《理论力学》PPT课件

.,1,理论力学,主讲 王卫东,.,2,.,3,绪 论,一、理论力学的研究对象和内容二、理论力学发展简史 三、学习理论力学的目的四、理论力学的研究方法,.,4,汽车碰撞仿真,.,5,.,6,.,7,一、理论力学的研究对象和内容,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改变。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。,而热运动、化学运动、电磁运动、生命现象中都含有位置的变化，但不能把它们简单地归结为机械运动。,.,8,课程内容,静力学,运动学,动力学,.,9,研究物体的受力分析、力系的等效替换（或简化）、建立各种力系的平衡条件的科学,静力学,.,10,只从几何的角度来研究物体的运动（如轨迹、 速度、加速度等），而不研究引起物体运动的物理 原因。,运动学,点的运动,.,11,研究受力物体的运动和作用力之间的关系。,动力学,.,12,二、理论力学发展简史,早在(公元前287212)古希腊阿基米德著的论比重就奠 定了静力学基础。 意大利的达芬奇(14521519)研究滑动摩擦、平衡、力矩。 波兰的哥白尼(14731543)创立宇宙“日心说”。 德国的开普勒(15711630)提出行星运动三定律。 意大利的伽利略(15641642)自由落体规律、惯性定律及加速 度的概念。,.,13,理论力学是以伽利略(Galileo 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。,英国伟大科学家牛顿(16431727)在1687年版的自然哲学的 数学原理一书总其大成，提出动力学的三个基本定律、 万有引力定律、天体力学等。是力学奠基人。,.,14,瑞士的伯努利(16671748)虚位移原理。 瑞士的欧拉(17071783)著出力学用微分方程研究。 法国达朗伯(17171785)名著动力学专论达朗伯原理。 法国拉格朗日(17361813)提出第二类拉格朗日方程。,.,15,我国古代人民(十四世纪以前) 在力学的发展上始终走在世界的前列。远在奴隶社会时代，我国劳动人民就积累了比较丰富的力学知识，如杠杆原理、功的原理、滚动磨擦的原理。我国古代的墨经是一部最早记述有关力学原理。在力学的发展史上，我国不乏光辉的实例。,.,16,岷江上的大型引水枢纽工程，也是现有世界上历史最长的无坝引水工程。始建于公元前256前251年。,都江堰,.,17,赵州桥(安济桥),591599年，跨度37.4米,采用拱高只有7米的浅拱-敞肩拱，敞肩拱的运用为世界桥梁史上的首创，并有“世界桥梁鼻祖”的美誉。,.,18,东汉时期，中国发生地震的次数是比较多的，为了测定地震方位，及时地挽救人民的生命财产，公元126年，张衡在第二次担任太史令之后， 就注意掌握收集地震的情报和记录，经过多年的潜心研究，终于在公元132年(东汉顺帝阳嘉元年)，发明了世界上第一台测定地震方位的科学仪器候风地动仪。,张衡与地动仪,.,19,1056年建成，采用筒体结构和各种斗拱，900多年来经受过多次地震的考验。,山西应县木塔,.,20,桥 梁 的 共 振 破 坏,1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁,.,21,1 工科专业要较多地接触机械运动的问题，学好了理论力学，应用所学的其它知识，我们基本上能解决实际生活中的机械运动问题。,三、学习理论力学的目的,道路转弯,火箭发射,.,22,重力坝的稳定问题,.,23,结构的静力计算,.,24,2 理论力学是学习一系列后续课程的重要基础，理论力学是研究力学中最普通的最基本的规律，很多课程如材料力学、机械原理、机械设计、流体力学、液压传动、汽车检测与维修、汽车理论、汽车可靠性等都要以理论力学的内容为基础。,3 随着科学技术的发展，交叉学科的地位也越来越重要。力学与其它学科的渗透形成了生物力学、爆炸力学、物理力学等边缘学科，这就需要我们有坚实的理论力学基础。,4 培养分析问题、解决问题的方法。,.,25,四、理论力学的研究方法,是从实践出发，经过抽象化、综合、归纳、建立公理，再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，然后再通过实践来验证理论的正确性。,.,26,五、力学的应用,航天工程 核反应堆工程 航空工程 石油工程 机械工程 电子工程 土木工程 计算机工程 水利工程 其它工程领域,.,27,航空航天技术,材 料,力 学,信 息,制 造,Aerospace,新能源,.,28,神舟6号,嫦娥一号,.,29,.,30,上海南浦大桥,.,31,浦东开发区高层建筑,.,32,爆破,.,33,长江三峡工程,.,34,核反应堆工程,.,35,.,36,计算机工程,.,37,其它领域,星系,.,38,大气海洋,.,39,豪华游艇,.,40,战斗机的振动模态分析,.,41,飞鸟与空中客车机翼相撞,.,42,导弹再入环境 热应力：变形与断裂 热化学烧蚀：氧化和升华 机械剥蚀：剪应力 侵蚀：高速粒子云撞击表面,.,43,运动中的乒乓球尾流,.,44,人造骨骼,.,45,轮胎与轮毂,.,46,天文望远镜桁架,.,47,大型射电望远镜,.,48,钢结构接头,.,49,齿轮啮合,.,50,“工程力学走过了从工程设计的辅助手段到中心主要手段的过程，不是唱配角而是唱主角了” 钱学森 1997年9月,.,51,建议和要求,1.按时听课，及时完成作业，作图要用直尺和圆规。 2.及时复习、多做习题、消化所学内容，避免考试前 突击。 3.提倡交流、讨论，共同提高。 4.课前预习，重点内容做好笔记（特别是重点强调的概念、习题和补充的例题），课下复习可以参考课件。 5.期末考试前只串讲主要内容，不涉及考试范围和重点。,.,52,静力学引言,.,53,力：物体间相互的机械作用，这种作用的效果是使物体的运动状态发生变化，或者使物体的形状发生改变。,几个基本概念,刚体：在力的作用下，其内部任意两点间的距离始终保持不变的物体.,力使物体运动状态发生变化的效应称为力的外效应或运动效应；力使物体形状发生改变的效应称为力的内效应或变形效应。,静力学：,研究物体在力系作用下的平衡条件的科学。,.,54,力系：一群力.,平衡：物体相对惯性参考系（如地面）静止或作匀速直线运动,力的三要素：大小、方向、作用点,平面汇交（共点）力系 平面平行力系 平面力偶系 平面任意力系,空间汇交（共点）力系 空间平行力系 空间力偶系 空间任意力系,力是矢量,力的单位： 国际单位制：牛顿(N),.,55,1、物体的受力分析：分析物体（包括物体系）受哪些力，每个力的作用位置和方向，并画出物体的受力图,2、力系的等效替换（或简化）：用一个简单力系等效代替一个复杂力系,3、建立各种力系的平衡条件：建立各种力系的平衡条件，并应用这些条件解决静力学实际问题 ,.,56,第一章 静力学公理和物体的受力分析,11 静力学公理 12 约束与约束反力 13 物体的受力分析与受力图,.,57,1-1 静力学公理,公理1 力的平行四边形法则,作用在物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力。合力的作用点也在该点，合力的大小和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定。,合力(合力的大小与方向) (矢量和),亦可用力三角形求得合力矢,A,.,58,公理2 二力平衡条件,使刚体平衡的充分必要条件,最简单力系的平衡条件,作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力的大小相等，方向相反，且作用在同一直线上。,.,59,只受两个力作用而平衡的构件，叫二力构件。,应用: 已知两力的作用点,确定其作用线.,.,60,公理3 加减平衡力系原理,在已知力系上加上或减去任意的平衡力系，并不改变原力系对刚体的作用。,该公理是力系简化的理论依据。,.,61,推理1 力的可传性,作用在刚体上的力是滑动矢量，力的三要素为大小、方向和作用线,作用于刚体上某点的力，可以沿着它的作用线移到刚体内任意一点，并不改变该力对刚体的作用。,.,62,推理2 三力平衡汇交定理,作用于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，则此三力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。,思考:三力平衡必汇交?,.,63,问题,（）,（）,若作用于刚体的三力作用线共面且汇交于同一点，则此三力一定是平衡力系。,在三力作用下的刚体平衡时，若其中两个力相互平行，则第三个力一定与前两个力平行。,.,64,应用,.,65,公理4 作用和反作用定律,作用力和反作用力总是同时存在，同时消失，等值、反向、共线，作用在相互作用的两个物体上,在画物体受力图时要注意此公理的应用,注意：平衡力和作用与反作用力的区别,.,66,公理5 刚化原理,柔性体（受拉力平衡）,刚化为刚体（仍平衡）,反之不一定成立,刚体（受压平衡）,柔性体（受压不能平衡）,变形体在某一力系作用下处于平衡，如将此变形体刚化为刚体，其平衡状态保持不变.,注意:刚体的平衡条件是变形体平衡的必要条件,而非充分条件.,.,67,自由体,非自由体,自由体位移不受限制的物体。 非自由体位移受到限制而不能作任意运动的物体。,1-2 约束和约束力,.,68,约束：对非自由体的位移起限制作用的物体.,约束力：约束对非自由体的作用力,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,除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋的力，称为主动力。 约束力是由主动力引起的，故它是一种被动力。,.,69,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）,.,70,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,.,71,2、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,柔索对物体的约束力沿着柔索背向被约束物体,.,72,胶带对轮的约束力沿轮缘的切线方向，为拉力,.,73,3 、光滑铰链约束（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,.,74,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,.,75,（2）光滑圆柱铰链,约束特点：由两个各穿孔的构件及圆柱销钉组成，如剪刀,.,76,光滑圆柱铰链约束,.,77,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,（含销钉）,.,78,（3） 固定铰链支座,约束特点：,铰链中两个构件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,.,79,4、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（实际方向也可以向下）,.,80,.,81,(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,.,82,（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 ,.,83,球铰