劳动版《工程力学》模块一　静力学基本知识

模块一 静力学基本知识 任务一 认识力、力矩和力偶 任务二 静力学公理的推导和应用 常见约束和约束反力 物体（系）的受力分析 任务三 任务四 1 任务一 认识力、力矩和力偶 2 学习目标 1．掌握力、力矩和力偶的基本概念，能识别力、力矩和力偶，并进行简单的计算。 2．了解力学模型的概念。 3．掌握力系与平衡的概念。 3 任务描述 在日常生活和生产中，力是无处不在的，观察如图 所示的力对物体的作用，回答以下问题： 1．图中各力是存在于人与物、人与人还是物与物之间？ 2．图中各物体受力有哪些不同？ 3．物体在力的作用下各产生什么样的作用效应？这些作用效应与哪些因素有关？ 4 力的作用 5 转向盘的握姿 杠杆撬地球 6 相关知识 一、力的概念、作用效应和三要素 1．力的概念 力是物体间的相互作用。 2．力的作用效应 力对物体的作用效应根据产生的结果不同，可分为两种类型：一是外效应，它可使物体的运动状态发生改变；二是内效应，它可使物体产生变形。 静力学研究力的外效应，材料力学研究力的内效应。 7 3．力的三要素 实践表明，力对物体的作用效果取决于力的三个要素：力的大小、方向和作用点。 如图所示，力的三要素可用带箭头的有向线段表示。线段的长度（按一定比例画出）表示力的大小，箭头的指向表示力的方向，线段的起始点或终止点表示力的作 用点。 注意：力是矢量，本书中用粗黑体字母表示矢量（例如 F），用 F 表示力 F的大小。 8 力的三要素 9 二、力对点的矩（简称力矩） 当力使物体产生转动效应时，转动效应的大小和方向不仅仅取决于力的大小和方向，还与物体的转动中心到力的作用线的垂直距离（力臂）有关。 力对物体产生的转动效应即为力矩。以拧扳手为例，如图所示，力 F使扳手绕 O点转动，以力 F的大小与 Lh 的乘积 FLh 并加以正负号，作为力 F使物体绕 O 点转动效应的度量，称为力 F对 O 点的矩，简称力矩，以符号 MO（F）表示，即： MO（F）=±FLh 式中，O 为力矩中心（简称矩心）；Lh 为力臂，即 O 点到力 F作用线的垂直距离。 10 力矩的应用 11 由力矩定义公式可知，力矩的大小不仅与该力的大小有关，还与物体的转动中心到力的作用线的垂直距离（力臂）有关，并且成正比关系。 当作用力为零或力的作用线通过矩心（力臂为零）时，力矩为零，物体不产生转动 效应。 通常规定：在如图所示的平面内，力使物体绕矩心 O 做逆时针方向转动或有转动趋势时，力矩为正；力使物体绕矩心 O 做顺时针方向转动或有转动趋势时，力矩为负。 在国际单位制中，力矩的单位名称为牛［顿］米，符号为 N·m。 力矩正负号的确定 12 三、力偶 在钳工攻螺纹时，左右手各施加一个力使丝锥转动。这种作用在同一物体上，使物体产生转动效应的两个大小相等、方向相反、不在同一作用线上的平行力称为力偶，记作（F，F′）。力偶对刚体的作用效应仅仅是使其产生转动。 力偶的作用面是指力偶中两力作用线所决定的平面，受力偶作用的物体在此平面内转动。 力偶可以用力和力偶臂来表示，还可以用带箭头的圆弧线表示，如图所示。 13 力偶的表示法 14 四、力学模型 模型是对实际物体和实际问题的合理抽象与简化。在静力学中，为了方便研究和分析问题，构建力学模型时，主要考虑以下三个方面的问题。 1．刚体——对物体的合理抽象与简化 在力的作用下大小和形状都保持不变的物体称为刚体。实际上，任何物体在力的作用下都将产生变形，只是变形的程度不同而已。由于在工程实际中构件的变形都很小，忽略其变形不但不会对静力学研究的结果有显著影响，而且可以大大简化研究的过程，所以在解决静力学问题时，可将实际物体视为刚体，从而使问题简化。 15 2．集中力和均布力——对受力的合理抽象与简化 （1）集中力 作用范围极小，以至于可认为作用在一个点上，这样的力称为集中力。如图a 所示为停在桥面上的汽车，其轮胎作用在桥面上的力可简化为如图b 所示。 在工程实际中，大部分力均可看作集中力，如切削力、重力等。 集中力　 16 （2）均布力 均布力是指按一定规律均匀连续分布的力。如图 a 所示，梁 AB 上作用一个均布载荷，q 为载荷密度，即单位长度上所受的力。设梁 AB 长为 L，则均布力的大小 Q 可以用载荷密度和分布长度的乘积表示： Q=qL 均布力的作用点位于均布力分布长度的中点，方向与均布载荷方向一致，如图 b 所示。 均布力 17 3．约束——对接触与连接方式的合理抽象与简化 约束是对构件之间的接触与连接方式的抽象与简化。我们将在后续章节中详细介绍有关约束的内容。 18 五、力系与平衡的概念 1．力系 力系是指作用在同一物体上两个或两个以上的力。静力学的主要内容就是研究力系的简化（合成）和平衡问题。 按照力系中各力