ch01静力学分析基础
静力学基础

三、力与力系
力:物体间的相互机械作用,是矢量。
单位:国际:牛顿(N),千牛(kN);
工程:千克力(kgf)。
注意:凡以人名命名的单位符号的第一个字母
要大写,如瓦特(W)、安培(A)、焦尔(J)
力系:同一个物体上作用着
两个及其以上的力,
则这些力组成力系。
F1 F3
F2
四、力的三要素
大小、方向、作用点。
力的基本性质是公理及其推论,它是静 力的作用面积很小,可以看做作用在一点上,称为集中力。
一般地:本课程研究的均为非自由体 在作用于刚体的任一力系中,加上或减去任一平衡力系,并不改变原力系对刚体的运动效应。 (1)拉杆BC受力图见图(b)
力学的理论基础,是解题的依据。 §1-4 受力分析和受力图
一般地:本课程研究的均为非自由体 如放在地板上的讲台,地板给讲台一个支持力。 3、光滑圆柱铰链约束(铰链约束) 反力沿接触点的公法线方向,背离光滑面
注意:不是平衡力系!! 为什么?
由于两个力作用于不同物体上,尽管有
“等值、反向、共线”
§1-3 约束与约束反力
证明:三个不平行的共面力F1、F2、F3分别作用于A1 、 A2 、 A3。
§1-3 约束与约束反力
一、自由体与非自由体 由于两个力作用于不同物体上,尽管有“等值、反向、共线”
B处由作用与反作用公理得R´B,与RB反向、等值。
② 其方向与被约束物体位移方向相反。 其由两带孔的物体用圆柱销钉插入孔中连接而成。 任何物体上都作用着一定的载荷,化工设备、机械是在一定载荷下工作的。
括总结出来,无需证明。 力的多边形法则(封闭边为合力) (多力合成) 。
力的多边形法则(封闭边为合力) (多力合成) 。 若刚体在两个力作用下平衡,充要条件是:两力大小相等,方向相反,并且在同一条直线上,即 (2)先画已知力(主动力)
静力学基础解析

光滑面约束的约束力是通过接触点、沿该点公 法线并指向被物体。一般用FN表示
FR
FN
FN´
FR
滑槽与销钉
3、光滑铰链约束
铰链约束的定义
铰 铰
将具有相同圆孔的两构件用圆柱形销钉连接起来, 称为中间铰约束
注意,图中的FR才是真正的约束力,满足光滑表面接触 约束特征,但其方向无法事先确定,故受力分析时将其向 坐标轴向投影得到Fx和Fy作为等效约束力分量。
作用于刚体并使之保持平衡的力系称为平衡力系, 或称为零力系
二、三个静力学公理
1、力的平行四边形法则
力的矢量和法则,可发展成为三角形法则
可用于汇交力系的几何加和,求合力
n
FR=
i=1
Fi
2、二力平衡原理
二力平衡与二力构件
作用在刚体上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、并沿同一直线作用
制物体沿绳索伸长方向的位移,只能承受拉力,不 能承受任何轴向压力和横向力。
FT
约束力作用在与 物体的连接点上,作
用线沿柔索方向,背
向 物 体 。 通 常 用 FT 表示。
滑 轮 缆 索
带 轮 、 链 轮
2、光滑刚性面约束(光滑表面接触)
光滑指无摩擦或摩擦力可以忽略
光滑刚性面约束特 点:这种约束不能阻 止物体沿接触点切面 任何方向的运动或位 移,而只能限制沿接 触点处公法线指向约 束方向的运动或位移 。
力的作用点是物体相互作用位置的抽象化
力是矢量,用F表示 矢量的模表示力的大小;用F表示 矢量的作用线方位以及箭头表示力的方向;F0 矢量的始端(或未端)表示力的作用点。
力矢量可在三维坐标系统内解析表达(两种方法)
实际载荷的简化 (表面力)
力学 静力学 第一章 静力学基础(一)

=( yZ −zY )i +( zX − xZ) j +( xY − yX )k =[mO (F )]x i +[mO (F )]y j +[mO (F )]z k
力矩矢量的方向
MO r
F
按右手定则 M= r*F r*
四、力 系 两个或两个以上的 力所构成的系统称为力 系,又称力的集合。 平面汇交力系、平 面平行力系、平面力偶 系、平面一般力系、空 间力系。
保持力偶矩矢量不变,分别改变力和 保持力偶矩矢量不变, 力偶臂大小,其作用效果不变。 力偶臂大小,其作用效果不变。
M=Fdk
只要保持力偶矩矢量大小和方向不变 , 力偶可在与其作用面平行的平面内移动 力偶可在与其作用面平行的平面内移动。
三 力偶系的合成 1、空间力偶系 力偶系合成的结果得到一个合力偶,其矩失 等于各力偶矩失的矢量和。 2、平面力偶系 力偶系合成的结果得到一个合力偶,其矩等 于各力偶矩的代数和。 即: n
力的表示方法: 力是矢量,在书写力时,常用一带箭头的线段 来表示力;在印刷体中,常用加黑的字母表示, 如F、P、G、F1等等。 F P G F 力的作用点: 通常当力的作用比较集中,对所研究问题的结 果不会产生影响,则可将其理想化为点,这个力 就称为集中力。当力分布于一个较大面积或较大 线性尺寸上时,应当按照分布力对待,其强度用 载荷集度标示,即单位面积或单位长度上的受力 大小(如:N/m,KN/c㎡等)。
力对点之矩失
m O ( F ) = r × F , m O ( F ) = r ⋅ F ⋅sin( r , F ) = F ⋅d
即:力对点的矩等于矩心到该力 力对点的矩等于矩心到该力 作用点的矢径与该力的矢量积。 作用点的矢径与该力的矢量积。
1-静力学基础知识

第一章 静力学基础知识
二力构件
只有两个力作用下处 于平衡的物体
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不是二力构件
二力杆不一定是直杆
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第一章 静力学基础知识
2、加减平衡公理 若在作用于刚体上的已知力系上添加或减去任 何平衡力系,则对刚体的作用效应并不改变。
=
在此,力是有固定作用线的滑动矢量
一、受力分析 解决力学问题时,首先要选定需要进行研究的物体,
即选择研究对象;然后根据已知条件,约束类型并结合 基本概念和公理分析它的受力情况,这个过程称为物体 的受力分析。 作用在物体上的力有: 一类是:主动力,如重力,风力,气体压力等。 二类是:被动力,即约束反力。
以上两类力通称为外力。
1.3 受力分析和受力图
作用在物体的同一点上的两个力的合力仍作 用在该点上,其大小和方向由两个力组成的 平行四边形的对角线表示。
F2
R F1 F2
F1
R F1 F2
F2 F1
1.1 力的基本概念和静力学基本公理
第一章 静力学基础知识
LIMING UNIVERSITY
R F2
F1
1.2 约束、约束的基本类型
一、约束的概念 自由体:位移不受限制的物体叫自由体。 非自由体:位移受限制的物体叫非自由体。 约束 :对非自由体的某些位移预先施加的限制条件称为
约束。(阻碍物体运动的装置)
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约束反力 :约束给被约束物体的力叫约束反力。 (约束反力总是与物体运动或运动趋势的方向相反) 如:踢到墙上的足球所受的力。
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静力学基础知识

固定结构的分析是指对固定 不动的物体进行受力分析, 确定其在重力、支撑力等作 用力下的平衡状态。这种分 析方法在建筑、机械等领域 广泛应用,用于评估结构的 稳定性、安全性和可靠性。
固定结构分析需要使用静力学的基本原理, 如力的合成与分解、力的矩、力的平衡等, 以及相关的数学工具,如线性代数和微积分。
通过力的平移,将一个力系简化为一个合力,这 个合力与原力系等效。
简化
合成
力系的平衡条件
平衡方程
平衡条件
对于一个物体,如果它处于静止状态或匀速直线 运动状态,那么这个物体所受的力系是平衡的。
对于一个物体,如果它受到n个力的作用,那么这 n个力的合力为零,即∑Fi=0。
静
第力
六 章
例学 应 用
实
固定结构的分析
静力学的发展历程
总结词
静力学的发展经历了古代静力学、经典静力学和现代静力学三个阶段。
详细描述
古代静力学阶段主要基于经验和直观,如阿基米德浮力原理和杠杆原理等。经典静力学阶段开始于文艺复兴时期,主 要基于数学和物理原理,发展了力的合成与分解、力矩平衡等基本理论。现代静力学则更加注重实验和计算机技术的 应用,发展了有限元分析、优化设计等现代分析方法。
平衡条件的对称性
静
第力
五 章
系学 中 的
力
力系的定义与分类
根据力的作用线是 否通过一点,可以 分为共点力系和非 共点力系;根据力 的作用线是否在同 一个平面内,可以 分为平面力系和空 间力系。
力系是作用在物体上的一组力的集合。 定义 分类
力系的简化与合成
将两个或多个力合 成一个或少数几个 力,这些力与原力 等效。
静
第力
一 章
工程力学第一章静力学基础知识

1-2 静力学公理
公理一的应用 人在划船离岸时,常把浆向岸上撑。这就是利用了作用力与反作用力的原理。
§1-2 静力学公理
二力平衡公理示意图
二、二力平衡公理(公理二)
作用于同一刚体上的两个力,使刚体平衡的必要且充分条件是,这两个力的大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。
第一章 静力学基础知识
202X
第一章 静力学基础知识
理解力、刚体和约束等概念。
深刻理解静力学各公理的内涵。
了解各种常见典型约束的性质,会正确表示各种典型约束的约束反力。
初步学会对物体进行受力分析的方法,能正确画出研究对象的受力图。
1-1 力与静力学模型
力
1.力的概念
1-1 力与静力学模型
02
几种常见的约束及其约束反力
1-3 约束与约束反力
1-3 约束与约束反力
约束与约束反力 自由体和非自由体
1-3 约束与约束反力
当物体沿着约束所能限制的方向有运动趋势时,约束为了阻止物体的运动,必然对物体有力的作用,这种力称为约束反力或反力。
约束——对非自由物体的限制
2.主动力与约束反力
足球
§1-1 力与静力学模型
弹簧形变
力的内效应
内效应——力使物体的形状发生变化的效应。
§1-1 力与静力学模型
4.力的三要素
大小 方向 作用点
力的三要素
§1-1 力与静力学模型
夹紧力作用点的选择 夹紧力作用点的选择
模型——对实际物体和实际问题的合理抽象与简化
刚体——对物体的合理抽象与简化
1-3 约束与约束反力
巧夹球形工件 用平口钳夹球形工件很难夹紧,这是因为平面与球面接触,接触面积小(理论上为点接触),要产生一定大小的约束反力F1、F2和摩擦刀矩M2,与轴向力F和切削力矩M1平衡,需要很大的夹紧力,易损坏球形工件。若用螺母代替,将是环面接触,加大了接触面积,改变了约束条件。因此,只需较小的夹紧力,就可使球形工件夹得很牢固。 4
第1章 静力学基础

第一章静力学基础学习目标:1.理解力、刚体、约束、约束力的概念和静力学公理。
2.掌握物体受力图分析。
静力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学,主要解决两类问题:一是将作用在物体上的力系进行简化,即用一个简单的力系等效地替换一个复杂的力系,这类问题称为“力系的简化(或力系的合成)问题”;二是建立物体在各种力系作用下的平衡条件,这类问题称为“力系的平衡问题”。
静力学是建筑力学的基础,在土木工程实际中有着广泛的应用。
它所研究的两类问题(力系的简化和力系的平衡),对于研究物体的受力和变形都有十分重要的意义。
力在物体平衡时所表现出来的基本性质,也同样表现于物体在一般运动的情形中。
在静力学中关于力的合成、分解与力系简化的研究结果,可以直接应用于动力学。
本章将阐述静力学中的一些基本概念、静力学公理、建筑工程上常见的典型约束力与约束反力,以及物体的受力分析。
第一节基本概念一、力力的概念是人们在生活和生产实践中,通过长期的观察、分析和总结而逐步形成的。
当人们推动小车时,由于手臂肌肉的紧张和收缩而感受到了力的作用。
这种作用不仅存在于人与物体之间,而且广泛地存在于物体与物体之间,例如机车牵引车辆加速前进或者制动时,机车与车辆之间、车辆与车辆之间都有力的作用。
大量事实表明,力是物体(指广义上的物体,其中包括人)之间的相互作用,离开了物体,力就不可能存在。
力虽然看不见摸不着,但它的作用效应完全可以直接观察,或用仪器测量出来。
实际上,人们正是从力的效应来认识力本身的。
1.力的定义力是物体之间相互的机械作用。
由于力的作用,物体的机械运动状态将发生改变,同时还引起物体产生变形。
前者称为力的运动效应(或外效应);后者称为力的变形效应(或内效应)。
在本课程中,主要讨论力对物体的变形效应。
2.力的三要素实践表明,力对物体作用的效应,决定于力的大小、方向(包括方位和指向)和作用点,这三个因素称为力的三要素。
力的大小表示力对物体作用的强弱。
静力学分析基础

与静力学有密切联系。
静力学在新技术领域的应用
1 2
静力学在机械设计中的应用
机械设计中的结构分析和优化设计需要应用静力 学理论,以确保机械设备的稳定性和可靠性。
静力学在航空航天领域的应用
航空航天器在静止状态下的受力分析需要应用静 力学理论,以确保其结构的完整性和安全性。
3
静力学在土木工程中的应用
土木工程中的建筑物和桥梁等结构的稳定性分析 和设计需要应用静力学理论。
静力学分析基础
目录
• 静力学基本概念 • 静力学基本原理 • 静力学分析方法 • 静力学在工程中的应用 • 静力学的发展与展望
01
静力学基本概念
力的概念
总结词
力的概念是静力学分析中的基本要素,它描述了物体之间的相互作用。
详细描述
力是一个矢量,具有大小和方向两个基本属性。在物理学中,力是改变物体运 动状态的原因。在静力学中,主要关注处于平衡状态的物体所受的力。
02
静力学基本原理
二力平衡原理
总结词
二力平衡原理是静力学的基本原理之一,它指出一个物体在两个大小相等、方向相反且作用线通过同一点的力作 用下,将处于平衡状态。
详细描述
二力平衡原理是静力学中最基本的原理之一。当一个物体受到两个大小相等、方向相反且作用线通过同一点的力 作用时,物体将处于平衡状态,不会发生运动或转动。这个原理是静力学分析的基础,广泛应用于各种工程领域。
05
静力学的发展与展望
静力学与其他学科的交叉研究
静力学与材料科学
01
静力学在材料科学中广泛应用于研究材料的力学性能,如强度、
刚度和稳定性等。
静力学与流体力学
02
流体力学中的流体静力学是研究流体静止或相对静止状态下的
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§1- 4 受力图
§1- 4 受力图
例1-3 如图曲柄冲压机工作 简图,皮带轮重为G,冲 头C及连杆BC的重量忽略 不计,冲头C所受工作阻 力为Q。试画出带轮A、连 杆BC、冲头C和整个系统 的受力图。
§1- 4 受力图
§1- 4 受力图
二、画受力图应注意的问题
1、不要漏画、多画力
2、不要画错力的方向 3、受力图上不带约束 4、受力图只画外力,不画内力 5、同一系统各研究对象的受力图必须整体与部分一致, 相互协调,不能相互矛盾 6、正确判断、利用二力杆、三力平衡简化问题
§1- 4 受力图
一、受力图 画物体受力图主要步骤为: ①选研究对象;②取分离体;③画上主动力; ④画出约束反力。 例 1-1 一重为G的球体A,用绳子BC系在光滑的 铅垂墙壁上,试画出球体A的受力图。
C FT
B
FN D A G D
B
A G
§1- 4 受力图
例1-2 如图所示三铰拱桥,由左、右两半拱铰接而 成。设半拱自重不计,在半拱AB上作用有载荷 F,试画出左半拱片AB的受力图。
§1-1 静力学分析的基本概念和公理
一: 力的概念
1.定义:力是物体间的相互机械作用,这种作用可以使物 体的运动状态或形状尺寸发生变化。 2. 力的效应: ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。 3. 力的三要素:大小,方向,作用点
F A
力的单位:
牛顿(N)以及千牛(KN) 力——矢量
§1-1 静力学分析的基本概念和公理
P P N N
P P
N N
§1- 3 约束和约束反力 3、光滑铰链约束及其反力FN
光滑铰链约束特点(摩擦忽略不计): 只能限制两物 体的相对移动,而不能限制两物体的相对转动的约
束,包括中间铰链约束、固定铰链约束和活动铰支
座三种类型。 约束反力:通过铰链中心,大小、方向均未确定。 一般用一对通过铰链中心,大小未知的正交分力来 表示。但其中二力构件、活动铰支座的反力方向是
§1- 2 静力学公理
[例] 吊灯
在画物体受力图时要注意此公理的应用。
§1- 3 约束和约束反力
一、概念
约束:能限制某些物体运动的其它物体。 约束反力(反力):约束对非自由体的作用。
约束反力特点:
①大小常常是未知的; ②方向总是与约束限制的物体的位移方向相反; ③作用点在物体与约束相接触的那一点。
方向相反 F1 = –F2
作用线共线
§1- 2 静力学公理
只有两个力作用下处于平衡的物体
二力构件 力作用线为两接触点连线
不是二力构件 (忽略重力?)
§1- 2 静力学公理 公理2 加减平衡公理
在作用于刚体的任意力系上,加上或减去任意 平衡力系,并不改变原力系对刚体的作用效应。
推论1:力的可传性
力可以在刚体上沿其作用线移至任意一点而不 改变它对刚体的作用效应
可以确定的。
§1- 3 约束和约束反力
中间铰链约束
§1- 3 约束和约束反力
固定铰链约束
§1- 3 约束和约束反力
活动铰支座
§1- 3 约束和约束反力
4、固定端约束及其反力 固定端约束特点:一杆插入固定面的力学模型, 如车刀与工件分别夹持在刀架和卡盘上,都是 固定不动的。 约束反力:固定端既限制了物体的垂直与水平移 动,又限制了物体的转动,故此在平面问题中, 可将固定端约束的约束反力简化为一组正交的 约束反力与一个约束力偶。
(作用在刚体上的)力的三要素可以叙述为: 大小、方向、作用线
§1- 2 静力学公理
公理3 力的平行四边形法则
作用于物体上同一点的两个力可合成为一个合力,此合力
也作用于该点,合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成 的平行四边形的对角线来表示。
F R F1 F 2 ( 矢量和 )
此公理表明了最简单力系的简化规律,是复杂力 系简化的基础。
§1-1 静力学分析的基本概念和公理
二.刚体 是指在力的作用下,大小和形状都不变的物体。
F’
F
刚
F F’
体
§1-1 静力学分析的基本概念和公理
变 形 体FLeabharlann F’FF’
§1- 2 静力学公理
公理1 二力平衡条件
作用于刚体上的两个力,使刚体平衡的必要与充分
条件是:
这两个力大小相等 | F1 | = | F2 |
§1- 2 静力学公理
推论2:三力平衡汇交原理 作用在刚体上三个相互平衡的力,
若其中两个力的作用线汇交于一点,
则第三个力的作用线通过汇交点。
[证] ∵ F1 , F 2 , F 3 为平衡力系, ∴ R , F 3 也为平衡力系。
又∵ 二力平衡必等值、反向、共线,
∴ 三力 F1 , F 2 , F 3 必汇交,且共面。
4.相关的概念 平衡:是指物体相对于地球静止或匀速直线运动。 力系:是指作用在物体上的一群力。
平衡力系:一组使物体处于平衡状态的力
等效力系:一个力系与另一个力系对物体的作用效果
相同,两力系互为等效力系。
合力:一力与一力系等效,则该力为力系合力
分力:一力与一力系等效,则力系中各力为力的分力
力的合成与分解
§1- 5 本章小结
本章小结: 1、静力学基本概念(了解) 2、静力学公理(掌握) 3、约束和约束反力(掌握) 4、受力图(掌握) 作业:
§1- 2 静力学公理
§1- 2 静力学公理
公理4 作用力和反作用力公理
两物体间的作用力与反作用力总是同时存在,且大
小相等、方向相反、沿同一条直线,分别作用在这
两个物体上。
作用力与反作用力互相依存、同时出现、同时
消失,分别作用在相互作用的两物体上。
作用力与反作用力与二力平衡公理中的两个力
有着本质的区别。
第一篇 构件静力分析
• 研究对象: 平衡状态的刚体或刚体系统 • 研究内容: ①物体的受力分析; ②力系的简化; ③物体在力系作用下处于平衡的条件及其 在工程实践中的应用。
第一章 静力学分析基础
本章主要内容: 1、静力学基本概念 2、静力学公理 3、约束和约束反力 4、受力图 重点: 1、静力学公理 2、约束和约束反力 3、受力图
N1
G
N2
§1- 3 约束和约束反力
二、约束的基本类型
1、柔性约束
2、光滑面约束
3、光滑铰链约束
4、固定端约束
§1- 3 约束和约束反力 1、柔性约束及其反力FT
绳索类只能受拉,所以它们的约束反力是作用在接
触点,方向沿绳索背离物体。
FT
P
P
§1- 3 约束和约束反力
2、光滑面约束及其反力FN
约束反力作用在接触点处,方向沿公法线,指向 受力物体