第一章静力学基础

第一章静力学基础 • 第一节静力学的基本概念 • 一、力的概念 • 二、刚体的概念 • 三、平衡的概念 • 第二节静力学基本公理 • 第三节约束和约束反力 • 一、柔索约束 • 二、光滑接触面约束 • 三、光滑铰链约束 • 四、固定端约束 • 第四节物体的受力分析和受力图

第一节静力学的基本概念 一、力的概念 ⒈　力的定义力是物体间的相互作用，作用的结果，是使物体的运动状态发生变化或使物体发生变形。

2.力的三要素 • 力的三要素是指力的大小、方向和作用点（如下图所示）。 • ⑴　力的大小它是指物体间机械作用的强弱。它的单位用牛顿（Ｎ）或千牛（kN）表示。

2.力的三要素 • ⑵　力的方向它包含方位和指向两个方面，如谈到某钢索拉力铅垂向上，铅垂是指该力的方位，向上是指它的指向，如上图所示，力F的方向为水平向右。 • ⑶　力的作用点它是指力在物体上作用的地方

3.力的矢量表示 • 力是矢量，既有大小，又有方向。图示时常用一个带有箭头的线段表示，通常称为有向线段。上图中，线段的长度ＡＢ按一定比例代表力的大小，线段的方位与箭头表示力的方向，其起点或终点表示力的作用点。文字符号用黑体字如Ｆ代表力矢量。当使用白体字母Ｆ代表力的大小时，则须在字母上加一箭头，如表示力矢量。

二、刚体的概念 • 在静力学中，常把研究的物体抽象为刚体。所谓刚体，是指在任何力的作用下都不发生变形（或者说其内任意两点间距离保持不变）的物体。刚体是一抽象化的力学模型，实际上并不存在真正的刚体，任何物体受力后都会发生变形。

三、平衡的概念 • 物体的平衡是物体相对于地面处于静止或作匀速直线运动的状态，它是一个相对的概念。平衡是物体机械运动中的一种特殊情况。

第二节静力学基本公理 • 公理就是人类经过长期的观察和实践积累起来的经验，加以概括和总结得到的结论，它的正确性在实践中得到了验证，已被人们公认为符合客观现实的真理。静力学公理概括了力的一些基本性质，是建立静力学理论的基础。

公理1：二力平衡公理 • 作用于一个刚体上的力，使刚体保持平衡状态的必要与充分条件是：此二力大小相等、方向相反、作用在同一直线上（简称二力等值、反向、共线）。如下图所示，用矢量式表示F1=－F2。

作用与反作用公理概括了自然界物体间相互作用的关系，表明一切力都是成对出现的。作用与反作用公理概括了自然界物体间相互作用的关系，表明一切力都是成对出现的。 • 这里应当注意，此公理与二力平衡公理是有差别的，此公理叙述了两个物体之间的相互作用的关系，而二力平衡公理叙述了作用于同一刚体上的二力平衡条件。

公理３：加减平衡力系公理 • 　在任意一个已知力系上加上或减去任一个平衡力系，不会改变原力系对刚体的作用。 • 推论1：力的可传递性原理 • 作用于刚体上的力，可沿其作用线滑移到任一点，不会改变该力对该刚体的作用效果。

公理４：力的平行四边形公理 • 作用于物体上同一点的两个力，可以合成为一个合力，合力也作用于该点，合力的大小和方向由这两个力为临边所构成平行四边对角线来确定。已知有两力F1、F2作用于Ｏ点，以F表示其合力， • 则F＝F1＋F2 • 为求F大小与方向，可用几何作图法或几何关系计算。推论２：三力平衡汇交定理刚体受三个力作用而平衡，若其中两力的作用线汇交于一点，则此三力必共面，且作用线必汇交于一点。

第三节约束和约束反力 • 位移不受限制的物体称为自由体。位移受到限制的物体称为非自由体。对非自由体的某些位移起限制作用的周围物体称为约束。约束限制物体运动的力称为该物体的约束反力。

一、柔索约束： • 工程上常见的钢丝绳、传动带、链条等都可以简化为柔索，柔索只能承受拉力。所以柔索对物体的约束反力，作用点在接触处，方向沿柔索背离物体，恒为拉力（如下图）。通常用FT表示这类约束反力。

柔索约束与约束反力

二、光滑接触面约束 • 当两物体直接接触，并忽略接触处的摩擦时，约束只能限制物体过接触点沿接触面公法线指向约束物体的运动，而不能限制物体在接触面的切线方向的运动，故约束反力必然过接触点的法向，并指向被约束的物体，称为法向反力。通常用FN表示此类约束反力。如下图所示。

光滑接触面约束与约束反力

三、光滑铰链约束 • 如下图所示，两个带有圆孔的物体，用圆柱销联接，就构成了典型的铰链约束。所谓光滑铰链是略去了销与孔壁间的摩擦。光滑铰链约束的性质只能限制物体在垂直于销钉轴线平面内任意方向的移动，不能限制物体绕销轴线的转动和沿销轴线的移动。实质为光滑面的约束。

工程上常见的铰链支座约束 • ⒈固定铰链支座 • 支座固定在支承面上，支座与物体的联接采用铰链联接，其简图及约束反力的表示方法如下图(ｂ)所示。

⒉ 活动铰链支座　 • 在铰链支座下面装上几个滚轴，使它在支承面上能任意移动，称为活动铰链支座其简化表示及约束反力如下图所示。

四、固定端约束 • 一端固定、另一端为自由的支座称为固定端约束，它可以使构件的某截面既不能转动(绕垂直于载荷作用面的轴转动)，又不能移动的支座。如右图所示车床上的刀架，夹紧工件的三爪卡盘，均可简化为固定端。因此，它的约束反力是两个相互垂直的分力NAX、NAY和一个阻止转动的反力矩MA，如右图所示。

第四节物体的受力分析和受力图 • 1.受力分析： • 在工程实际中，为了求出未知的约束反力，需要根据已知力，应用平衡条件求解。为此，首先要确定构件受了几个力，每个力的作用位置和力的作用方向，这个分析过程称为物体的受力分析。

2.受力图： • 为了清晰地表示物体的受力情况，我们把需要研究的物体（称为受力体）从周围的物体（称为施力体）中分离出来，单独画出它的简图，这个步骤叫做取研究对象或取分离体。画出分离体上所有作用力的图，称为物体的受力图。 • 画受力图的一般步骤为： • ⑴ 画出分析对象的分离体简图； • ⑵ 在简图上标上已知力； • ⑶ 在简图上解除约束处画上约束反力。

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