静力学基本概念及原理

静力学基本概念及原理学习本章时要求读者必须明确和掌握的问题如下：(1)了解和掌握力和力系的基本概念、基本原理，明确静力学研究的基本对象。(2)了解和掌握约束及约束反力的概念，工程中不同约束类型的受力特点及其一般表达方法。(3)了解和掌握物体受力分析的一般步骤及其在工程中的应用。1.1力和刚体的概念力和刚体是静力学中两个重要的基本概念，力一般是指物体间相互机械作用，刚体是指在力的作用下不会变形的物体（即其内部任意两点之间的距离始终保持不变），它是一个理想化的力学模型。1.1.1力的概念力是物体间的相互机械作用，这种作用使物体的运动状态发生改变，或使物体产生变形。力使物体改变运动状态的效应称为力的外效应，使物体产生变形的效应称为力的内效应。力对物体作用的效应取决于力的三要素，即力的大小、方向、作用点。1.1.2力系的分类力系依作用线分布情况有以下几种：若所有力的作用线在同一平面内时，称为平面力系；否则称为空间力系。若所有力的作用线汇交于同一点时，称为汇交力系；而所有力的作用线都相互平行时，称为平行力系。力偶系则是指力系中所有各力均以力偶的方式组成。1.1.3刚体的概念静力学主要研究物体的平衡，即物体机械运动的一种特殊状态，此时物体的变形成为次要因素，可以忽略不计。这就引出一种理想的物体概念，即刚体的概念。所谓刚体是指在力作用下体积和形状都不会改变的物体，其内部任意两点间距离始终保持不变。这是一个理想化的力学模型。1.2静力学基本原理牛顿运动定律是研究物体机械运动一般规律的基础，也是研究机械运动的特殊情形——平衡问题的基础。这里只提出静力学中用到的几个原理。这几个原理，有的就是牛顿定律本身的内容；有的则是可由牛顿定律导出的结论。不过这里将不加证明，而只作为由实践验证的原理提出来。1.2.1二力平衡原理作用于同一刚体的两个力平衡的必要与充分条件是：两个力大小相等、方向相反、作用线在同一直线上。1.2.2加减平衡力系原理在任一力系中加上一个平衡力系，或者减去一个平衡力系，所得新力系与原力系对于刚体的作用效应相同。推论1：力的可传性原理作用于刚体上的力，可沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变它对于刚体的效应。1.2.3力的平行四边形法则作用在一个物体上的两个共点力可以合成为一个合力，合力作用于两分力的公共作用点。合力的大小和方向由以这两力为边的平行四边形对角线确定。如图1.1(a)所示作矢量AB及AD分别代表力F1及F2，以AB和AD为邻边作平行四边形ABCD，则对角线矢量AC即代表F1与F2的合力FR；力F1及F2则称为FR的分力。平行四边形法则表明，共点的两个力的合力等于这两个力的矢量和，用矢量方程表示，就是FR=F1+F2有时用三角形法则求合力的大小和方向：在图1.4(b)中，作矢量AB代表力F1，再从F1的终点B作矢量BC代表力F2，最后从F1的起点A向F2的终点C作矢量AC，则AC即为合力FR。推论2：三力平衡汇交定理当刚体受三个力作用而平衡时，若其中任何两个力的作用线相交于一点，则剩余一力的作用线必交于同一点，且三个力的作用线位于同一平面内，如图1.2所示。图1.1力的合成图1.2三力平衡汇交1.2.4作用与反作用定律两物体间相互作用的力(作用力与反作用力)总是同时存在、大小相等、作用线相同而方向相反，分别作用在两个相互作用的物体上。1.2.5刚化原理如果变形体在某一力系作用下处于平衡，若将此变形体刚化为刚体，其平衡状态不变。例如，在图1.3(a)中，弹簧AB在力、的作用下保持平衡。若将该弹簧刚化成为图1.2(b)中的刚杆，其平衡状态不改变。图1.3刚化原理说明1.2.6解除约束原理当任何约束解除时，可用相应的约束反力代替。此原理表明，在静力学中，约束对物体的作用，完全取决于约束反力。1.3约束与约束反力力学里考察的物体，有的不受什么限制而可以自由运动，称为自由体，如飞机；有的则在某处受到限制而使其沿某些方向的运动成为不可能，如用绳子悬挂而不能下落的重物，支承于墙上而静止不动的屋架等，称为非自由体或受约束体。阻碍物体运动的周围物体则称为约束。约束是以物体相互接触的方式构成的，上述绳索对于所悬挂的重物和墙对于所支承的屋架都构成了约束。约束对于非自由体施加的力称为约束反力，或约束力、反力。与约束力相对应，有些力主动地使物体运动或使物体有运动趋势，这种力称为主动力。如重力、水压力、土压力等都是主动力，工程上也常称作荷载。主动力一般是已知的，而约束力则是未知的。但是，某些约束的约束力的作用点、方位或方向，却可根据约束本身的性质加以确定，确定的原则是：约束力的方向总是与约束所能阻止的运动方向或运动趋势相反。下面是工程中常见的几种约束的实例、简化记号及对应的约束力的表示法。对于指向不定的约束力，图中的指向是假设的。1.3.1柔性体约束绳索、链条、皮带等属于柔性体约束。由于柔性体只能承受拉力，所以柔性体给予所系物体的约束力作用于接触点，方向沿柔性体中心线而背离物体如图1.4所示。图1.4柔性体约束1.3.2光滑接触面当两物体接触面上的摩擦力可以忽略时，即可看作光滑接触面。这时，不论接触面形状如何，只能阻止接触点沿着通过该点的公法线趋向接触面的运动。所以，光滑接触面的约束力通过接触点，沿接触面在该点的公法线上，并为压力(指向物体内部)，如图1.5所示。图1.5光滑面约1.3.3铰支座与铰连接在工程中铰支座和铰链接应用很多，主要有以下几种类型：1)固定铰支座2)铰连接(或中间铰支座)3)活动铰支座或辊轴支座4)滑移支座5)球铰支座1.3.4径向轴承与止推轴承轴承按约束类型可分为径向轴承和止推轴承。1)径向轴承机器中的径向轴承是转轴的约束，它允许转轴转动，但限制转轴在垂直于轴线的任何方向的移动，如图1.6(a)所示。径向轴承的简化表示如图1.6(b)所示，其约束力可用垂直于轴线的两个相互垂直的分力和来表示，如图1.6(c)所示。图1.6径向轴承2)止推轴承止推轴承也是机器中常见的约束，与径向轴承不同之处是它还能限制转轴沿轴向的移动，如图1.7(a)所示。止推轴承的简化表示如图1.7(b)所示，其约束力增加了沿轴线方向的分力，如图1.7(c)所示。图1.7止推轴承1.3.5固定支座将物体的一端牢固地插入基础或固定在其他静止的物体上，就构成固定支座，有时也称为固定端，如图1.8所示。图1.8(a)所示为平面固定支座，如图1.8(b)所示为空间固定支座，它们的简化表示如图1.8(c)、(d)所示。图1.8固定支座1.4物体的受力分析和受力图所谓受力分析，是指对研究对象上所有受力的大小和方向的分析过程。受力分析是解决力学问题的第一步。准确和熟练地作好研究对象的受力分析是静力学学习的基本要求。工程上的结构物或机械，一般都是颇为复杂的，在进行受力分析时，需要根据问题的要求，适当加以简化成为合理的力学模型。将这力学模型用图形表示出来，所得图形就叫做受力图。简化的原则是：力求符合客观存在的条件，反映结构物或机械的力学特点，并满足工程要求。作受力图的一般步骤是：(1)取研究对象并画出简图；(2)画出主动力；(3)分析约束并画出约束反力。【例1.1】重量W的管子用板AB及绳BC支承，如图1.9(a)所示的是简化后的平面图形。试分别画出管子及板AB的受力图。接触点D、E两处的摩擦及板重都不计。首先作管子的受力图，如图1.9(b)所示，管子受重力W，通过中心O。因D、E两处为光滑接触，管子在这两处分别受到墙壁及板AB作用的力及，各垂直于墙壁及板AB，通过管子中心O，并为压力。再作板AB的受力图，如图1.9(c)所示。A点是铰支座，约束力用、表示，指向假设如图。B点受绳子拉力，由B指向C。E点受到管子作用的力；与互为作用力与反作用力，所以的方向必与的方向相反。NDFNEFAxFAyFTFEFNEFNEFNEFNEFN图1.9