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1、正版课件正版课件 内容可修改内容可修改（中职）机械基础（第1单元）电子课件一、静力学概述一、静力学概述平衡是指物体相对于地面保持静止或保持匀速直线运动状态，它是物体机械运动的一种特殊形式。静力学研究的基本内容可归结为以下几个方面：（1）物体的受力分析。（2）力系的简化。（3）力系的平衡条件。二、力的概念二、力的概念力是物体间的相互作用，这种作用使物体的运动状态发生改变或使物体产生变形。力对物体的作用效果有两种情形：一是使物体的运动状态发生变化，这一效应称为力的运动效应；二是使物体发生变形，这一效应称为变形效应。模块一模块一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质模块一模块一 力的概念与基本性质力
2、的概念与基本性质力对物体的作用效应，由力的大小、方向和作用点的位置所决定，这三个因素称为力的三要素。在力的三个要素中，任何一个要素改变时，力的作用效果就会改变。力是一个有大小和方向的矢量，在国际单位制中，力的单位用N（牛）或kN（千牛）表示。力的三要素可用有向线段表示。箭头的指向表示力的方向；线段的起点（箭尾）或终点（箭头）表示力的作用点；线段的长度（按一定比例画出）表示力的大小。模块一模块一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质三、刚体的概念三、刚体的概念受力后几何形状及尺寸均不发生任何变化的物体，称为刚体。在静力学中，当研究物体的运动效应时，可将物体看成刚体；在材料力学研究时，当研究物体的
3、变形效应时，就不能将物体看成刚体，而是看成“变形体”。四、力的基本性质四、力的基本性质力的基本性质由静力学公理来说明。静力学公理是整个静力学的基础，反映了力所遵循的客观规律，是进行构件受力分析、研究力系简化和力系平衡的理论依据。1二力平衡公理二力平衡公理（或二力平衡条件）：作用在刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的充分和必要条件是这两个力作用在同一直线上，而且它们大小相等、指向相反。二力平衡公理适用于刚体，对于变形体则不完全适用。模块一模块一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质只受两个力作用且处于平衡状态的构件称为二力构件（或二力杆件）。二力构件的受力特点是：两个力的作用线必在两个力作用点的
4、连线上，且等值、反向。2加减平衡力系公理加减平衡力系公理：在作用于刚体上的任一力系中，加上或减去一个平衡力系，不改变原力系对刚体的作用效果。利用加减平衡力系公理可以推导出力的可传性原理。模块一模块一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质力的可传性原理只适用于刚体，而不适用于变形体。例如，在生活中用小车运送物品时，无论在车后A点用力F推车，还是在车前同一直线上的B点用力F拉车，它们的作用效果都是一样的。3力的平行四边形法则力的平行四边形法则：作用于刚体上同一点的两个力，可以合成为一个力，合力的作用点仍在该点，合力的大小和方向由此二力为邻边所作平行四边形的对角线来确定。力的合成既可利用力的平行四边
5、形法则求得，也可利用力的三角形法则求得。模块一模块一 力的概念与基本性质力的概念与基本性质如果刚体受到同一平面内互不平行的三个力作用而平衡时，则该三力的作用线必汇交于一点，此定理称为三力平衡汇交定理。4作用与反作用公理作用与反作用公理：两个物体间相互作用的力，总是大小相等、方向相反、沿同一直线，分别作用在两个物体上。作用与反作用公理说明，力总是成对出现的，有作用力就有反作用力，二者永远是同时存在，又同时消失。作用力与反作用力分别作用在两个物体上，不能说成是一对平衡力。模块二模块二 力矩、力偶、力的平移力矩、力偶、力的平移一、力矩一、力矩力对物体除了具有运动效应外，有时还会产生转动效应。力F使刚
6、体绕某点O转动的效应，不仅与力的大小成正比，而且与力至力的作用线的垂直距离成正比。由实践经验可知，加在扳手上的力越大，或者力的作用线距离中心O点越远，就越容易转动螺母。在力学中，将物体的转动中心称为矩心，矩心到力的作用线的距离称为力臂。以力与力臂的乘积来度量力对物体的转动效应，并称为力对点之矩，简称力矩，记作MO（F）=Fd力矩是一个代数量，其正、负号表示力矩的转向，通常规定：力使物体产生逆时针方向转动时，力矩为正；反之，力使物体产生顺时针方向转动时，力矩为负。力矩为零的条件是：力的作用线通过矩心。模块二模块二 力矩、力偶、力的平移力矩、力偶、力的平移二、力偶和力偶矩二、力偶和力偶矩1力偶在力
7、学中，将作用在同一物体上的两个大小相等、方向相反、不共线的平行力称为力偶，记作（F，F）。2力偶矩力偶中两个力所在的平面称为力偶作用面，两力作用线之间的垂直距离称为力偶臂，用d表示。力偶使物体转动的方向称为力偶的转向，力偶对物体的转动效应取决于力偶中的力与力偶臂的乘积，称为力偶矩。记作M（F，F）或M，即M（F，F）=M=Fd模块二模块二 力矩、力偶、力的平移力矩、力偶、力的平移力偶矩是一个代数量，其正、负号表示力偶矩的转向，通常规定：力偶使物体产生逆时针方向转动时，力偶矩为正；反之，力偶使物体产生顺时针方向转动时，力偶矩为负。力偶的三要素是力偶矩的大小、转向和力偶的作用面，它们决定了力偶对刚
8、体的作用效果。3力偶的性质（1）力偶不能用一个力来代替。力偶必须用力偶来平衡。（2）力偶对其作用面内任意一点之矩恒等于力偶矩，而与矩心的位置无关。（3）凡力偶的三要素相同的力偶，则各个力偶之间相互等效，该性质也称为力偶的等效性。由力偶的等效性可以得出：只要保持力偶矩的大小和转向不变，力偶可以在其平面内任意移动，且可以同时改变力偶中力的大小和力臂的长短，而不改变力偶对物体的作用效果。模块二模块二 力矩、力偶、力的平移力矩、力偶、力的平移力偶也可以用一带箭头的弧线表示。三、力的平移定理三、力的平移定理力的平移定理是：作用在刚体上某点A的力F，可以将力F平行移动至任一指定点B，但需附加一个力偶矩M，
9、附加的力偶矩M等于原力F对指定点B之矩。模块二模块二 力矩、力偶、力的平移力矩、力偶、力的平移四、功率与效率四、功率与效率1功率功率是指物体单位时间（t）内所作的功(W)。功率用符号P表示，即P=W/t功率的单位是W（瓦），工程中常以kW（千瓦）为常用单位。在机器的铭牌中都标有机器的额定功率。额定功率是机器正常工作时的功率。（1）直线运动的功率公式对于直线运动来说，可用如下公式计算功率：P=Fv当机器的功率一定时，力与速度成反比，速度越大，力越小；速度越小，力越大。例如，在进行金属粗切削加工时，如果被切削材料较硬、背吃刀量（或切削深度）大，常选择较低的切削速度，以获得较大的切削力，否则就会使电
10、动机过载甚至烧毁电动机。模块二模块二 力矩、力偶、力的平移力矩、力偶、力的平移（2）回转运动的功率公式对于回转运动来说，可用如下公式计算功率：P=Mn/9550式中P圆轴传递的功率，单位是kW；n圆 轴 的 转 速，单 位 是r/min。M作用在轮轴上的外力偶矩，单位是Nm。当机器的功率一定时，转矩与转速成反比，转速大时，转矩变小；转速小时，转矩变大。例如，汽车爬坡时，需要较大的驱动力矩（或较大的牵引力），司机常采用低档位的转速，以便在一定功率的情况下获得较大的牵引力。2效率输入功率（P）的一部分用于克服有用阻力以完成指定的工作，该部分功率部分称为有用功率（P有）。输入功率（P）中的另一部分要
11、克服机械传动中的无用阻力，该部分功率称为无用功率（P无）。机器工作时，输出的有用功率与输入功率（P）之比，称为效率。效率总是小于1，效率用符号 表示，其计算公式是：P=P有+P无=P有/P模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用一、约束与约束力一、约束与约束力凡是对一个物体的运动或运动趋势起限制作用的其他物体，都称为这个物体的约束。约束对物体的作用力称为约束力。与约束力相对应，使物体产生运动或运动趋势的力，称为主动力（在工程上又称为载荷），如物体的重力、风力、压力、零件的载荷等。二、常见的约束类型及其约束力二、常见的约束类型及其约束力的特点的特点常见的约束
12、类型有柔性约束、光滑接触面约束、光滑圆柱铰链约束、固定端约束等。1柔性约束柔性约束又称为柔索约束，是由柔软的绳索、链条、胶带、钢丝等构成。柔性约束对物体的约束力是沿着柔体的中心线背离被约束物体的拉力。绳索、链条、胶带、钢丝等对物体的约束力作用在接触点上，方向是沿着绳索、链条、胶带等而背离物体。绳索、链条、胶带、钢丝等只承受拉力，不承受压力。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用2光滑接触面约束当两个物体接触面上的摩擦力与其他力相比很小，可忽略摩擦力时，可将接触面看成是完全光滑的，这种约束称为光滑面约束。例如，导轨与车轮接触、齿轮与齿轮接触、汽缸壁与活塞接
13、触等均可视为光滑接触面约束。光滑接触面约束只能阻止物体沿接触点（或接触面）公法线方向的运动，而不能限制物体沿接触面切线方向的运动。因此，光滑接触面约束力的作用方向是通过接触点并沿着公法线，指向被约束物体，这种约束力也称为正压力。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用3光滑圆柱铰链约束两个以上构件通过圆柱面接触，构成只能绕销轴回转中心相对转动，不能发生相对移动而构成的约束，称为光滑圆柱铰链约束。根据被连接物体的形状、位置及作用进行分类，光滑圆柱铰链约束可分为中间铰链约束（两个构件可作相对转动）、固定铰链支座约束（构件中一个固定在机架或基础上）和活动铰链支座
14、约束（支座中有几个圆柱滚子可沿某一方向滚动）。中间铰链对物体的约束特点是：约束力在垂直于圆柱销（或销钉）轴线的平面内，约束力的作用线通过圆柱销（或销钉）的中心，大小和方向不确定，通常用通过圆柱销（或销钉）中心的两个正交分力来表示。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用如果光滑圆柱铰链中有一构件与机架或基础固定在一起时，则称为固定铰链支座约束。例如，门窗上的合页、轴承中的轴等都是固定铰链支座约束。固定铰链支座对物体的约束特点与中间铰链约束相同。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用如果将固定铰链支座底部安装若干滚子，
15、并与支承面接触，则构成活动铰链支座约束（或称滚轴支座）。活动铰链支座对物体的约束特点是：约束力只能限制构件沿支承面垂直方向的移动，不能阻止物体沿支承面的运动或绕圆柱销轴线的转动，因此，活动铰链支座的约束力通过圆柱销中心，并垂直于支承面。活动铰链支座约束常用于桥梁、屋架结构中。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用4固定端约束固定端约束是指将物体的一端完全固定，使物体既不能移动又不能转动的约束。固定端约束的构件可以用一端插入刚体内的悬臂梁来表示。固定端约束限制物体沿任何方向的移动和转动，即物体既不能移动也不能转动，完全被固定位置。固定端约束产生一个限制物体
16、沿任何方向移动的约束力（或两个正交分力）和一个限制转动的约束力偶。例如，在车床上用卡盘夹紧的工件和固定在刀架上的车刀，它们被限制在约束处，不能沿任何方向移动与转动。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用三、力系三、力系1力系概述一个物体或构件上有多个力（通常指两个以上的力）作用时，则这些力就组成一个力系。如果各个力的作用线均在同一平面内时，则称该力系为平面力系。如果各个力的作用线不在同一平面内时，则称该力系为空间力系。如果各力的作用线相互平行，则称该力系为平行力系。如果各个力的作用线既不全交于一点，也不全平行，则该力系称为任意力系（或一般力系）。2平面汇
17、交力系在平面力系中，如果各个力的作用线都汇交于同一点时，则称为平面汇交力系。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用例如，某刚体上作用有一平面汇交力系F1、F2、F3和F4，根据力的可移性原理，首先将各力沿其作用线移至A点，然后连续应用力的三角形法则（或平行四边形法则），将各个力首尾相接地画出，即可求出其合力F。这就力的多边形法则。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用四、受力图四、受力图受力图是将被研究的物体从周围物体中分离出来，并用简明图形表示出其所受的全部作用力的图形。被分离出来的物体称为分离体。确定作用在物体
18、上的每一个力的作用位置和方向的分析过程称为受力分析。画受力图的一般步骤是：（1）确定研究对象，解除约束，画出分离体简图。（2）进行受力分析，分析出研究对象上的主动力与约束力，明确受力物体与施力物体。（3）在分离体解除约束处，画出作用在研究对象上的全部主动力与约束力。（4）注意作用力与反作用力的符号区别，通常采用加注角标“”进行区分。模模块块三三 约约束、束、约约束力、力系和受力束力、力系和受力图图的的应应用用【例【例11】将重量为G的圆柱形滚子放置在光滑斜面上，用平行于光滑斜面的绳索将圆柱形滚子拉住，使圆柱形滚子静止在光滑斜面上。试画出圆柱形滚子的受力图。解解：（1）取分离体。以圆柱形滚子为研
19、究对象，画出其轮廓图。（2）画出主动力。圆柱形滚子所受的主动力是重力G，其作用在圆柱形滚子中心O，方向是铅垂向下。（3）画出约束反力。圆柱形滚子在A点为柔性约束，其所受约束力是FT，并沿绳索中心线离开圆柱形滚子；圆柱形滚子在B点为光滑接触面约束，其所受约束力是FN，并沿接触面公法线指向圆柱形滚子。模块四模块四 平面力系的平衡方程及应用平面力系的平衡方程及应用一、力在直角坐标轴上的投影一、力在直角坐标轴上的投影如果力F作用在Oxy平面内，过力F的两端点A、B分别作x轴的垂线，则两垂足a、b间的线段ab称为力F在x轴上的投影。同理，过力F的两端点A、B分别作y轴的垂线，则可得到力F在y轴上的投影a
20、1b1。力在某一坐标轴上的投影有正、负号规定，其正、负符号规定是：当力的起点a（或a1）到终点投影b（或b1）的指向与坐标轴正向一致时为正，反之则为负。如果力F与x轴所夹锐角为，则有Fx=FcosFy=Fsin二、合力投影定理二、合力投影定理合力在某一坐标轴上的投影，等于力系中各力在同一坐标轴上投影的代数和。这一结论称为合力投影定理。模块四模块四 平面力系的平衡方程及应用平面力系的平衡方程及应用三、平面汇交力系的平衡方程三、平面汇交力系的平衡方程平面汇交力系平衡的充分和必要条件是：该力系的合力等于零。如果采用直角坐标系表示，则平面汇交力系平衡的充分和必要条件是：该力系中所有的力在x、y两坐标轴上投影的代数和分别等于零。四、平面任意力系的平衡方程四、平面任意力系的平衡方程对于平面任意力系来说，如果采用直角坐标系表示，平面任意力系的平衡方程可表述为：力系中各力在坐标轴上投影的代数和等于零，且各力对平面内任意一点的力矩的代数和等于零。