愉悦技校员工培训讲义《机械基础》
第一篇：工程力学
1、工程力学包括：静力学、动力学和材料力学
第一讲：静力学基本概念
教学目的：明确静力学基本概念、掌握受力图的画法及力的平衡方程式及其应用教学重点：物体的受力分析及平衡方程式
教学难点：如何运用力学的基本原理解决机械工程中简单的力学问题
1、力的概念
状态：指的是物质的状况，例如物质的固态、液态、气态等都称之为物质的状态。
运动状态：是指物体进行机械运动时的运动速度与运动方向的状态
运动状态的内容：物体的运动速度与运动方向
当物体从快到慢，从慢到快或从静止到运行、从运动到静止时，物体的速度大小发生了改变，我们就说物体的运动状态发生了改变；同样，当物体向左、向右，向上、向下运动，即物体的运动方向发生改变时，我们也说物体的运动状态发生了改变。
形变：我们把物体伸长、缩短、弯曲等变化称之为“形变”
物体的运动状态发生改变和产生形变的原因：有力作用的结果，因此，我们可以对力定义为：力是物体间相互的机械作用，这中作用一是可以使物体发生形变；二是可以改变物体的运动状态
静力学基本概念
静力学主要是研究物体在力系作用下的平衡规律。
所谓力系，是指作用在物体上的多个力的合称。
平衡：在静力学中，我们可以把物体处于“平衡”理解为物体相对于地面保持静止状态或匀速直线运动。
物体保持平衡状态的条件，一是不受力，二是受到的合力为“0”
力的作用效果：力对物体的作用效果取决于力的大小、力的作用方向和力的作用点这三个要素，而这三个要素称之为“力的三要素”。
在国际单位制中，力的单位是“牛顿”，用大写字母“N”表示，简称“牛”。
矢量：既有大小又有方向的物理量，称之为“矢量”，在数学中称之为“向量”。
我们说，力是既有大小又有方向的物理量，因此，我们称力为“矢量”。
力的表示：“矢量”（“向量”）一般用一大写字母加上箭头来表示，例如“F、G”等；用一条有方向的线段表示力的大小和方向，例如“AB”。
物体的加速度：单位时间内物体运动速度的变化率，用字母“a”表示，“a=（v2-v1）/t”，单位是“m/s2”，力的大小计算公式为：“F=ma”。
刚体：定义：刚体是指在力的作用下不会形变的物体，即在力的作用下，物体内任意两点的距离都不会改变的物体。
刚体是一种抽象化的模型，在一个问题中能否将物体视为刚体，不仅取决与变形的大小，还取决与题目的要求。
2、静力学基本公理
公理：经过人们长期实践检验、不需要证明同时也无法去证明的客观规律，称之为“公理”。
我们静力学的全部理论，就是以静力学公理为依据推导出来的，它们是静力学理论的基础。
公理1：二力平衡公理
定义：作用于同一物体上的两个力，使刚体处于平衡的必要且充分条件（充要条件）是：这两个力（合力）的大小相等，方向相反且在同一直线上。
该公理适用于”“刚体”。
举例说明：
公理2：加减平衡力系公理
定义：在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，不会改变原力系对刚体的作用效果。
同样，该公理使用于“刚体”。
推论：力的可传性原理。
即，作用在刚体上的力（一组力），可以沿着其作用直线任意移动而不会改变它对刚体的作用。
举例说明：以等量的力推或拉一个物体，有力的可传性原理知道，物体的状态不会发生改变。
由此可以看出，力的三要素发生了改变，力的作用点已不再是决定其效应的要素之一，因此，作用在刚体上力的三要素是：力的大小、力的方向和力的作用线。
我们往往在研究问题的时候，仍然取一个公共作用点，及物体的重心。
公理3：力的平行四边形法则
定义：作用在刚体上的两个汇交力可以合成为一个合力，合力的作用点在这两
个力的汇交点，合力的大小和方向以此二力为邻边所构成的平行四边形的对角线矢量来表示。
举例说明：按教材，知识扩展：力的合成与正交分解。
公理4：作用与反作用公理（牛顿第三定律）
定义：一个物体对另一个物体有一作用力时，另一物体对此物体必有一反作用力，这两个力大小相等，方向相反，沿同一直线，力的作用点分别在这两个物体上。
牛顿第一运动定律：一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。
牛顿第二定律：物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。
表示方法：相同的字母加“’”例如：N N’
扩展：根据这一公理，已知一作用力，即可知反作用力的大小和方向。
公理5：刚化公理
定义：变形体受某力系作用而处于平衡状态时，若将该物体变成刚体（刚化），则平衡状态不受影响。
刚化公理的意义：对于平衡状态的变形体，我们可以把他视为刚体来研究。
3、约束与约束力
位移：物体从空间的一个位置运动到另一个位置，它的位置变化叫做物体在这一运动过程中的位移，位移是矢量，通常采用有方向的线段来表示，由初位置到末位置的有向线段。
其大小与路径无关，方向由起点指向终点。
自由体：在空间中可以自由位移的物体称之为“自由体”
非自由体：在空间位移受到限制的物体称为“非自由体”
限制非自由体位移的物体，称之为该非自由体的约束体；非自由体又被称为“约束体”
约束体作用于非自由体的力，称之为“约束反力”
约束反力阻止物体运动的作用是通过约束体与非自由体之间的接触来实现的，其作用点在两个物体的接触处，约束反力的方向与非自由体的运行方向相反。
4、工程力学中常见的几种约束反力的特点
柔性约束：属于这类约束的有绳索、链条、胶带等，忽略刚性，不计重量，视为绝对柔软。
这类约束的特点是，约束体只能承受拉力，不能承受压力和抵抗弯曲，
只能限制物体沿着柔性体伸长的方向运行。
柔性约束体施加在约束体的约束反力，通常用大写字母“T”来表示，其作用点在约束体和被约束体的接触处，方向沿约束体中心线，背离研究对象。
举例说明：
光滑面约束：忽略摩擦的接触面，为光滑面约束。
这类约束的特点是，不论接触表面的形状如何，只能承受压力，不能承受拉力，只能限制物体沿两接触表面在接触处的公法线而趋向接触面的运动。
光滑面约束的约束反力通常用大写字母“N”来表示。
其作用点在约束体和被约束体接触的表面，指向被约束体。
举例说明：
光滑铰链约束：
不考虑摩擦的孔轴连接，称之为光滑铰链连接。
在工程结构中，常用铰链约束来连接两个不同的构件或零件，如，门窗的活页、机械设备的轴承等。
光滑铰链连接的特点：通过孔轴连接的两个构件，被约束体通过轴销约束，被约束体只能沿着轴销转动，而不能沿轴销径向运动。
约束反力通常用大写字母“R”来表示。
为了表达方便，铰链约束一般用一小圆圈来表示。
