／kg，表示质量为lkg的物体受到的重力为9．8N。在已知物体的质量时，重力的大小可以根据上述的公式计算出来。例：起吊一质量为5×103kg的物体，其重力为多少?解：根据公式：G＝mg＝5×103×9．8＝49×103(N)答：物体所受重力为49×103N。在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称“牛”，符号是“N”。在工程中常冠以词头“kN”、“dan”，读作“千牛”、“十牛”。与以前工程单位制采用的“公斤力(kgf)”的换算关系：1公斤力(kgf)＝9．8牛(N)≈10牛(N)三、力的三要素我们把力的大小、方向和作用点称为力的三要素。改变三要素中任何一个时，力对物体的作用效果也随之改变。例如用手推一物体，如图1—1所示，若力的大小不同，或施力的作用点不同，或施力的方向不同都会对物体产生不同的作用效果。图1—1所示在力学中，把具有大小和方向的量称为矢量。因而，力的三要素可以用矢量图(带箭头的线段)表示，如图1—2所示。图1—2作矢量图时，从力的作用点A起，沿着力的方向画一条与力的大小成比例的线段AB(如用1cm长的线段表示100N的力，那么400N就用4cm长的线段)，再在线段末端画出箭头，表示力的方向，文字符号用黑体字F表示，并以同一字母非黑体字F表示力的大小，书写时则在表示力的字母F上加一横线表示矢量。F表示矢量。F四、作用力和反作用定律力是一个物体对另一个物体的作用。一个物体受到力的作用，必定有另一个物体对它施加这种作用，那么施力物体是否也同时受到力的作用呢?如图1—3中，绳索下端吊有一重物，绳索给重物的作用力为了，重力给绳索的反作用力为T′，T和T′等值、相反、共线且分别作用在两个物体上。图1—3力的作用力与反作用力以上事例说明：物体间的作用是相互的。这一对力叫做作用力和反作用力。我们把其中的一个力叫做作用力，另一个就叫做反作用力，它们大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上。五、支承反力和受力图1．支承反力以起重机简图为例，如图所示。当起重机吊起重物后静止不动时，重物在重力作用下而不能下落，因为有起升绳拉住它。起升绳就是重物的支承，吊臂AB是由A处轴销和拉索DE支承的，起重机整体又是由地面支承的。一个构件由另一构件支承，另一构件给这个构件的反作用力叫做支承反力。支承是限制运动的，所以支承反力的方向就和支承所能限制的运动方向相反。不同的支承对物体的作用不同，因此支承反力也不一样，这里只介绍柔索和光滑面支承反力。(1)柔索：起升绳阻止重物下落，它给重物一个支承反力(拉力)，此力沿绳子方向、大小和G的重力相等，如图1—5所示。(2)光面支承：(起重机简图)整体起重机用轮子支承在地面上，由于地面支承，轮子不能向下移动，沿垂直方向有N1、N2支承反力，N1、N2的大小等于整个起重机和重物的重力。图1—5受力图2．受力图全面地分析结构的约束情况，包括外力、支承反力后，用一个简图清楚地表示出全部受力情况，这个图称为受力图。受力图有整体和局部之分，一般可只画所需要的局部受力图。画受力图时，首先确定出研究对象，具体分析已知条件和要求的未知量，把它隔离出来，去粗取精画出受力图。例如我们要分析吊钩和吊索钢丝绳的受力情况，就可以只画出所需部分。图1—6吊钩和吊索钢丝绳的受力图六、力的合成分解1．两个共点力的合成作用于同一点并互成角度的力称为共点力，两力的合力作用效果我们可以下例演示来证明。如图所示，弹簧长度l0，一端挂在O点，另一端在A点，各沿AB和AD方向加力F1和F2，力的大小按比例尺画出。在F1、F2两力作用下，弹簧由l0沿OA伸长为l，然后去掉F1、F2两力。在AC方向施加力R(利用法码逐渐加力)，使弹簧同样沿OA由l0伸长为l，按比例尺画上R。弹簧变形相等，受力相等，可知F1、F2两力的合成效果和只一个力的作用效果相等，R是F1、F2两力的合力。如果以F1、F2作为两邻边，画平行四边形，我们发现合力R正好是它的对角线，这就证明了力的平行四边形法则，即：两个互成角度的共点力，它们合力的大小和方向，可以用表示这两个力的线段作邻边所画出的平行四边形的对角线来表示。两个力的合力不能用算术的法则把力的大小简单相加，而必须按矢量运算法则，即平行四边形法则几何相加，可用图解法和三角函数计算法。(1)图解法例：已知F1、F2两个力，其夹角为70°，F1即AB为800N，F2即AD为400N，求合力R(AC)为多少?方法：取比例线段1cm代表200N，并沿力的方向将AB和AD二力按比例画出，取AB长4cm代表800N，取AD长2cm代表400N，经B点及0点分别作AD与AB的平分线交于C点，连接AC、量取AC的长为5cm，则合力为200N×5＝1000N。如图所示。(2)三角函数法根据三角形正弦定理和余弦定理计算出合力R：如上例：从力平行四边形法则可以看出，F1、F2力的夹角越小，合力R就越大，当夹角为零时，二分力方向相同，作用在同一直线上，合力R最大。反之，夹角越大，合力R就越小，当夹角为180°时，二分力方向相反，作用在同一直线上，合力最小。2．力的分解力的分解是力的合成的逆运算，同样可以用平行四边形法则，将已知力作为平行四边形的对角线，两个邻边就是这个已知力的两个分力。显然如果没有方向角度的条件限制，对于同一条对角线可以作出很多组不同的平行四边形。邻边(分力)的大小变化很大，因此应有方向、角度条件。使用吊索时，限制吊索分肢夹角过大是防止吊索超过最大安全工作载荷，而发生断裂。下图为两根吊索悬吊1000N载荷，当两根吊索处于不同夹角时，吊索受力变化如图所示。(1)分力图解法已知合力R和两个分力的方向，求两个分力的大小，可通过已知力R作用点A沿分力的方向(或合力与分力夹角)分别作直线A—I、A—Ⅱ，再经过已知合力R终点C做两个分力F1、F2作用线的平行线，与A—I、A一Ⅱ直线交于B、D两点，得平行四边形ABCD。其两邻边AB、AD就是要求的两个分力，分力的大小可用比例尺量出。(2)三角函数法计算时也可利用三角函数公式。求力的分解，如上图所示.第二节平面汇交力系作用在物体上的力系，根据力系中各力的作用线在空间的位置的不同，可分为平面力系和空间力系两类。各力的作用线都在同一平面内的力系称为平面力系，各力的作用线不在同一平面内的力系称为空间力系。在这两类力系中，又有下列情况：(1)作用线交于一点的力系称为汇交力系；(2)作用线相互平行的力系称为平行力系；(3)作用线任意分布(即不完全汇交于一点，又不全都互相平行)的力系称为一般力系。平面汇交力系是一种最基本的力系，它不仅是研究其他复杂力系的基础，而且在工程中用途也比较广泛，如左图所示的起重机，在起吊构件时，作用于吊钩上C点的力，如右图所示的屋架，节点C所受的力都属于平面汇交力系。2.1平面汇交力系合成的几何法一、两个汇交力的合成设物体受到汇交于O点的两个力F1和F2的作用，应用学过的平行四边形法则，求F1、F2的合力。先从交点出发，按适当的比例和正确的方向画出F1、F2，便可得出相应的平行四边形，具对角线即代表合力R。对角线R的长度和R与F1所夹角度，便是合力的大小和方向。为简便起见，在求合力时，不必画出整个平行四边形，而只需画出其中任一个三角形便可解决问题。将两分力首尾相连，再连接起点和终点，所得线段即代表合力。这一合成方法称为力的三角形法则(如图)。可用式子表示：R=F1+F2上式为矢量式，不是两力代数相加。二、平面汇交力系的合成设在物体的A点作用四个汇交力F1、F2、F3、F4，如图(a)所示，求此力系的合力。为此，可连续应用力三角形法则，如图(b)所示，先求F1和F2的合力R1，再求R1和F3的合力R2，最后求R2和F4的合力R。显然，R就是原汇交力系F1、F2、F3、F4的合力。实际作图时，表示R1、R2的力不必画出，可直接按一定的比例尺依次作出矢量AB、BC、CD、DE，分别代表力系中各分力F1、F2、F3、F4之后，连接F1的起点和F4的终点，就可得到力系的合力R，如图(c)所示。这就是力的多边形法则。在作图时，如果改变各分力作图的先后次序，得到的力多边形的形状自然不同，但所得合力R的大小和方向均不改变。由此而知，合力R与绘制力多边形的先后次序无关。将上述方法推广到由n个力组成的汇交力系中，可得结论：平面汇交力系合成的结果是一个作用线通过各力的汇交点的合力，合力的大小和方向山力多边形的封闭边确定，即合力的矢量等于原力系，”各分力的矢量和。用式子表示为：R=F1+F2+…+Fn=ΣF(2-1)第三节力矩与平面力偶系3.1力对点之矩如下左图所示，在板手的A点施加一力F，将使板手和螺母一起绕螺钉中心O转动，这就是说，力有使物体（扳手）产生转动的效应。实践经验表明，扳手的转动效果不仅与力F的大小有关，而且还与点O到力作用线的垂直距离d有关。当d保持不变时，力F越大，转动越快。当力F不变时，d值越大，转动也越快。若改变力的作用方向，则扳手的转动方向就会发生改变，因此，我们用F与d的乘积再冠以适当的正负号来表示力F使物体绕O点转动的效应，并称为力F对O点之矩，简称力矩，以符号MO（F）表示，即:由上右图可以看出，力对点之矩还可以用以矩心为顶点，以力矢量为底边所构成的三角形的面积的二倍来表示。例:分别计算图所示的F1、F2对O点的力矩。解：由式（1－1），有显然，力矩在下列两种情况下等于零：（1）力等于零；（2）力的作用线通过矩心，即力臂等于零。力矩的单位是牛顿•米（N•m）或千牛顿•米（kN•m）3.2合力矩定理证明：如图所示，设在物体上的A点作用有两个汇交的力F1和F2，该力系的合力为R。在力系的作用面内任选一点O为矩心，过O点并垂直于OA作为y轴。从各力矢的末端向y轴作垂线，令Y1、Y2和Ry分别表示力F1、F2和R在y轴上的投影。由图可见各力对O点之矩分别为(a)根据合力矩定理有上式两边同乘以OA得将（a）式代入得：以上证明可以推广到多个汇交力的情况。用式子可表示为虽然这个定理是从平面汇交力系推证出来，但可以证明这个定理同样适用于有合力的其它平面力系。例1－2所示每1m长挡土墙所受土压力的合力为R，它的大小R=200kN，方向如图所示，求土压力R使墙倾覆的力矩。解：土压力R可使挡土墙绕A点倾覆，求R使墙倾覆的力矩，就是求它对A点的力矩。由于R的力臂求解较麻烦，但如果将R分解为两个分力F1和F2，则两分力的力臂是已知的。为此，根据合力矩定理，合力R对A点之矩等于F1、F2对A点之矩的代数和。则：例1-3求图所示各分布荷载对A点的矩。解：沿直线平行分布的线荷载可以合成为一个合力。合力的方向与分布荷载的方向相同，合力作用线通过荷载图的重心，其合力的大小等于荷载图的面积。根据合力矩定理可知，分布荷载对某点之矩就等于其合力对该点之矩（1）计算图（a）三角形分