汽车机械基础物体的受力分析实用教案

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1、 理论力学内容包括： 静力学：研究物体(wt)的平衡问题； 运动学：研究物体(wt)运动的几何性质； 动力学：研究物体(wt)运动和物体(wt)受力关系第12章 物体(wt)的受力分析 理论力学任务： 1）作为技术基础课，给后续课打基础； 2）研究质点、质点系和刚体机械运动的基本规律机械运动：物体在空间的位置随时间的变化。第1页/共106页第一页，共106页。 理论力学研究(ynji)方法： 1）基于生产和生活实践中总结出的力学最基本规律； 2）由实际抽象出力学模型，逻辑推理，建立理论体系； 3）实践检验，不断发展需要知识(zh shi)：高等数学 机械制图 普通物理第2页/共106页第二页，

2、共106页。1）静力学： 研究物体(wt)在力系作用下处于平衡的科学。2）力系： 指作用在物体(wt)上的一群力。3）平衡： 物体(wt)相对于惯性参考系处于静止或匀速直线运动状态。4）平衡力系： 一个物体(wt)在某个力系作用下处于平衡状态，则该力系为平衡力系。刚体(gngt)静力学基本概念第3页/共106页第三页，共106页。5）静力学研究问题：(1)物体受力分析：物体受力有两类.既主动力和约束反力。(2)力系的简化：用简单力系代替复杂力系，总效果不变。(3)物体在力系作用(zuyng)下的平衡条件和力系的平衡方程。刚体(gngt)静力学第4页/共106页第四页，共106页。一、力1力的概

3、念 力是物体间的相互机械作用 1）力的外效应： 外力作用改变物体的运动状态。理论力学 2）力的内效应： 内力(nil)作用使物体产生变形。材料力学2力的两种作用方式 直接作用：例如人推车，两物体碰撞。 场作用：重力场，磁力场。第一节 基本概念和物体(wt)的受力分析基本概念第5页/共106页第五页，共106页。3力的三要素： （1）力的大小(dxio)；（2）力的方向；（3）力的作用点. BFAN1基本概念第6页/共106页第六页，共106页。5力的单位 在国际单位制（SI)中，以“N” 作为(zuwi)力的基本单位符号，称作牛顿。有时也用 “kN”作为(zuwi)力的基本单位符号，称作千牛顿

4、。4力的表示 可以(ky)用矢量表示力的三个要素，该矢量的长度按一定比例尺表示力的大小；矢量的方向表示力的方向；矢量的始端（点A）表示力的作用点；所沿着的直线（图中虚线）表示力的作用线。我们用 表示力的矢量，用 表示力的大小。FF基本概念第7页/共106页第七页，共106页。1）刚体： 指在力的作用下，其内部任意两点之间距离保持不变的物体。即在力的作用下体积(tj)和形状都不发生改变的物体。这是一个理想化的力学模型。 实际物体在力的作用下都产生变形。当研究物体在力系作用下的外部效应时。忽略变形，并不影响物体的平衡问题研究。静力学研究的对象就是刚体，静力学一般称为刚体静力学。 当研究物体在力系作

5、用下的内部效应时，不能忽略物体变形的作用，这正是材料力学研究的问题。二、刚体(gngt)定义第8页/共106页第八页，共106页。2）单刚体： 指研究对象是一个单独的物体。3）刚体系： 指研究对象是一个物体系，它包括组成一个物体系的多个单刚体和联结点。4）联结点： 指刚体之间的联结部分(b fen)。它可以是联结构件和相联结点。二、刚体(gngt)定义第9页/共106页第九页，共106页。1公理一（二力平衡公理） 作用(zuyng)在刚体上的两个力使刚体处于平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等、方向相反、作用(zuyng)在同一直线。即等值、反向，共线。 对于刚体，这个条件是其平衡(png

6、hng)的必要和充分条件。1F1F1F1F)(a)(b三、静力学公理(gngl)第10页/共106页第十页，共106页。2F2F2F2F)(c)(d 对于变形体，该条件仅是平衡的必要条件，但不是(b shi)充分条件。三、静力学公理(gngl)第11页/共106页第十一页，共106页。2 2公理二（公理二（ 加减平衡力系公理）加减平衡力系公理） 在作用于刚体的力系中，任意加上或减去一个在作用于刚体的力系中，任意加上或减去一个(y )(y )平衡力系。不改变原力系对平衡力系。不改变原力系对刚体的作用效果。即新力系和原力系等效，这个公理可以用来简化力系。刚体的作用效果。即新力系和原力系等效，这个公

7、理可以用来简化力系。 推论：力的可传性原理推论：力的可传性原理作用在刚体上的力可以沿其作用线移动到刚体的任意一点。作用在刚体上的力可以沿其作用线移动到刚体的任意一点。三、静力学公理(gngl)第12页/共106页第十二页，共106页。 证明(zhngmng)： 作用于刚体上力的三要素变为：力的大小，力的方向(fngxing)和力的作用线。可见作用于刚体上的力为滑动矢量。 ABF1F2F AB2F ABF三、静力学公理(gngl)第13页/共106页第十三页，共106页。3 3公理三（力的平行四边形法则）公理三（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

8、该点，合力的大小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和方向，由这两个力为边构成的平行四边形的对角线确定(qudng)(qudng)；或者说，合力矢等于这两；或者说，合力矢等于这两个分力矢的几何和。个分力矢的几何和。 即：即：21FFFR三、静力学公理(gngl)第14页/共106页第十四页，共106页。 )(a1FCDAB2FRF )(bABC1F2FRF 当只求合力的大小和方向时，可用力的三角形法则：从A点作与 大小相同，方向相同的矢量 ，过B点作与 大小相同的矢量 ， 既表示的合力的大小和方向。2F

9、ABBCAC1F三、静力学公理(gngl)第15页/共106页第十五页，共106页。4公理四（作用和反作用定律） 两个物体(wt)间的作用和反作用力。总是大小相等、方向相反、作用在同一直线，分别作用在两个物体(wt)上。 这个定律表明了力是成对出现，等值、反向，共线，但是作用在两个物体(wt)。BA F1FBA 1FF5刚化原理 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(gngt)，其平衡状态不变。三、静力学公理(gngl)第16页/共106页第十六页，共106页。1几个定义：1)自由体:能在空间作任意运动(yndng)的物体叫自由体。2)非自由体： 位移受到周围其它物体限制，不

10、能沿着某些方向运动(yndng)的物体称为非自由体。3)约束: 限制非自由体运动(yndng)的条件，这些条件往往是周围的物体构成，这些物体称为约束。4)约束力:约束对非自由体的机械作用称为约束力。 约束反力的方向与其所限制运动(yndng)的方向相反。约束(yush)和约束(yush)反力第17页/共106页第十七页，共106页。2. 约束(yush)类型H柔性柔性(ru xn)(ru xn)体约束体约束G绳绳G皮带皮带(p di)(p di)APAFPBA1O2OAFBFAFBF1O2O第18页/共106页第十八页，共106页。BA1O2O1O2OAFAFG链条链条(lintio)(lin

11、tio)2. 约束(yush)类型H柔性柔性(ru xn)(ru xn)体约束体约束第19页/共106页第十九页，共106页。H光滑光滑(gung hu)(gung hu)面约束面约束AAPAFAPACCFCAAPAFAPAG固定固定(gdng)(gdng)平面平面G固定固定(gdng)(gdng)曲面曲面G齿轮的齿面齿轮的齿面第20页/共106页第二十页，共106页。AG向心向心(xin xn)(xin xn)轴承轴承yxzAAAyFAzF第21页/共106页第二十一页，共106页。G固定固定(gdng)(gdng)铰链支座铰链支座AAyFAxFAxFAyFAAA第22页/共106页第二十二

12、页，共106页。BCACG圆柱圆柱(yunzh)(yunzh)铰链铰链AyFAxFABCByFBxF)1(CyF)1(CxF)2(CyF)2(CxF)1(CxF)1(CyF)2(CxF)2(CyF第23页/共106页第二十三页，共106页。G滚动滚动(gndng)(gndng)支座支座ABCAFBFCFH其它其它(qt)(qt)约束约束G球铰支座球铰支座(zh zu)(zh zu)约束约束AxyzAxFAyFAzFA第24页/共106页第二十四页，共106页。G止推轴承止推轴承(zhuchng)(zhuchng)约束约束yxzAAyFAxFAzFA第25页/共106页第二十五页，共106页。

13、画受力图，对物体(wt)进行受力分析，是求解静力学问题的关键步骤。受力分析(fnx)画受力图物体的受力分析步骤(bzhu)：1）取研究对象。(1)单刚体，取其本身为研究对象；(2)刚体系，要取相关刚体和联结点为研究对象。2）建立坐标系,为直角坐标系（满足右手法则）。3）画受力图(1)依据主动力类型分析主动力，画主动力。(2)依据约束反力类型分析约束反力，画约束反力。 (3)画刚体系的联结点受力图。第26页/共106页第二十六页，共106页。第27页/共106页第二十七页，共106页。解：本题为单刚体受力分析问题(wnt)。 1) 取梯子AB为研究对象2) 建立(jinl)坐标系如图(a) 3)

14、 受力如图(b) xyzABDC030P)(aADCB)(bAFCFBFP例2:一个梯子AB，两端(lin dun)放在光滑面上，在C点一水平绳联结，梯子重量为P，作用在D点，见图(a)。对梯子AB受力分析。受力分析画受力图第28页/共106页第二十八页，共106页。ABDCxyz)(aabq例3: 刚架ABCD上作用分布(fnb)载荷q，尺寸如图。对于刚架受力分析。受力分析(fnx)画受力图第29页/共106页第二十九页，共106页。2) 建立(jinl)坐标系如图(a)3) 受力分析如图(b) 解：本题为单刚体(gngt)受力分析问题1) 取刚架ABCD为研究对象)(bqbaABCDxyz

15、AxFAyFBF受力分析(fnx)画受力图第30页/共106页第三十页，共106页。例5 一个(y )杆结构如图，AC=BC,BC重量不计，试对其刚体系受力分析。解：本题为刚体系受力分析(fnx)问题，按刚体系受力分析(fnx). 由于BC杆只有B,C两点受力而平衡，所以BC为二力杆， 依照公理1可以确定B，C两点受力方向沿直线BC。1)取AC和BC及联接点C为研究对象2)建立坐标系yxz1F045AB0300302FCD受力分析(fnx)画受力图第31页/共106页第三十一页，共106页。1F045AByxz0300302FCD1F030DCA)1(CxF)1(CyFAxFAyF030)2(

16、CF)2(BF)1(CyF)1(CxF2F)2(CF0453)受力分析(fnx)受力分析(fnx)画受力图第32页/共106页第三十二页，共106页。12.2 平面(pngmin)汇交力系1汇交力系 作用于刚体(gngt)上所有力的作用线都交于一点的力系称为汇交力系（包括平面汇交力系和空间汇交力系）1F2F3F4F5Fxzy第33页/共106页第三十三页，共106页。1) 汇交力系合成几何法： 设刚体(gngt)上作用在同一点的力系F1,F2, Fn.； 它们合成可以根据平行四边形法，两个力逐个合成，最后得到一个通过汇交点 A 的合力。1F2F4F5F3Fxzy1RF2RF3RFRF12.2

17、平面(pngmin)汇交力系第34页/共106页第三十四页，共106页。求使合力(hl)FR为1kn，要求F2尽可能小，确定角和F1，F2。RFo20O2F1F )-20-/sin(180F/sinooR1F由正弦(zhngxin)定理：RFo202F1F )-20-/sin(180F02/sinooRo2F又F2最小： )-(160)/sin-cos(160sin20F/o2ooR2ddF0)-cos(160o34294021FF12.2 平面(pngmin)汇交力系第35页/共106页第三十五页，共106页。 kFjFiFFFFFiziyixiziyixiniizniiyniixniiRk

18、FjFiFFF1111kFjFiFFzyx由力的分解(fnji)得各分力矢量表达式xyzFxFyFzFO12.2 平面(pngmin)汇交力系第36页/共106页第三十六页，共106页。kFjFiFFFFFRzRyRxRzRyRxRniixRxFF1222RzRyRxRFFFFniizRzniiyRyFFFF11, 212121)()()(niizniiyniixFFF合力(hl)矢：合力(hl)的大小：12.2 平面(pngmin)汇交力系第37页/共106页第三十七页，共106页。12.2 12.2 平面(pngmin)(pngmin)汇交力系 合力(hl)方向为：RRxRFFiF),co

19、s(RRzRRRyRFFkFFFjF),cos(),cos(第38页/共106页第三十八页，共106页。0RF 力多边形自行(zxng)封闭，刚体处于平衡状态。此即汇交力系平衡条件。汇交力系的平衡条件xzya2FRF4F5F1RF3F2RF3RF1F0)()()(212121niizniiyniixRFFFF第39页/共106页第三十九页，共106页。汇交力系的平衡条件000111niizniiyniixFFF000zyxFFF汇交力系平衡(pnghng)方程第40页/共106页第四十页，共106页。0FFR力多边形自行封闭，刚体处于(chy)平衡状态。此即汇交力系平衡条件。平面(pngmin

20、)汇交力系的平衡条件0011niiyniixFF0)()(2121niiyniixRFFF00yxFF平衡平衡(pnghng)方程方程几何法解析法第41页/共106页第四十一页，共106页。F030lAB例2 一个梁结构如图，在F力作用(zuyng)下处于平衡状态，求A，C支座反力。030FlAB030030AFBFFAF三力汇交平衡条件：三力汇交平衡条件：一物体上作用一物体上作用(zuyng)(zuyng)三个力时三个力时平衡，三力共面且汇交于一点。平衡，三力共面且汇交于一点。FFFFBA3330cos20几 何几 何 ( j h)法法BF第42页/共106页第四十二页，共106页。F030

21、lAB解析解析(ji (ji x)x)法法1）取梁为研究(ynji)对象030sin30sin00BAFF0 yF2 ） 取 坐 标(zubio)3）受力分析5）列平衡方程解未知力4）分析力系：平面汇交力系030sin60sin00 FFBFFB33030FlABAFBFxy060 x0300 xFFFFBA33第43页/共106页第四十三页，共106页。第三节 力对点之矩 谁曾经想过用杠杆来移动地球？ 古希腊科学家阿基米德曾说过“如果给我一个支点(zhdin)，我就能撬起地球”。这句名言从理论上讲是完全正确的，因为杠杆能使力变大，只要杠杆足够长，就能产生足够大的力来“搬动”地球。力矩(l j

22、)的概念第44页/共106页第四十四页，共106页。 力对点之矩是度量力使刚体绕某力对点之矩是度量力使刚体绕某点转动点转动(zhun dng)(zhun dng)效应的物理量。效应的物理量。 O O为刚体内或外的任意为刚体内或外的任意(rny)(rny)点点 力矩中心简称矩心；力矩中心简称矩心； 力臂力臂(l b)(l b)：矩心到力作用线的垂直：矩心到力作用线的垂直距离。距离。FOM力矩的表示符号力矩的表示符号： 第45页/共106页第四十五页，共106页。力矩力矩(l j)(l j)的表达式为：的表达式为： 符号符号“ ” 表示力矩的转向，确定在平面问表示力矩的转向，确定在平面问题中，逆时

23、针转向的力矩取正号，顺时针转向题中，逆时针转向的力矩取正号，顺时针转向的力矩取负号。故平面上力对点之矩为代数量。的力矩取负号。故平面上力对点之矩为代数量。 dFMOF第46页/共106页第四十六页，共106页。FrhABOOABoShFFm2)(符号： 力使物体(wt)绕矩心逆时针转动，取正；反之取负。 应当注意：一般来说，同一个力对不同点产生的力矩是不同的，因此不指明矩心而求力矩是无任何意义的。在表示力矩时，必须(bx)标明矩心。 也就是说力矩与矩心的位置有关。第47页/共106页第四十七页，共106页。力矩(l j)的性质3.力的大小等于零或力的作用(zuyng)线过矩心时，力矩等于零。2

24、.力在刚体上沿作用(zuyng)线移动时，力对点之矩不变。1.力F对O点这矩不仅取决于F的大小，同时还与矩心的位置即力臂d有关。4.互成平衡的两个力对同一点之矩的代数和为零。第48页/共106页第四十八页，共106页。合力矩(l j)定理 平面力系有一合力时，合力对平面内任一点之矩，等于(dngy)各分力对同一点之矩的代数和。表达式为： 在计算力矩时，若力臂不易(b y)求出，常将力分解为两个易确定力臂的分力（通常是正交分解），然后应用合力矩定理计算力矩。iOnOOOROMMMMMFFFFF21第49页/共106页第四十九页，共106页。 例1.1 1.1 如图所示，数值相同的三个力按不同方式

25、分别(fnbi)(fnbi)施加在同一扳手的A A端。若F=200NF=200N，试求三种不同情况下力对点O O之矩。 解：图示的三种情况下，虽然力的大小、作用点和矩心均相同，但力的作用线各异，致使力臂均不相同，因而三种情况下，力对点O O之矩不同。根据(gnj)(gnj)力矩的定义式（1.81.8）可求出力对点O O之矩分别为：图( (a) ) 64.3430cos102002003FdFMONm图( (b) ) 00.2030sin102002003FdFMONm图( (c) ) 00.40102002003FdFMONm第50页/共106页第五十页，共106页。 例1.2 一齿轮受到与它

26、相啮合的另一齿轮的作用力 Fn =1000N，齿轮节圆直径D=0.16m，压力角（啮合力与齿轮节圆切线(qixin)间的夹角） ，求啮合力Fn对轮心O之矩。 20解：解法一 利用定义(dngy)式计算 mN.coscosnn275202101601000230DFrFFMO第51页/共106页第五十一页，共106页。解法解法(ji f)(ji f)二二 利用合力矩定利用合力矩定理计算理计算cosntFF sinnrFF mN.coscosntrtn2752021016010002023DFDFFMFMFMOOO将合力Fn在齿轮啮合(nih)点处分解为圆周力Ft和Fr，则由合力矩(l j)定理得

27、：计算力对点之矩的方法：计算力对点之矩的方法：1.1.利用力对点之矩的定义式计算。利用力对点之矩的定义式计算。 2.2.利用合力矩定理计算。利用合力矩定理计算。第52页/共106页第五十二页，共106页。求力F对O点之矩方法一： 作力臂(l b)h，求出力矩)sincossin()(BCABOAFhFFMoFOBACFOBACh第53页/共106页第五十三页，共106页。求力F对O点之矩方法二： 分解力F，合力矩(l j)等于分力矩(l j)之和)(sincos)()()(BCOAFABFFMFMFMYOXOoFOBACFOBACyFxF第54页/共106页第五十四页，共106页。力偶(l u

28、) 一、力偶(l u)的概念 1力偶的定义：一对大小(dxio)相等、指向相反的平行力组成的特殊力系称为力偶。记作 。 FF, 2力偶系：物体上有两个或两个以上力偶作用时，这些力偶组成力偶系。 第55页/共106页第五十五页，共106页。3力偶(l u)作用面：力偶(l u)的两力作用线所决定的平面。 4力偶(l u)臂：两力作用线间的垂直距离。 5力偶的作用效应：使刚体的转动状态(zhungti)发生改变。 6力偶矩：力偶在其作用面内使物体产生转动效 应的度量。记作： 或M，即 FF,MFdMMFF, 式中，符号“ ”表示力偶的转向，一般规定，力偶逆时针转动时取正号，顺时针转动时取负号。 力

29、偶矩的单位为Nm或kNm。 力偶 第56页/共106页第五十六页，共106页。 7力偶的三要素 由实践可知，力偶对刚体的转动效应(xioyng)取决于力偶的三要素：力偶矩的大小、力偶的转向、力偶作用面的方位。 8力偶的等效条件：力偶的三个要素相同。力偶(l u) 第57页/共106页第五十七页，共106页。平面上两个力偶：平面上两个力偶：力偶矩大小相等；转向相同力偶矩大小相等；转向相同(xin tn)(xin tn)。两个等效。两个等效MPlFdFFdMPPl第58页/共106页第五十八页，共106页。二、力偶的基本(jbn)性质 性质1 力偶在任一轴上的投影的代数和为零。力偶无合力(hl)，

30、力偶对刚体的移动不产生任何影响，即力偶不能与一个力等效，也不能简化为一个力。 第59页/共106页第五十九页，共106页。二、力偶的基本(jbn)性质 性质2 力偶对于(duy)其作用面内任意一点之矩与该点（矩心）的位置无关，它恒等于力偶矩。 第60页/共106页第六十页，共106页。力偶的基本(jbn)性质 推论1 力偶可在其作用面内任意移而不会改变它对刚体(gngt)的转动效应。 第61页/共106页第六十一页，共106页。 推论推论2 2 只要保持力偶矩不变，可以任意改变力和力偶臂的大小只要保持力偶矩不变，可以任意改变力和力偶臂的大小(dxio)(dxio)而不会改变而不会改变力偶对刚体

31、的转动效应。力偶对刚体的转动效应。力偶(l u)的基本性质第62页/共106页第六十二页，共106页。平面(pngmin)上两个力偶合成1F1F2F2F1d2ddFdFM42223F3Fd4F4FABdFFBAdFdFM3111dMMddFddFFFF121122341212MMddMMFdM第63页/共106页第六十三页，共106页。三、平面(pngmin)力偶系的合成 平面力偶系合成(hchng)的结果为一合力偶，合力偶矩等于各分力偶矩的代数和。即inMMMMM21第64页/共106页第六十四页，共106页。（3 3）合力偶矩计算）合力偶矩计算 与与 为一对等值、反向为一对等值、反向(fn

32、 xin)(fn xin)、不共线的平行力，它们组成、不共线的平行力，它们组成的力偶即为合力偶，则合力偶矩为的力偶即为合力偶，则合力偶矩为RFRFinnRMMMMdFFFdFM2121第65页/共106页第六十五页，共106页。 例题：用多轴钻床在一工件(gngjin)(gngjin)上同时钻出四个直径相同的孔。每一钻头作用于工件(gngjin)(gngjin)的钻削力偶，其矩估值为M=15NmM=15Nm。求作用于工件(gngjin)(gngjin)的总的钻削力偶矩。 解：作用于工件上的四个力偶(l u)(l u)，各力偶(l (l u)u)矩的大小相等、转向相同且在同一平面内，根据式（1.

33、111.11）可求出合力偶(l u)(l u)矩（总的钻削力偶(l (l u)u)矩）为 思考题：如图所示的圆盘，在力偶M=FrM=Fr和力F F的作用下保持静止(jngzh)(jngzh)，能否说力偶和力保持平衡？为什么？60Nm4321 MMMMM第66页/共106页第六十六页，共106页。第四节第四节 力的平移力的平移(pn y)(pn y)定定理理 力的平移(pn y)定理： 作用在刚体上的力可以从原作用点等效地平行移动到刚体内任一指定点，但必须在该力与指定点所决定(judng)的平面内附加一力偶，其力偶矩等于原力对指定点之矩。 第67页/共106页第六十七页，共106页。 证明：设一

34、力证明：设一力F F作用于刚体上的作用于刚体上的A A点，今欲将此力平移到刚体上点点，今欲将此力平移到刚体上点B B（如动画中（如动画中a a），为此，在点），为此，在点B B加加上一对平衡力上一对平衡力 ，并使它们与力，并使它们与力F F平行平行(pngxng)(pngxng)且大小相等（如动画中且大小相等（如动画中b b），此时的力系），此时的力系 与原力与原力F F等效。由动画可看出力等效。由动画可看出力F F与与 组成一力偶，称为附加力偶，其力偶矩为组成一力偶，称为附加力偶，其力偶矩为FF ,F,FF, F FBMFdM力的平移(pny)定理第68页/共106页第六十八页，共106页。

35、 力的平移定理(dngl)换句话说，就是平移前的一个力与平移后的一个力和一个附加力偶等效。即一个力可以分解成为同平面内另一点的一个力和一个力偶。反之共面的一个力和一个力偶也可以合成为同平面内的一个力，这便是力的平移定理(dngl)的逆定理(dngl)。 力的平移定理不仅是力系向一点简化的理论依据，而且可以用来分析(fnx)力对刚体的作用效应力对刚体产生移动和转动两种运动效应。 力的平移(pny)定理第69页/共106页第六十九页，共106页。 实例（1）用板手和丝锥(szhu)攻螺纹 图(a)和图（b）两种加力的方式产生的效果是不同的，图(a)只使丝锥(szhu)转动，图（b）由力的平移定理等

36、效为图（c）,力偶使丝锥(szhu)转动，而力 却使丝锥(szhu)弯曲，从而影响攻丝精度，甚至使丝锥(szhu)折断。 F力的平移(pny)定理第70页/共106页第七十页，共106页。 实例（2）削乒乓球 当球拍击球的作用力没有通过球心时，按照力的平移(pn y)定理，将力F平移(pn y)至球心，平移(pn y)力 使球产生移动，附加力偶M使球产生绕球心的转动，于是形成旋转球。 F力的平移(pny)定理第71页/共106页第七十一页，共106页。 实例（3 3）齿轮的啮合力对齿轮轴的作用效应 啮合力分解的圆周力F作用于齿轮上，将力F平移至轴心点O，平移力 作用于轴上，引起两轴承产生阻止轴

37、移动的力，附加力偶M使齿轮绕轴转动。FFrFM=第72页/共106页第七十二页，共106页。 例题：有一圆盘受三力 、 、 作用，已知 = =1000N, =2000N = =1000N, =2000N。 与 组成一力偶，则与水平线成 角；圆盘的直径(zhjng)(zhjng)为100mm100mm。试求此三力之合力的大小和方向及合力作用线到O O点的距离。 1F2F3F1F3F1F2F45方向与 的方向一致，作用位置为 3F2Fmm5020001001FFMdR 解：根据力的平移定理的逆定理知： 与 组成的力偶与 可以合成为一合力，合力的大小为 N1F2F3F2000F第73页/共106页第

38、七十三页，共106页。1.1.力偶力偶(l u)(l u)和力偶和力偶(l u)(l u)矩矩力偶及平面力偶系的合成(hchng)与平衡1F1F2F2F力偶：由大小相等，方向相反，作用线平行而不重合力偶：由大小相等，方向相反，作用线平行而不重合(chngh)(chngh)的二力组成的力系。的二力组成的力系。第74页/共106页第七十四页，共106页。力偶(l u)(l u)和力偶(l u)(l u)矩ABCFF d2 2）力偶三要素）力偶三要素力偶矩大小力偶矩大小(dxio)(dxio)；力偶在作用面的转向；力偶在作用面的转向；力偶作用面的方位；力偶作用面的方位；第75页/共106页第七十五页

39、，共106页。记为：(F,F)平面力偶为代数量，两个要素(yo s)决定：力偶矩大小： ABCFF dFdM符号(fho)由转向决定：逆时针为正4）平面力偶等效定理 同一个平面的两个(lin )力偶，如果力偶矩大小相等，转向相同则两个(lin )等效。3）平面力偶第76页/共106页第七十六页，共106页。FFd (P , P）可以沿着其作用线移动到l1, l2上任何一点(y din)。力偶可在作用面内任意移动，它是自由矢量，与作用点无关。ABCD1l2l平面平面(pngmin)(pngmin)力偶等效定力偶等效定理证明理证明 在力偶(l u) ( F, F)作用面上，任取两点A和B，分别过A

40、、B两点作平行线l1, l2与F, F二力作用线分别交于C点和D点，联结CD，过C，D两点， 在CD连线方向上加平衡力Q,Q,则P= F+Q, P= F+Q,PPQQFF则 (P , P）作用结果等效于( F, F)的作用结果。第77页/共106页第七十七页，共106页。第四节 平面(pngmin)任意力系力线平移定理：力线平移定理： 作用作用(zuyng)(zuyng)在刚体上的力可以平移到刚体的任意一点，但需要在刚体上的力可以平移到刚体的任意一点，但需要 附加一个附加一个力偶，此力偶矩等于原力对新的作用力偶，此力偶矩等于原力对新的作用(zuyng)(zuyng)点之矩。点之矩。第78页/共

41、106页第七十八页，共106页。力线平移(pn y)定理 ,在刚体的任意点B上加平行(pngxng)于F，且构成平衡力系的二力F和F ，使F= F= F ，此时， 可以看成F和力偶（F, F ）的作用。而F和F的大小(dxio)和方向相同，而作用点不同。（F, F ) 的力偶矩满足：M= M(F, F )= MB(F )FAFABFF FABFF BFM证明：设力F F作用在刚体的A点第79页/共106页第七十九页，共106页。力的平移(pn y)定理： 作用在刚体上的力可以(ky)从原作用点等效地平行移动到刚体内任一指定点，但必须在该力与指定点所决定的平面内附加一力偶，其力偶矩等于原力对指定

42、点之矩。 第80页/共106页第八十页，共106页。 力的平移(pn y)定理换句话说，就是平移(pn y)前的一个力与平移(pn y)后的一个力和一个附加力偶等效。即一个力可以分解成为同平面内另一点的一个力和一个力偶。反之共面的一个力和一个力偶也可以合成为同平面内的一个力，这便是力的平移(pn y)定理的逆定理。 力的平移定理不仅是力系向一点简化(jinhu)的理论依据，而且可以用来分析力对刚体的作用效应力对刚体产生移动和转动两种运动效应。 力的平移(pn y)定理：第81页/共106页第八十一页，共106页。 实例（1）用板手和丝锥攻螺纹 图(a)和图（b）两种加力的方式产生的效果是不同的

43、，图(a)只使丝锥转动，图（b）由力的平移定理等效为图（c）,力偶使丝锥转动，而力 却使丝锥弯曲，从而影响攻丝精度，甚至使丝锥折断。 F力的平移(pn y)定理：第82页/共106页第八十二页，共106页。 实例（2）削乒乓球 当球拍击球的作用力没有(mi yu)通过球心时，按照力的平移定理，将力F平移至球心，平移力 使球产生移动，附加力偶M使球产生绕球心的转动，于是形成旋转球。 F力的平移(pn y)定理：第83页/共106页第八十三页，共106页。 实例（3 3）齿轮的啮合力对齿轮轴的作用效应 啮合力分解的圆周力F作用于齿轮上，将力F平移至轴心点O，平移力 作用于轴上，引起两轴承产生阻止轴

44、移动的力，附加力偶M使齿轮绕轴转动。FFrFM=第84页/共106页第八十四页，共106页。 例题：有一圆盘受三力 、 、 作用，已知 = =1000N, =2000N = =1000N, =2000N。 与 组成一力偶，则与水平线成 角；圆盘的直径为100mm100mm。试求此三力之合力的大小和方向(fngxing)(fngxing)及合力作用线到O O点的距离。 1F2F3F1F3F1F2F45方向与 的方向一致，作用位置为 3F2Fmm5020001001FFMdR 解：根据力的平移定理的逆定理知： 与 组成的力偶与 可以合成为一合力，合力的大小为 N1F2F3F2000F第85页/共1

45、06页第八十五页，共106页。平面力系：力系中各力的作用(zuyng)线都在同一平面内。 可化为平面力系的空间力系 条件：1.构件具有(jyu)一对称平面；2.力系的分布(fnb)又对称于此平面。 平面任意力系的平衡方程第86页/共106页第八十六页，共106页。平面平面(pngmin)(pngmin)力力系的分类系的分类 平面汇交力系：各个平面汇交力系：各个(gg)(gg)力的作用线都汇交于一点。力的作用线都汇交于一点。2 2平面平面(pngmin)(pngmin)平行力系：各个力的作用线平行力系：各个力的作用线都相互平行。都相互平行。3 3平面力偶系：平面内各个力组成了一组力偶。平面力偶系

46、：平面内各个力组成了一组力偶。4.4.平面任意力系：各个力的作用线在平面内任意分布。平面任意力系：各个力的作用线在平面内任意分布。第87页/共106页第八十七页，共106页。第五节摩擦(mc)一、滑动摩擦(hu dn m c) 两个(lin )相互接触的物体，在沿着它们接触面的切线相对滑动或有相对滑动趋势时，在接触面上存在着相互阻碍滑动的现象，这种现象称为滑动摩擦；这种相互阻碍滑动的力称为滑动摩擦力。 第88页/共106页第八十八页，共106页。 两个接触物体间只有相对(xingdu)滑动趋势时，接触面间产生的摩擦力Ff。 TffTxFFFFF0, 0fmfFF 0 静摩擦力作用于两物体在接触

47、点公切面内，方向与两接触面相对滑动的趋势相反。在未达到临界平衡状态时，其大小可在一定范围内（ ）随主动力的变化而变化，数值等于相对滑动趋势方向上的主动力，由平衡方程来确定。静摩擦力(jnmcl)第89页/共106页第八十九页，共106页。2最大静摩擦力：临界静止状态(zhungti)时，静摩擦力达到最大值Ffm。 最大静摩擦力的大小与两接触面间的法向压力(yl)FN成正比。这就是库仑定律或静滑动摩擦定律。即 NsfmFfF fs是无量(wling)纲的比例常数，称为静摩擦因数。它只与两接触物体的材料及接触表面的粗糙程度、温度、湿度等有关。 静摩擦力第90页/共106页第九十页，共106页。常见

48、材料(cilio)(cilio)的滑动摩擦因数 材料名称摩擦因数静摩擦因数(f s)动摩擦因数(f )无润滑剂有润滑剂无润滑剂有润滑剂钢-钢0.150.1-0.120.150.05-0.10钢-铸铁0.3 0.180.05-0.15钢-青铜0.150.1-0.150.150.1-0.15钢-橡胶0.9 0.6-0.8 铸铁-铸铁 0.180.150.07-0.12铸铁-青铜 0.15-0.20.07-0.15铸铁-皮革0.3-0.50.150.60.15铸铁-橡胶 0.80.5青铜-青铜 0.100.20.07-0.10木-木0.4-0.60.100.2-0.50.07-0.15第91页/共1

49、06页第九十一页，共106页。 3.动摩擦力：当两接触(jich)物体处于相对滑动状态时，接触(jich)面间产生的摩擦力。 动摩擦力Ff的大小与接触(jich)面之间的法向压力FN 成正比。这就是动摩擦定律。即NfFfF f 为无量纲的比例常数，称为动摩擦因数。它除了与接触面的材料(cilio)及表面情况等有关外，还与物体间的相对滑动速度有关, 它随相对滑动速度的增大而稍有减小，一般可认为是一个常数。精度要求不高时fsf。动滑动摩擦(hudnmc)力第92页/共106页第九十二页，共106页。摩擦角与自锁现象(xinxing) 1摩擦角 全约束力：接触面的法向约束力与切向约束力的合力(hl)

50、。fNRFFF最大全约束力 fmNRmFFF摩擦角：最大全约束力与接触面公法线(f xin)间的夹角。sNNsNfmffFFfFFtan第93页/共106页第九十三页，共106页。sNNsNfmffFFfFFtan 上式表明，摩擦角的正切等于静摩擦因数。这说明摩擦角与静摩擦因数都是表示材料摩擦性质(xngzh)的物理量，只与物体接触面的材料，表面状况等因素有关。也就是说：当接触面确定了静摩擦因数就确定了，摩擦角的大小也就确定了。 摩擦角与自锁现象(xinxing) 第94页/共106页第九十四页，共106页。 作用(zuyng)于物体上的主动力的合力FP，不论其大小如何，只要其作用(zuyng

51、)线与接触面法线间的夹角小于或等于摩擦角f，支承面便会产生一个全反力与之平衡，物体便处于静止状态。这种现象称为自锁。这种与主动力的大小无关，而只和摩擦角有关的平衡条件：f，称为自锁条件。 自锁现象(xinxing)第95页/共106页第九十五页，共106页。maxtantanfsf3.摩擦角的应用(yngyng) 静摩擦因数(ynsh)的测定 斜面(ximin)（螺纹）的自锁条件 斜面的倾角或螺纹的升角 第96页/共106页第九十六页，共106页。3.摩擦角的应用(yngyng) 铁路(til)或高速公路路基侧面的最大倾角必须小于摩擦角以防止路基滑坡。 第97页/共106页第九十七页，共106

52、页。考虑摩擦时物体的平衡(pnghng)问题 方法和步骤与不计摩擦时的平衡问题基本相同，只是(zhsh)在受力分析和建立平衡方程时必须考虑摩擦力。 关键在于正确(zhngqu)分析摩擦力。 注意：如果用全约束力FR来表示接触面的约束力，则受力图上就不应再画摩擦力。第98页/共106页第九十八页，共106页。 例2.13 一重量为G的物体放在倾角(qngjio)为的斜面上，如图a所示。若静摩擦因数为fs，摩擦角为f(f)。试求使物体保持静止的水平推力F的大小。 解 1.设F=Fmin，物体处于(chy)将向下滑的临界状态。 （1）取物体处于将向下滑的临界状态研究(ynji)，画受力图。第99页/

53、共106页第九十九页，共106页。（2）选取坐标轴xy，建立平衡方程(fngchng)和补充方程(fngchng) fNNsfmNyfmxFFfFGFFFFGFFtan0cossin, 00sincos, 01min11min补充方程（3）解方程得 )tan(minfGF 2设F=Fmax，物体处于向上(xingshng)滑动的临界状态。 （1）取物体(wt)处于将向上滑的临界状态研究，画受力图 （2）选取坐标轴xy，建立平衡方程和补充方程第100页/共106页第一百页，共106页。fNNsfmNyfmxFFfFGFFFFGFFtan0cossin, 00sincos, 022max22max

54、补充方程（3）解方程得 )tan(maxfGF3结论：只有当力F满足以下条件时，物体才能处于(chy)平衡 )tan()tan(ffGFG第101页/共106页第一百零一页，共106页。滚动摩擦(n dn m c)1滚动摩擦(n dn m c)实例 第102页/共106页第一百零二页，共106页。2.滚动摩擦(n dn m c)的产生 右图为不考虑(kol)接触面变形的受力情况 下图为实际(shj)受力情况分析 力偶Mf起着阻碍滚动的作用称为滚动摩擦力偶矩 第103页/共106页第一百零三页，共106页。力偶Mf起着阻碍滚动的作用(zuyng)称为滚动摩擦力偶矩 滚动摩擦定律：最大滚动摩擦力偶矩Mfmax与两个(lin )接触物体间的法向约束力FN成正比。 NNmaxmaxFFeMf称为(chn wi)滚动摩擦系数。2.滚动摩擦的产生 第104页/共106页第一百零四页，共106页。2.4 2.4 考虑摩擦考虑摩擦(mc)(mc)时的平衡时的平衡问题问题 3注意：1）摩擦力在滚动(gndng)中起帮助滚动(gndng)的作用。如雪地车轮打滑。 2）滚动摩擦力偶矩是由于(yuy)接触面的变形产生的，变形愈大滚动摩擦力偶矩就愈大，滚动就愈困难。如没气的车轮。 第105页/共106页第一百零五页，共106页。感谢您的观看(gunkn)。第106页/共106页第一百零六页，共106页。