1、 第一篇 静力学第 1 章静力学公理与物体的受力分析1.1 静力学公理公理 1 二力平衡公理 ：作用于刚体上的两个力，使刚体保持平衡的必要和充分条件是：这两个力大小相等、方向相反且作用于同一直线上。 F=-F工程上常遇到只受两个力作用而平衡的构件，称为二力构件或二力杆。公理 2 加减平衡力系公理 ：在作用于刚体的任意力系上添加或取去任意平衡力系，不改变原力系对刚体的效应。推论 力的可传递性原理 ：作用于刚体上某点的力，可沿其作用线移至刚体内任意一点，而不改变该力对刚体的作用。 公理 3 力的平行四边形法则 ：作用于物体上某点的两个力的合力，也作用于同一点上，其大小和方向可由这两个力所组成的平行
2、四边形的对角线来表示。推论 三力平衡汇交定理 ：作用于刚体上三个相互平衡的力，若其中两个力的作用线汇交于一点，则此三个力必在同一平面内，且第三个力的作用线通过汇交点。公理 4 作用与反作用定律 ：两物体间相互作用的力总是同时存在，且其大小相等、方向相反，沿着同一直线，分别作用在两个物体上。公理 5 钢化原理 ：变形体在某一力系作用下平衡，若将它钢化成刚体，其平衡状态保持不变。对处于平衡状态的变形体，总可以把它视为刚体来研究。1.2 约束及其约束力 柔性体约束光滑接触面约束光滑铰链约束第 2 章 平面汇交力系与平面力偶系1. 平面汇交力系合成的结果是一个合力,合力的作用线通过各力作用线的汇交点,
3、其大小和方向可由失多边形的封闭边来表示,即等于个力失的矢量和,即 FR=F1+F2+.+Fn=F2. 矢量投影定理：合矢量在某轴上的投影，等于其分矢量在同一轴上的投影的代数和。3. 力对刚体的作用效应分为移动和转动。力对刚体的移动效应用力失来度量；力对刚体的转动效应用力矩来度量，即力矩是度量力使刚体绕某点或某轴转动的强弱程度的物理量。 （Mo（F ）=Fh）4. 把作用在同一物体上大小相等、方向相反、作用线不重合的两个平行力所组成的力系称为力偶，记为（F,F） 。例 2-8 如图 2.-17（a）所示的结构中，各构件自重忽略不计，在构件 AB 上作用一力偶，其力偶矩为 500kNm，求 A、C
4、 两点的约束力。解 构件 BC 只在 B、C 两点受力，处于平衡状态，因此 BC 是二力杆，其受力如图 2-17（b）所示。由于构件 AB 上有矩为 M 的力偶，故构件 AB 在铰链 A、B 处的一对作用力 FA、FB构成一力偶与矩为 M 的力偶平衡（见图 2-17（c） ） 。由平面力偶系的平衡方程 Mi=0，得Fad+M=0则有 FA=FB N=471.40N= 50012+0.5（ 24） 由于 FA、FB为正值，可知二力的实际方向正为图 2-17（c）所示的方向。根据作用力与反作用力的关系，可知 FC=FB=471.40N，方向如图 2-17（b）所示。第 3 章 平面任意力系1 合力
5、矩定理：若平面任意力系可合成为一合力。则其合力对于作用面内任意一点之矩等于力系中各力对于同一点之矩的代数和。2 平面任意力系平衡的充分和必要条件为：力系的主失和对于面内任意一点 Q 的主矩同时为零，即 FR=0,Mo=0.3 平面任意力系的平衡方程: Fx=0, Fy=0, Mo(F)=0.平面任意力系平衡的解析条件是,力系中所有力在作用面内任意两个直角坐标轴上投影的代数和分别等于零,各力对于作用面内任一点之矩的代数和也是等于零.例 3-1如图 3-8（a）所示，在长方形平板的四个角点上分别作用着四个力，其中F1=4kN，F2=2kN，F3=F4=3kN，平板上还作用着一力偶矩为 M=2kNm
6、 的力偶。试求以上四个力及一力偶构成的力系向 O 点简化的结果，以及该力系的最后合成结果。解 （1）求主矢 FR，建立如图 3-8（a ）所示的坐标系，有FRx=Fx= F2cos60+F3+F4cos30=4.598kNFRy=Fy=F1F2sin60+F4sin30=3.768kN所以，主矢为FR= =5.945kNFRx+FRy主矢的方向cos（FR,i）= =0.773, (FR，i)=39.3cos（FR,j）= =0.634，（FR ，j ）=50.7（2）求主矩，有M0=M0（F ）=M+2F2cos602F2+3F4sin30=2.5kNm由于主矢和主矩都不为零，故最后的合成结
7、果是一个合力 FR，如图 3-8（b）所示，FR=FR，合力 FR 到 O 点的距离为d= =0.421m0例 3-10连续梁由 AC 和 CE 两部分在 C 点用铰链连接而成，梁受载荷及约束情况如图 3-18（a）所示，其中 M=10kNm，F=30kN，q=10kN/m ，l=1m 。求固定端 A 和支座 D 的约束力。解 先以整体为研究对象，其受力如图 3-18（a）所示。其上除受主动力外，还受固定端 A处的约束力 Fax、Fay 和矩为 MA 的约束力偶，支座 D 处的约束力 FD 作用。列平衡方程有Fx=0， FaxFcos45=0Fy=0，FAy2ql+Fsin45+FD=0MA（
8、F）=0，MA+M4ql +3FDl+4Flsin45=0以上三个方程中包含四个未知量，需补充方程。现选 CE 为研究对象，其受力如图 3-（b）所示。以 C 点为矩心，列力矩平衡方程有MC（F）=0， ql +FDl+2Flsin45=0 联立求解得12FAx=21.21kN，Fay=36.21kN，MA=57.43kNm，FD= 37.43kN第 4 章 考虑摩擦的平衡问题1. 摩擦角：物体处于临界平衡状态时，全约束力和法线间的夹角。tanm=fs2. 自锁现象：当主动力即合力 Fa 的方向、大小改变时，只要 Fa 的作用线在摩擦角内，C 点总是在 B 点右侧，物体总是保持平衡，这种平衡现
9、象称为摩擦自锁。例 4-3梯子 AB 靠在墙上，其重为 W=200N，如图 4-7 所示。梯长为 l，梯子与水平面的夹角为=60 已知接触面间的摩擦因数为 0.25。今有一重 650N 的人沿梯上爬，问人所能达到的最高点 C 到 A 点的距离 s 为多少？解 整体受力如图 4-7 所示，设 C 点为人所能达到的极限位置，此时FsA=fsFNA，FsB=fsFNBFx=0 ，FNB-FsA=0Fy=0，FNA+FsB-W-W1=0MA （F ）=0，-FNBsin-FsBlcos+W cos+W1scos=02联立求解得 S=0.456l第 5 章 空间力系1. 空间汇交力系平衡的必要与充分条件
10、是:该力系的合力等于零,即 FR=Fi=02. 空间汇交力系平衡的解析条件是:力系中各力在三条坐标轴上投影的代数和分别等于零.3. 要使刚体平衡,则主失和主矩均要为零,即空间任意力系平衡的必要和充分条件是:该力系的主失和对于任一点的主矩都等于零,即 FR=Fi=0,Mo=Mo(Fi)=04. 均质物体的重力位置完全取决于物体的几何形状,而与物体的重量无关.若物体是均质薄板,略去 Zc,坐标为 xc=Ai*xi/A,yc=Ai*yi/A5. 确定物体重心的方法(1)查表法(2)组合法:分割法;负面积(体积)法(3)实验法例 5-7试求图 5-21 所示截面重心的位置。解 将截面看成由三部分组成：
11、半径为 10mm 的半圆、50mm 20mm 的矩形、半径为 5mm的圆，最后一部分是去掉的部分，其面积应为负值。取坐标系 Oxy，x 轴为对称轴，则截面重心 C 必在 x 轴上，所以 yc=0.这三部分的面积和重心坐标分别为A1= mm =157mm ,x1=- =-4.246mm，y1=0102 43A2=5020mm =1000mm ，x2=25mm ，y2=0A3=-5 mm =-78.5mm ，x3=40mm，y3=0用负面积法，可求得Xc= =11+22+331+2+3 157(4.246)+100025+(78.5)40157+1000+(78.5)第二篇 运动学第 6 章 点的
12、运动学 6.2 直角坐标法 运动方程 x=f(t) y=g(t) z=h(t) 消去 t 可得到轨迹方程 f（x,y,z）=0 其中例题 6 -1 椭圆规机构如图 6-4（a）所示，曲柄 oc 以等角速度 w 绕 O 转动，通过连杆 AB带动滑块 A、B 在水平和竖直槽内运动，OC=BC=AC=L 。求：（1）连杆上 M 点（AM=r ）的运动方程；（ 2）M 点的速度与加速度。解：（1）列写点的运动方程由于 M 点在平面内运动轨迹未知，故建立坐标系。点 M 是 BA 杆上的一点，该杆两端分别被限制在水平和竖直方向运动。曲柄做等角速转动，=wt 。由这些约束条件写出M 点运动方程 x=(2L-
13、r)coswt y=rsinwt 消去 t 得轨迹方程：（ x2L-r ）+（y/x ）=1 （2）求速度和加速度对运动方程求导，得 dx/dt=-(2L-r)wsinwt dy/dt=rsinwt 再求导 a1=-(2L-r)wcoswt a2=-rwsinwt 由式子可知 a=a1i+a2j=-wr 6.3 自然法2.自然坐标系：b=tn 其中 b 为副法线 n 为主法线 t3.点的速度 v=ds/dt 切向加速度 at=dv/dt 法向加速度 an=v/p习题 6-10 滑道连杆机构如图所示，曲柄 OA 长 r，按规律 =+wt 转动（ 以 rad计，t 以 s 计） ，w 为一常量。求
14、滑道上 C 点运动、速度及加速度方程。解：第七章 刚体的基本运动7.1 刚体的平行运动：刚体平移时，其内所有各点的轨迹的形状相同。在同一瞬时，所有各点具有相同的速度和相同的加速度。刚体的平移问题可归结为点的运动问题。7.2 刚体的定轴转动：瞬时角速度 w=limt=d/dt 瞬时角加速度 a=limw t=dw/dt=d/dt转动刚体内任一点速度的代数值等于该点至转轴的距离与刚体角速度的乘积a=(a +b)=R(+w) =arctan|a|/b =arctan|/w 转动刚体内任一点速度和加速度的大小都与该点至转轴的距离成正比。例题 7-1 如图所示平行四连杆机构中， O1A=O2B=0.2m
15、 ,O1O2=AB=0.6m ,AM=0.2m ,如O1A 按 =15t 的规律转动，其中 以 rad 计，t 以 s 计。试求 t=0.8s 时，M 点的速度与加速度。解：在运动过程中，杆 AB 始终与 O1O2 平行。因此，杆 AB 为平移，O1A 为定轴转动。根据平移的特点，在同一瞬时 M、A 两点具有相同的速度和加速度。A 点做圆周运动，它的运动规律为 s=O1A=3t m所以 VA=ds/dt=3 m/s atA=dv/dt=0 anA= (V A) /O1A=45 m/s为了表示 Vm 、am 的 2，需确定 t=0.8s 时，AB 杆的瞬时位置。当 t=0.8s 时，s=2.4
16、mO1A=0.2m , =2.4 /0.2=12,AB 杆正好第 6 次回到起始位置 O 点处，Vm 、a m 的方向如图所示。第 8 章点的合成运动8.1 合成运动的概念：相对于某一参考系的运动可由相对于其他参考系的几个运动组合而成，这种运动称为合成运动。当研究的问题涉及两个参考系时，通常把固定在地球上的参考系称为定参考系，简称定系。吧相对于定系运动的参考系称为动参考系，简称动系。研究的对象是动点。动点相对于定参考系的运动称为绝对运动；动点相对于动参考系的运动称为相对运动；动参考系相对于定参考系的运动称为牵连运动。动系作为一个整体运动着，因此，牵连运动具体有刚体运动的特点，常见的牵连运动形式
17、即为平移或定轴转动。动点的绝对运动是相对运动和牵连运动合成的结果。绝对运动也可分解为相对运动和牵连运动。在研究比较复杂的运动时，如果适当地选取动参考系，往往能把比较复杂的运动分解为两个比较简单的运动。这种研究方法无论在理论上或实践中都具有重要意义。动点在相对运动中的速度、加速度称为动点的相对速度、相对加速度，分别用 vr 和 ar表示。动点在绝对运动中的速度、加速度称为动点的绝对速度和绝对加速度，分别用 va 和aa 表示。换句话说，观察者在定系中观察到的动点的速度和加速度分别为绝对速度和绝对加速度；在动系中观察到动点的速度和加速度分别为相对速度和相对加速度。在某一瞬时，动参考系上与动点 M
18、相重合的一点称为此瞬时动点 M 的牵连点。如在某瞬时动点没有相对运动，则动点将沿着牵连点的轨迹而运动。牵连点是动系上的点，动点运动到动系上的哪一点，该点就是动点的牵连点。定义某瞬时牵连点相对于定参考系的速度、加速度称为动点的牵连速度、牵连加速度，分别用 ve 和 ae 表示。动系 Oxy与定系 Oxy 之间的坐标系变换关系为x=x0+xcos-ysin y=y0+xsin+ycos 在点的绝对运动方程中消去时间 t，即得点的绝对运动轨迹；在点的相对运动方程中消去时间 t，即得点的相对运动轨迹。例题 8-4 矿砂从传送带 A 落到另一传送带 B 上，如图所示。站在地面上观察矿砂下落的速度为 v1
19、=4 m/s ，方向与竖直线成 30 角。已知传送带 B 水平传动速度 v2=3 m/s.求矿砂相对于传送带 B 的速度。解：以矿砂 M 为动点，动系固定在传送带 B 上。矿砂相对地面的速度 v1为绝对速度；牵连速度应为动参考系上与动点相重合的哪一点的速度。可设想动参考系为无限大，由于它做平移，各点速度都等于 v2 。于是 v2等于动点 M 的牵连速度。由速度合成定理知，三种速度形成平行四边形，绝对速度必须是对角线，因此作出的速度平行四边形如图所示。根据几何关系求得Vr=（ve+va-2ve vacos60）=3.6 m/sVe 与 va 间的夹角 =arcsin（ve/vr*sin60 ）=
20、4612总结以上，在分析三种运动时，首先要选取动点和动参考系。动点相对于动系是运动的，因此它们不能处于同一物体；为便于确定相对速度，动点的相对轨迹应简单清楚。8.3 当牵连运动为平移时，动点的绝对加速度等于牵连加速度和相对加速度的矢量和。第 9 章 刚体的平面运动9.1 刚体平面运动的分析：其运动方程 x=f1(t) y=f2(t) =f 3(t)完全确定平面运动刚体的运动规律在刚体上，可以选取平面图形上的任意点为基点而将平面运动分解为平移和转动，其中平面图形平移的速度和加速度与基点的选择有关，而平面图形绕基点转动的角速度和角加速度与基点的选择无关。9.2 刚体平面运动的速度分析：平面图形在某
21、一瞬时，其上任意两点的速度在这两点的连线上的投影相等，这就是速度投影定理。Vcosa=vcosb例 9-1椭圆规尺 AB 由曲柄 OC 带动，曲柄以匀角速度 0 绕轴 O 转动，如图 9-7 所示，OC=BC=AC=r，求图示位置时，滑块 A、B 的速度和椭圆规尺 AB 的角速度。解 已知 OC 绕轴 O 做定轴转动，椭圆规尺 AB 做平面运动，vc=0r。（1 ） 用基点法求滑块 A 的速度和 AB 的角速度。因为 C 的速度已知，选 C 为基点。vA=Vc+VAC式中的 vc 的大小和方向是已知的，vA 的方向沿 y 轴，vAC 的方向垂直于 AC，可以作出速度矢量图，如图 9-7 所示。
22、由图形的几何关系可得vA=2vccos30= 0r,Vac=Vc，Vac=ABr3解得AB= 0（顺时针）（2 ） 用速度投影定理求滑块 B 的速度，B 的速度方向如图 9-7 所示。vBBC=vCBCVccos30=vBcos30解得Vb=vC=0r例 9-5图 9-15 所示机构中，长为 l 的杆 AB 的两端分别与滑块 A 和圆盘 B 沿竖直方向光滑移动，半径为 R 的圆盘 B 沿水平直线做纯滚动。已知在图示的位置时，滑块 A 的速度为 vA，求该瞬时杆 B 端的速度、杆 AB 的角速度、杆 AB 中点 D 的速度和圆盘的角速度。解 根据题意，杆 AB 做平面运动， vA 的方向已知，圆
23、盘中心 B 的速度沿水平方向，则杆AB 的速度瞬心为 P 点，有AB= =vB=ABBP=vAtanvD=ABDP= = 2 2圆盘 B 做平面运动，C 点为其速度瞬心，则 B= = tan第三篇 动力学 第 10 章 质点动力学的基本方程1. 牛顿第一定律：不受了作用（包括受到平衡力系作用）的质点，将保持静止或做匀速直线运动。又称惯性定律。2. 牛顿第二定律：质点的质量与加速度的乘积，等于作用于质点的力的大小，加速度的方向与力的方向相同。F =ma3. 牛顿第三定律：两个物体间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反，沿着同一直线，同时分别作用在这两个物体上。例 10-2：曲柄连杆机构如图
24、10-2（a） 。曲柄 OA 以匀角速度 转动，OA=r，AB=l，当 =r/l 比较小时，以 O 为坐标原点，滑块 B 的运动方程可近似表示为X=l(1- )+r(cost+ )4 42 如滑块的质量为 m，忽略摩擦及连杆 AB 的质量，试求当 =t=0 和 时，连杆 AB 所受2的力。解 以滑块 B 为研究对象，当 =t 时，其受力如图 10-2（b）所示。由于连杆不计质量，AB 应为二力杆，所以受平衡力系作用，它对滑块 B 的拉力 F 沿 AB 方向。滑块啱x 轴的运动方程Max=-Fcos由滑块 B 的运动方程可得Ax= =-r（cos t+ cos2t）当 t=0 时，ax=-r（1
25、+） ，且 =0，得F=mr(1+)杆 AB 受拉力。同理可得，当 t= 时，F=- ，杆 AB 受压力2 例 10-5物块在光滑水平面上并与弹簧相连，如图 10-5 所示。物块的质量为 m，弹簧的刚度系数为k。在弹簧拉长变形量为 a 时，释放物块。求物块的运动规律。解 以弹簧未变形处为坐标原点 O，设物块在任意坐标 x 处弹簧变形量为|x| ，弹簧力大小为F=k|x|，并指向 O 点，如图 10-5 所示，则此物块沿 x 轴的运动微分方程为 m =Fx=-kx令 n= ，将上式化为自由振动微分方程的标准形式 +nx=0 上式的解可写为 X=Acos(nt+)其中 A、 为任意常数，应由运动的
26、初始条件决定。由题意，当 t=0 时， =0，x=a，代入上式，解得 =0，A=a，代入式中，可解得运动方程为 X=acosnt第 11 章 动力定理1. 动量：等于质点的质量与其速度的乘积.2. 质点系的动量定理: 微分形式:质点系的动量对时间的一阶导数等于作用在该质点系上所有外力的矢量和. 积分形式:质点系的动量在任一时间间隔内的变化 ,等于在同一时间间隔内作用在该指点系上所有外力的冲凉的矢量和.(冲凉定理)3. 质心运动守恒定律：如果所有作用于质心系的外力在 x 轴上投影的代数和恒等于零，即F=0，则 Vcx=常量，这表明质心的横坐标 xc 不变或质心沿 x 轴的运动时均匀的。例 11-
27、5：已知液体在直角弯管 ABCD 中做稳定流动，流量为 Q，密度为 ，AB 端流入截面的直径为 d，另一端 CD 流出截面的直径为 d1。求液体对管壁的附加动压力。解 取 ABCD 一段液体为研究对象，设流出、流入的速度大小为 v1 和 v2,则V1= ，v2=4 421cpmv建立坐标系，则附加动反力在 x、y 轴上的投影为 FNx=Q(v2-0)=4 21FNy= Q 0-（-v1）4 21例 11-7：图 11-6 所示的曲柄滑块机构中，设曲柄 OA 受力偶作用以匀角速度 w 转动，滑块 B 沿 x 轴滑动。若 OA=AB=l，OA 及 AB 都为均质杆，质量都为 m1，滑块 B 的质量
28、为 m2。试求此系统的质心运动方程、轨迹及此系统的动量。解 设 t=0 时杆 OA 水平，则有 =wt。将系统看成是由三个质点组成的，分别位于杆OA 的中点、杆 AB 的中点和 B 点。系统质心的坐标为Xc= cost= lcost12+232+2221+2 2(1+2)21+2Yc= sint= lsint21221+2 121+2上式即系统质心 C 的运动方程。由上两式消去时间 t,得 xc + =121+22(1+2) 21+21即质心 C 的运功轨迹为一椭圆，如图 11-6 中虚线所示。应指出，系统的动量，利用式（11-15）的投影式，有Px=mvcx=(2m1+m2) =-2(m1+
29、m2)lsin tPy=mvcy=(2m1+m2) =m1lcost例 11-11：平板 D 放置在光滑水平面上，板上装有一曲柄、滑杆 、套筒机构，十字套筒 C 保证滑杆 AB 为平移，如图示。已知曲柄 OA 是一长为 r，质量为 m 的均质杆，以匀角速度 w 绕轴 O 转动。滑杆 AB 的质量为 4m,套筒 C 的质量为 2m，机构其余部分的质量为 20m，设初始时机构静止，试求平板 D 的水平运动规律 x(t)。解 去整体为质点系，说受的外力有各部分的重力和水平面的反力。因为外力在水平轴上的投影为零，且初始时静止，因此质点系质心在水平轴上的坐标保持不变。建立坐标系，并设平板 D 的质心距
30、O 点的水平距离为 a，AB 长为 l，C 距 O 点的水平距离为 b,则初始时质点系质心的水平轴的坐标为Xc1= =20+2+4(+2)+220+4+220+2+4+2+227设经过时间 t，平板 D 向右移动了 x(t)，曲柄 OA 转动了角度 wt,此时质点系质心坐标为Xc2=20()+()+2 +4()+ +2+2()+27因为在水平方向上质心守恒，所以 xc1=xc2, 解得：X(t)= (1-cost)6P207 习题 11-3第 12 章 动量矩定理1. 质点和质点系的动量矩:指点对点 O 的动量矩失在 z 轴的投影,等于对 z 轴的动量矩,即Lo(mv) =Lz(mv)质点系对
31、固定点 O 的动量矩等于各质点对同一点 O 的动量矩的矢量和 .即:Lo =Lo(mv)2. 绕定轴转动刚体对于转轴的动量矩等于刚体对转轴的装动惯量与角速度的乘积.(Lz=wJz)3. 平行轴定理:刚体对于任一轴的转动惯量 ,等于刚体对通过质心并与该轴平行的轴转动惯量,加上刚体的质量与两轴间距离平方的乘积.4. 动量矩定理:质点对某定点的动量矩对时间的一阶导数等于作用于质点的力对同一点的矩.例 12-2：已知均质细杆和均质圆盘的质量都为 m,圆盘半径为 R，杆长 3R，求摆对通过悬挂点 O 并垂直于图面的 Z 轴的转动惯量。解 摆对 Z 轴的转动惯量为Jz=Jz 杆+Jz 盘 杆对 Z 轴的转动惯量为Jz 杆= ml = m（3R）=3mR 13 13圆盘对其质心的转动惯量为Jzc2= mR 12利用平行轴定理Jz 盘= Jzc2+m（R+l ）= mR +16mR= mR12 332
