【精品课件】工程力学静力学基础

工程力学在土木工程中的应用
要点一
结构设计
土木工程中的结构设计需要应用工程 力学原理和方法，对建筑结构进行受 力分析、变形计算和稳定性评估。这 有助于确保土木工程结构的安全性和 稳定性。
要点二
土力学与地基工程
工程力学中的土力学理论和方法为地 基工程提供了支持。通过应用土力学 原理，土木工程师可以更好地理解和 评估地基的承载能力和稳定性，从而 优化地基设计。
工程力学的应用领域
建筑工程
建筑工程中的结构分析、抗震设计和施工过 程中的力学问题等。
航空工程
航空器的空气动力学分析、结构分析和优化 设计等。
机械工程
机械零件的强度、刚度和稳定性分析，以及 机械系统的动力学问题等。
水利工程
水坝、水闸和船闸等水利设施的设计、施工 和运行中的力学问题等。
工程力学的研究对象和方法
工程力学ppt课件
目录
• 工程力学简介 • 静力学基础 • 材料力学 • 动力学基础 • 工程力学在工程实践中的应用 • 工程力学的未来发展趋势和挑战
01
工程力学简介
什么是工程力学
工程力学是研究工程中物质和运动规 律的一门科学，涉及到物体的受力、 变形和运动等方面的知识。
工程力学结合了物理学和数学等多个 学科的知识，为各种工程实践提供基 础理论和解决方法。
载荷分析与校核
载荷分析是机械设计中的重要环节，通过工程力学的方法，设计师可以精确地预测和评估 机器在各种工况下的载荷情况，从而进行零部件的强度校核和优化设计。
摩擦与磨损研究
工程力学也涉及到摩擦与磨损的研究。这为机械设计师提供了关于摩擦、磨损和润滑的机 理和方法，有助于减少机器的摩擦和磨损，提高机器的效率和寿命。

工程力学--静的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克

3. 力的三要素：大小，方向，作用点
4.力的单位： 国际单位制：牛顿(N) 千牛顿(kN)
FA
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5. 力系：是指作用在物体上的一群力。 6. 等效力系：两个力系的作用效果完全相同。F1 7. 力系的简化：用一个简单力系等效代替一个
复杂力系。 8. 合力：如果一个力与一个力系等效，则称这
引言
静力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学。
静力学主要研究： 物体的受力分析； 力系的简化； 力系的平衡条件及其应用。
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第一章 静力学基本概念与物体受力分析
§1–1 静力学基本概念 §1–2 静力学公理 §1–3 约束与约束反力 §1–4 物体的受力分析与受力图
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• 古希腊的阿基米德初步奠定了静力学即平衡理论 的基础
• 17世纪末牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是 开普勒的行星运动三定律)，提出力学运动的三条 基本定律，使经典力学形成系统的理论。
• 达朗贝尔，纳维、柯西、泊松、斯托克斯
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• Alexander pope: Nature and nature’ law lay hid in night, God said, “let Newton be”, and all was light.
• 各分支学科间的交叉结果又产生粘弹性理论、流 变学、气动弹性力学等。
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• 静力学 • 材料力学 • 结构力学 • 流体力学 • 弹性力学 • 断裂力学
• ……
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第一篇 静力学
第一章 静力学基本概念与物体受力分析 第二章 平面任意力系

机器人的动力学分析
机器人需要精确控制其运动状态，通过动力学分析可以优化其运动性能和操作精度。
05
工程实际应用
工程实际中力学的重要性
确保建筑安全
工程力学对于建筑物的设计、施工和结构安全至关重要，它确保 建筑物在各种环境条件下保持稳定和安全。
优化结构成本
通过合理应用工程力学，可以优化结构设计，降低材料成本和施 工成本，提高建筑的经济效益。
04
动力学分析
动力学分析的基本原理
动静力学平衡原理
物体在力的作用下，其运动状态会发生改变，但整体 上仍保持平衡状态。
牛顿运动定律
物体在力的作用下，其加速度与作用力成正比，与物 体质量成反比。
动能定理和势能定理
动能和势能是描述物体运动状态的两种基本方式，动 能定理和势能定理分别描述了它们的变化规律。
机械设计
在机械设计中，工程力学被用于分析机器部件的受力情况、疲劳寿命 和稳定性，以确保机器的安全运行。
工程实际中力学的未来发展趋势
新材料与新工艺
随着新材料和新工艺的发展 ，工程力学将更加注重研究 材料和工艺的本质性能和最 佳组合方式，以实现更高效
、更经济的结构设计。
数值模拟与智能化
随着计算机技术和数值模拟 技术的发展，工程力学将更 加注重通过数值模拟来预测 结构和系统的性能，实现智
动量方程
力等于动量变化率。
能量方程
力等于能量变化率。
03
材料力学
材料力学的基本概念
要点一
材料力学的发展历史
材料力学作为工程力学的一个分支， 有着长久的发展历史，最早可以追溯 到16世纪，而到了19世纪，材料力学 已经发展成为一门独立的学科。
要点二
材料力学的定义

力和力矩
作用在刚体上的力的效应 与力的可传性
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力和力矩
作用在刚体上的力的效应与力的可传性
力使物体产生两种运动效应：
若力的作用线通过 物体的质心，则力将使物 体在力的方向平移。
若力的作用线不 通过物体质心，则力将 使物体既发生平移又发 生转动。
即可视为集中力；而桥面施
加在桥梁上的力则为分布力。
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力和力矩
力的概念
力是矢量：
矢量的模表示力的大小； 矢量的作用线方位以及箭头表示力的方向； 矢量的始端（或未端）表示力的作用点。
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静力学研究物体的受力与平衡的一般规律，平衡 是运动的特殊情形，是指物体对惯性参考系保持静 止或作匀速直线平动。
静力学的研究模型是刚体。
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工程力学（静力学与材料力学）
第一篇 静力学
第1章 静力学基础
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力和力矩
力的概念
力(force)对物体的作用效应取决于力的大小、方 向和作用点。
力的大小反映了物体间相互作用的强弱程度。 国际通用的力的计量单位是“牛顿”简称“牛”，英 文字母N和kN分别表示牛和千牛。
力的方向指的是静止质点在该力作用下开始 运动的方向。沿该方向画出的直线称为力的作用线， 力的方向包含力的作用线在空间的方位和指向。

公理2表明了作用于刚体上的最简单力系平衡的充 要条件。
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二力构件
二力构件：只在两个力作用下平衡的构件。
6
公理3 加减平衡力系原理
在已知力系上加上或减去任意一个平衡力系，并不改变原 力系对刚体的作用。
推论1：力的可传性。
作用于刚体上某点的力可沿其作用线移到同一刚体内的
任一点，而不改变该力对刚体的作用。
§1.4 力矩
§1.5 力偶及其性质
§1.6 力螺旋
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物体的受力分析和受力图
受力分析 选定研究对象,确定该构件受了几个力，每个力
的作用位置和力的作用方向的过程。
主动力（如重力、气体压力等） 被动力，即约束力

作用力
受力图 表示物体受力情况的简明图形，称为受力图。
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例1-1 用力F拉碾子压平路面，不计摩擦。试画碾 子受力图。 画受力图步骤： F

画受力图应注意的问题（续）
5. 不要画错力的方向 约束力的方向必须严格地按照约束的类型画。注意， 作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之 相反。
6. 受力图上只画外力，不画内力 内力与外力具有相对性。受力图上只画外力，不画内 力。
35

另一种受力图画法
36

画受力图应注意的问题
1. 明确研究对象--针对所求选取恰当的对象。 2. 取分离体--解除约束，代之以约束力。 除重力、电磁力外，接触处必有力，力的 3. 不要漏画力
方向由约束类型定。
力是物体之间的相互机械作用。对于每
4. 不要多画力
一个力，应能明确指出其施力体。
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F
F
FN 1
G

力偶矩的单位为N·m或N·mm。
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三、力偶的性质
1.力偶无合力，力偶不能用一个力来代替，也不能用一个力来
1.平1衡.1。电所以路力的偶和组力成是组成力系的两个基本物理量。
2.力偶对其作用面上任意点之矩恒等于力偶矩，而与矩心的位 置无关。
3.力偶的等效性同一平面的两个力偶，只要它们的力偶矩大小 相等，转向相同，则两个力偶是等效的。
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性质3 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
1.大图1小所.1和示电方。向路由的这两组个成力为邻边所做的平行四边形的对角线确定，如
这种合成的方法称为矢量加法，合力矢量等于原来两个力的矢 量和。用矢量式表示为：
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利用力的平行四边形法则也可将一个 力分解为相交的两个分力。一个力可以分 解为无数对分力，在分析工程实际问题时
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一、力的性质
1.1.1性电质1路二的力平组衡成公理 作用在刚体上的两个力，使刚体处于平衡的必要和充分条件是： 此两力大小相等、方向相反，且作用在同一直线上。
性质2 加减平衡力系公理 在作用于刚体上的已知力系中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效应。
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1.1.1推电论1路力的的可组传成性原理 作用于刚体上的力可沿其作用线任意移动作用点，并不改变此 力对刚体的作用效应。需要指出的是，力的可传性仅仅适用于刚体， 对于变形体（材料力学将要讨论到）则不再适用。
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第三节 力偶
一、力偶的定义 1.1.1 电路的组成
由两个大小相等、方向相反、作用线平行但不共线的平行力组 成的力系称为力偶，如图所示。力偶中两力所在的平面称为力偶的 作用面，两力之间的垂直距离d称为力偶臂。

第一篇 静力学
第一章 静力学基本概念与物体受力分析 第二章 汇交力系 第三章 力偶系 第四章 平面任意力系 第五章 空间任意力系 第六章 静力学专题——桁架、摩擦、重心
引言
静力学是研究物体在力系作用下平衡规律的科学。
静力学主要研究： 物体的受力分析； 力系的简化； 力系的平衡条件及其应用。
第一章 静力学基本概念与物体受力分析
F
G
FN2
G
约束力 特 点：
①大小常常是未知的；
FN1
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。
二、约束类型和确定约束反力方向的方法： 1. 柔索：由柔软的绳索、链条或皮带构成的约束
绳索类只能受拉， 约束反力作用在接触点， 方向沿绳索背离物体。
约束力方向与所能限制的物体运动方向相反。
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
4.力的单位： 国际单位制：牛顿(N) 千牛顿(kN)
FA
5. 力系：是指作用在物体上的一群力。 6. 等效力系：两个力系的作用效果完全相同。F1
F3 C AB
7. 力系的简化：用一个简单力系等效代替一个复 F2
一、概念
§1-3 约束与约束反力
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。 （这里，约束是名词，而不是动词的约束。）
约束力：约束与非自由体接触相互产生了作用力，约束作用于 非自由体上的力叫约束力或称为约束反力。
杂力系。
8. 合力：如果一个力与一个力系等效，则称这个

链杆约束——两端用销钉与物体相连且中间不受力（自重忽略不计）的直杆。
链杆——约束反力特征 只能限制物体沿着链杆中心线的直线运动，指向未定。
固定端约束——使物体既不能移动也不能转动的物体构成的 约束。
固定端——约束反力特征 有一个约束反力大小方向不能确定，用正交分力表示，还有一个约束反 力偶，转向不确定。
固定铰链支座——圆柱铰链连接的两个构件中，如果有一个固定不动，就 构成固定铰支座。
固定铰链支座——约束反力特征 这种支座能限制构件沿圆柱销半径方向的移动，而不能限制其转动，其 约束反力与圆柱铰链相同。
可动铰链支座——将铰链支座用几个辊轴在水平面上即构成可动铰支座。
固定铰链支座——约束反力特征 约束反力垂直于支承面且通过销钉中心，其大小和方向待定。不能限制 被支承构件绕销钉的转动和沿支承面方向的运动，而只能阻止构件在垂直于 支承面方向向下运动。在附加特殊装置后，也能阻止其向上运动。
桥墩是桥梁的约束 立柱是横梁的约束
约束与约束反力的概念
自由体
自由体——能自由地向空间任意方向运动 的物体。
非自Байду номын сангаас体
非自由体——在空间某一方向运动受到限 制的物体。
约束 约束——限制物体运动的其他物体。
主动力
主动力——使物体产生运动或运动趋势的 力。例如重力、风压力、水压力、土压力 等。
约束反力——约束对于被约束物体的运动 约束反力 起限制作用的力。约束反力的方向总是与
约束所能限制的运动方向相反。
柔体约束 光滑面约束 圆柱形铰链约束 固定铰链支座 可动铰链支座
链杆 固定端约束
柔体约束——由绳索、钢丝绳、皮带链条等柔软不可压缩的物体构成的约束。
柔体——约束反力特点 柔索只能承受拉力，不能抵抗压力和弯曲。即柔索只能限制物体沿着柔 索中心线伸长方向的运动。约束反力过接触点，沿柔索中心线，是拉力。

机床导轨
第一章 静力学基础
光滑面约束
夹具中的V型铁
第一章 静力学基础
光滑面约束
变速箱中的齿轮
第一章 静力学基础
3．铰链约束
铰链：采用圆柱销将两构件连接在一起而构成的连接件。 铰链约束：由铰链构成的约束。
第一章 静力学基础
（1）固定铰链支座约束
限制构件沿圆柱销半径方向的移动，而不限制其转动。
第一章 静力学基础
第一章 静力学基础
夹紧力作用点的选择
第一章 静力学基础 二、力的合成与分解
1．力的合成
力的平行四边形公理。
作用于物体上同一点的 两个力，可以合并为一个合 力，合力也作用于该点上， 其大小和方向可用以这两个 力为邻边所构成的平行四边 形的对角线来表示。
第一章 静力学基础
2．力的分解
将一个已知力分解成两个分力的过程，称为力的分解。
第一章 静力学基础
【例1—5】试画出图示支架整体以及组成支架的各构 件的受力图 (各构件自重不计) 。
第一章 静力学基础
【课堂练习】图示为钻床连杆式快速夹具，各构件自 重不计。试分析并画出夹具系统及各构件受力图。
悬挂的钢球
匀速行驶的汽车
第一章 静力学基础 五、二力平衡公理
两个力等值、反向、共线。
二力体
二力杆
第一章 静力学基础 六、作用力与反作用力公理
二者同时存在、同时消失，且大小相等、方向相 反，其作用线沿同一直线分别作用于两个物体。
作用力与反作用力用相同字母表示，反作用力在字 母右上方加注“′”。
第一章 静力学基础
第一章 静力学基础 力对物体的作用效果
第一章 静力学基础
一、力的概念、作用效应和三要素
1．力的概念

第1章 静力学基本概念与物体的受力图
第1章 静力学基本概念与物体的受力图
1.1 基本概念
1.2 力矩与力偶
1.3 约束与约束反力 1.4 物体的受力图
思考与练习
第1章 静力学基本概念与物体的受力图
1.1 基 本 概 念
1.1.1 力的概念 力是物体间相互的机械作用。物体间相互的机械作用大致可分为
两类:一类是物体直接接触的作用，另一类是场的作用。这种作用使 物体的运动状态或形状尺寸发生改变。物体运动状态的改变称为力的 外效应或运动效应，物体形状尺寸的改变称为力的内效应或变形效应。
MＯ(F)=Fh=150×320=48 000 N·mm=48 N·m 在(b)种情况下，支点O到力F作用线的垂直距离h=l cos30°， 力F 使锤柄绕O点顺时针转动，则力F对O MＯ(F)=-Fh=-150×320×cos30°=-41 568 N·mm=-41.568 N·m
第1章 静力学基本概念与物体的受力图
可见，力的作用点对刚体来说已不是决定力作用效应的要素。因此，作 用于刚体上的力的三要素是力的大小、方向和作用线。
第1章 静力学基本概念与物体的受力图
F A
B ＝A
F B
图 1.5
第1章 静力学基本概念与物体的受力图
性质三
作用于物体上同一点的两个力可以合成为一个合力，合力的作 用点仍在该点，合力的大小和方向由这两个力为邻边所构成的平行 四边形的对角线来确定，如图1.6(a)所示。其矢量表达式为
标轴x、y上的单位矢量。
如图1.2所示，由力F的起点A和终点B分别作x轴的垂线， 垂足分
别为a、b，线段ab冠以适当的正负号称为力F在x轴上的投影，用Fx表
示，即
Fx=±ab

力矩的概念
力矩是指力和力臂的乘积，用于描述力对物体转动效果的量。力矩具有方向性， 规定逆时针方向为正方向。
力矩平衡
对于一个处于平衡状态的物体，其受到的各力矩之和为零，即满足力矩平衡条 件。力矩平衡条件是解决工程实际问题的重要依据之一。
力的平衡方程
力的平衡方程的概念
力的平衡方程是描述物体受力平衡关系的数学表达式。对于 一个已知的物体，可以列出其受到的各力的代数和为零的方 程，即力的平衡方程。
02
弹性静力学分析基于应力和应变的关系，即胡克定律，以及力
的平衡原理和虚功原理。
弹性静力学分析方法包括有限元法和有限差分法等数值计算方
03
法，这些方法能够处理复杂的边界条件和应力分布问题。
流体静力学分析
流体静力学是研究流体在静止状态下平衡规律的科学， 主要关注流体内部的压力分布和重力对流体平衡的影 响。
桥梁检测
利用静力学原理对桥梁进 行检测，评估桥梁的承载 能力和健康状况，及时发 现潜在的安全隐患。
桥梁加固
根据静力学分析结果，对 受损或老化桥梁进行加固， 提高其承载能力和耐久性。
建筑结构中的静力学应用
建筑设计
在建筑设计阶段，利用静 力学原理对建筑结构进行 受力分析，优化设对施工 过程进行监控，确保建筑 结构的稳定性和安全性。
在交通运输领域，静力学用于 研究车辆、船舶和铁路运输设 备的结构性能和安全性，提高 运输效率。
02
工程力学静力学的核心概念
力系与平衡
力系的概念
力系是指作用在物体上的一组力 的集合。根据力的作用线是否共 面，可以分为平面力系和空间力系。
平衡的概念
平衡是指物体处于静止或匀速直 线运动状态，此时物体所受的力 系满足平衡条件。