《理論力學緒論》PPT課件.ppt

課程開篇,同學們： 歡迎參加 理論力學 課程的學習,Theoretical Mechanics,我希望. 你們喜歡上這門課 你們能積極回答我提出的問題 你們能踴躍提出你們的看法 讓我們共同努力吧！,1.哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編理論力學 教材,理論力學參考書 其它參考資料,一、理論力學的研究對象 二、理論力學的任務及其研究內(nèi)容 三、理論力學的研究方法 四、理論力學的發(fā)展史 五、理論力學現(xiàn)代教學研究,緒論,日常生活中的力學問題,理論力學各種問題,自行車輪在運動過程呈何現(xiàn)象?知道直升飛機尾槳嗎? 篩子工作的力學原理，在北半球，由南向北流動的河 流，為什么東岸沖刷的厲害？蛤蟆夯的動力學分析,四足朝天的貓翻身落地 ，冰上拔河 ，為什么現(xiàn)代跳高運動都采用背越式 ，當平臺轉(zhuǎn)動時，在平臺上快速運動的皮帶為什么會變形？有人乘坐越高級的轎車為什么暈車越厲害？,返回,緒 論,機械運動：是物體在空間的位置隨時間的變化。,一、理論力學的研究對象,理論力學：是研究物體機械運動一般規(guī)律的一門學科。,返回,各種不同的永動機,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回, 理論力學研究模型、方法,工程實際問題,力 學 模 型,演 繹、推 理,返回,返回,1. 理論力學是一門理論性較強的技術(shù)基礎課,政治,專 業(yè) 課,技 術(shù) 基 礎 課,基 礎 課,外語,緒 論,二、理論力學的任務及其研究內(nèi)容,2. 理論力學是很多專業(yè)課程的重要基礎,例如：材料力學、機械原理、機械零件、結(jié)構(gòu)力學、彈性力學 、流體力學 、機械振動等一系列后續(xù)課程的重要基礎。,3.理論力學的研究內(nèi)容,緒 論,力學的應用 ,航天工程,核反應堆工程,航空工程,石油工程,機械工程,電子工程,土木工程,計算機工程,水利工程,其它工程 領域,土木建筑,返回,土木建筑,返回,返回,緒 論,靜力學： 運動學： 動力學：,研究物體在力系作用下的平衡規(guī)律，同時也研究力的一般性質(zhì)和力系的簡化方法等。,研究物體運動的幾何性質(zhì)，而不研究引起物體運動的原因。,研究受力物體的運動變化與作用力之間的關系。,3.理論力學的研究內(nèi)容,返回,緒 論,工程問題,力學模型,數(shù)學模型,分析計算,三、理論力學的研究方法,返回,緒 論,力學模型 ,研究飛機的運動軌跡問題時，飛機可視為質(zhì)點。,返回,緒 論,力學模型 ,研究衛(wèi)星運動軌道問題時，衛(wèi)星可視為質(zhì)點；但研究衛(wèi)星姿態(tài)控制問題時，則要視為剛體。,返回,早在(公元前287212)古希臘阿基米德著的論比重就奠 定了靜力學基礎。 意大利的達芬奇(14521519)研究滑動摩擦、平衡、力矩。 波蘭的哥白尼(14731543)創(chuàng)立宇宙“日心說”。 意大利思想家（Giordano Btuno，1548-1600），宣傳哥白尼的日心說 德國的開普勒(15711630)提出行星運動三定律。 意大利的伽利略(15641642)自由落體規(guī)律、慣性定律及加速 度的概念。,四、理論力學的發(fā)展史,緒 論,布魯諾,英國偉大科學家牛頓(16431727)在1687年版的自然哲學的 數(shù)學原理一書總其大成，提出動力學的三個基本定律， 萬有引力定律，天體力學等。是力學奠基人。 瑞士的伯努利(16671748)虛位移原理。 瑞士的歐拉(17071783)著出力學用微分方程研究。 法國達朗伯(17171785)名著動力學專論達朗伯原理。 法國拉格朗日(17361813)提出第二類拉格朗日方程。,緒 論,返回,亞里斯多德 Aristotle,384B.C.322B.C.,主要貢獻,亞里士多德是古代世界最偉大的哲學家和科學家，他創(chuàng)立了幾乎豐富了每個哲學領域的形式邏輯學，對科學做出了許多貢獻。 倡導研究問題的理性主義方法。他的態(tài)度是人類生活和社會的每個方面都可以是思維和分析的合適對象：宇宙的運動是受理性定理所支配；人類應該對自然世界的每個方面都進行系統(tǒng)的研究；得出結(jié)論的過程中既要利用實驗觀察又要利用邏輯推理。這一套方法與傳統(tǒng)主義、迷信主義和神秘主義相對立，對西方文明有著深刻的影響。,返回,阿基米德 Archimedes （公元前287年-公元前212年）,古希臘著名學者，數(shù)學家、物理學家、發(fā)明家和軍事工程師。阿基米德在科學的許多方面都有卓越的貢獻。在力學方面的成就尤為突出，是公認的古代最偉大的力學家。,主要貢獻,歐拉 Euler LonHard （-）,瑞士數(shù)學家及自然科學家。歐拉是18世紀數(shù)學界最杰出的人物之一，他不但為數(shù)學界作出貢獻，更把數(shù)學推至幾乎整個物理的領域。,伽利略像Galileo （1564-1642）,偉大的意大利物理學家和天文學家，現(xiàn)代科學之父。歷史上他首先在科學實驗的基礎上融會貫通了數(shù)學、物理學和天文學三門知識，擴大、加深并改變了人類對物質(zhì)運動和宇宙的認識。,主要貢獻,牛頓 Isaac Newton (16421727),大自然和他的規(guī)律 隱匿在黑暗中 上帝說：“讓牛頓出生吧!” 于是一切都光明了。 普柏,那里雕像聳立著， 是面容肅穆而沉默的牛頓 這大理石標志的心靈 在奇妙的思維之海上航行 永遠，永遠 華滋華斯,主要貢獻,自然哲學的 數(shù)學原理 最早版本,返回,拉格朗日 Lagrange （1736-1814）,法國數(shù)學家、力學家及天文學家。只有18歲的他就以純分析的方法發(fā)展了歐拉所開創(chuàng)的變分法，奠定變分法之理論基礎。發(fā)表大量有關變分法、概率論、微分方程、弦振動及最小作用原理等論文。,返回,經(jīng)典力學發(fā)展簡史,牛頓前: 最古老的學科; “天工開物“; 天文觀察: 歷法; 第谷 牛頓: 宏觀世界 數(shù)量化的因果關系 ; 機械唯物論試圖解釋一切事物 現(xiàn)代: 愛因斯坦; 牛頓力學的局限性; 在適用范圍內(nèi)仍然有效 新發(fā)展: 航天 多體 新材料.,返回,五、理論力學現(xiàn)代教學研究,CAI教學，多媒體教學等。,緒 論,返回,學習要求,課堂嚴禁玩手機，要求：關閉，收起來！ 必須聽課（確有理由要請假）出勤。缺勤次數(shù)多（連續(xù)23次以上），后果自負 不遲到、早退 不得在課堂看其它資料、吃東西、睡覺等 按時交作業(yè)，要求作業(yè)干凈、整齊、規(guī)范，特別是做圖認真。 保持課堂安靜,考核辦法（暫定）,平時：30，包括出勤、作業(yè)、期中測驗等 期末：70,訣竅 理解概念 掌握方法 靈活應用,緒 論,THANK YOU,返回,杠桿理論，認為：距支點距離較大的力容易移動重物 認為：運動不是存在于事物之外，而是存在于事物之中 認為：“體積相等的兩個物體，較重的下落得較快?！彼€說，物體下落的快慢精確地與它們的重量成正比。 他的思辨技巧和研究方法（尤其是它的分類思想）是西方科學研究方法的源頭。 對力的認識錯誤，成為教會教義的理論依據(jù)，壓抑了人類的思想和科學創(chuàng)新的步伐達2000年，成為中世紀黑暗的根源,1 他把杠桿端點的重物的運動分解為切向 運動和法向運動兩部分。他稱切向運動為合乎自然的運動，而把法向運動稱為違反自然的運動。 2 見亞里士多德的專著物理學,返回,現(xiàn)象： 自行車輪在運動過程呈何現(xiàn)象? 演示： 自行車輪在運動中, 為什么上半部輪輻模糊,下半部輪輻清晰. 分析： 運動學知識告訴我們,當自行車輪在運動中時,可作為剛體作平面運動來分析.車輪在滾動過程中不打滑,可作為純滾動處理.車輪與地面接觸點速度為零,稱為速度瞬心,以速度瞬心作車輪的速度分布圖(見右圖),可見車輪上半部速度大,下半部輪速度小. 速度大輪輻模糊,速度小輪輻清晰.,返回,現(xiàn)象： 知道直升飛機尾槳嗎? 演示： 直升飛機尾槳不工作時, 直升飛機會作如何工作? 分析： 我們看到當直升飛機主槳轉(zhuǎn)動時,而尾槳不轉(zhuǎn)動, 直升飛機機身朝主槳轉(zhuǎn)動的反向轉(zhuǎn)動.這是為什么呢?如果我們在直升飛機的重心上建立垂直軸ZC .根據(jù)對質(zhì)心ZC軸的動量矩定理知道,此動量矩守恒, 直升飛機主槳轉(zhuǎn)動時, 機身必朝反向轉(zhuǎn)動, 而當尾槳轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生推力,控制機身的轉(zhuǎn)動.這就是尾槳的工作功能之一.,返回,現(xiàn)象： 知道圖示篩子工作的力學原理嗎? 演示： 當篩子工作時, 篩子里的顆粒如何相對篩子運動? 分析： 由運動學知識分析此篩子作圓周平動, 篩子上各點的速度,加速度相同.而動力學知識告訴我們由加速度引起的各顆粒的慣性力相同.當慣性力大于阻礙顆粒運動的摩擦力時,顆粒相對篩子運動,這就是篩子工作的力學原理.,返回,現(xiàn)象： 在北半球，由南向北流動的河流，為什么東岸沖刷的厲害？ 演示： 流動的河流及哥氏慣性力 分析： 由于水質(zhì)點沿經(jīng)線方向作相對運動，哥氏慣性力垂直于子午面，河流中的其他水質(zhì)點都存在同一情況。因此，河水流動偏向東岸，所以東岸沖刷的比較厲害。,返回,現(xiàn)象： 蛤蟆夯的動力學分析 演示： 蛤蟆夯的運動 分析： 蛤蟆夯是建筑工地上用來夯實地面的一種小型施工機械，它在旋轉(zhuǎn)的飛輪上設置偏心塊，轉(zhuǎn)到最高位置時帶動夯體跳起，然后向前落下，這樣不斷的跳起再落下，從而將地面夯實。從力學分析，偏心塊轉(zhuǎn)到最高位時的慣性力大于夯體及飛輪重量就可帶動夯體起跳，而且象哈蟆一樣向前跳動。（能不能分析哈蟆夯為什么不會向后跳動）。,返回,現(xiàn)象： 四足朝天的貓翻身落地 演示： 貓在翻轉(zhuǎn)過程中前半身相對后半身作方向相反的圓錐運動 分析： 貓的空中翻身滿足動量矩守恒。細致觀察或用高速攝像機記錄，貓在翻轉(zhuǎn)過程中前半身相對后半身作方向相反的圓錐運動，當前半身轉(zhuǎn)動360。時整個身體反轉(zhuǎn)180。，使總動量矩保持為零。因此，四足朝天的貓由靜止狀態(tài)自由下落，總能翻身安全落地。,返回,現(xiàn)象： 冰上拔河 演示： 冰上拔河的現(xiàn)象 分析： 開始時兩人靜止，MAMB，然后用力對拉。為保持不滑倒，兩人沿繩子方向滑行，其中VBVA，最后滑行到兩人質(zhì)量的中心點。請讀者想一想是A贏還是B贏?,返回,現(xiàn)象： 為什么現(xiàn)代跳高運動都采用背越式 演示： 背越式跳高 分析： 跳高運動中，人體可看成多體系統(tǒng)。運動員的跳高過程如忽略空氣阻力，只考慮重力作用，那么質(zhì)心運動軌道是一條拋物線，而身體各部分的相對運動改變不了拋物線的形狀，那么初時起跳的條件決定了質(zhì)心拋物線的軌跡和最高點的位置，這是與跳高高度有關的重要因素。背越式跳高，人背成弓形從桿上越過，這種姿勢可能形成人從桿上過，而人體質(zhì)心從桿下或桿中通過。因此，是一種比較科學的跳高姿勢。,返回,現(xiàn)象： 能用什么方法使衛(wèi)星消旋 演示： 衛(wèi)星消旋 分析： 人造衛(wèi)星從發(fā)射到入軌,一般都用高速自旋來保持穩(wěn)定。但入軌后有的要求停止旋轉(zhuǎn)，有的要求低速旋轉(zhuǎn)，這就要進行“消旋“。利用動量矩守恒原理，在圓柱形星體外壁對稱安上兩個等質(zhì)量小球并系上等長細繩，消旋時小球被甩出，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量增大，自旋角速度下降，起到消旋作用。,返回,現(xiàn)象： 當平臺轉(zhuǎn)動時，在平臺上快速運動的皮帶為什么會變形？ 演示： 轉(zhuǎn)動的平臺 分析： 轉(zhuǎn)動的平臺是一個非慣性參考系，在平臺上快速運動的皮帶要受到慣性力的作用。當平臺轉(zhuǎn)速較慢時，垂直作用于皮帶時，科氏慣性力對皮帶運動產(chǎn)生較大影響。當平臺，皮帶轉(zhuǎn)動同向時，皮帶變形為外凸；當平臺，皮帶轉(zhuǎn)動反向時，皮帶變形為內(nèi)凹。,返回,現(xiàn)象： 千斤頂能頂千斤能上卻壓不下 演示： 運作中的千斤頂?shù)牧W原理 分析： 截面為矩形的螺桿千斤頂，其結(jié)構(gòu)由底座與螺桿組成。它的簡化力學模型為滑塊斜面模型?；瑝K為重物加螺桿，底座的內(nèi)螺紋相當于斜面。螺桿與底座兩種材料的摩擦系數(shù)決定了摩擦角。只要摩擦角大于矩形螺桿的傾角，即出現(xiàn)力學上的摩擦自鎖。那么，螺桿千斤頂在工作中通過螺紋的正向旋轉(zhuǎn)，能頂起重物，而不會在重物的作用下出現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)而被壓下。,返回,現(xiàn)象： 火車檢修工用鐵錘敲擊車輪等部位后，再聽聽敲擊聲響，這是為什么？ 演示： 鐵錘敲擊火車車輪 分析： 系統(tǒng)作自動振動時，振動的頻率和外界激勵的大小無關，而由自身的特性（質(zhì)量彈性系數(shù)）決定，因此也稱固有頻率。工程中常利用自由振動固有頻率的特性來判斷系統(tǒng)及材料的特性。 火車輪軸有損傷或有小裂紋，用肉眼往往很難發(fā)現(xiàn)，而用鐵錘一敲，輪軸系統(tǒng)將產(chǎn)生自由振動。而損傷或有裂紋輪軸的固有頻率與正常輪軸的固有頻率不同，聽到的聲音頻率也就不一樣。用這種方法檢查隱患既簡單又高效。,返回,現(xiàn)象： 垂直升降的游藝車（火箭車）為什么心臟病高血壓等病人不能易乘坐？ 演示： 游藝車垂直升降 分析： 以動脈血管中的血流質(zhì)點來分析，火箭車在上下加速或減速時，血流質(zhì)點要受牽連慣性力的作用，血液流動勢必受到一定影響，象心臟、大腦等一些與血液流動比較敏感的器官，就會感到不適，所以，患心臟病高血壓等病人一般不能易乘坐。,返回,現(xiàn)象： 摩擦力對汽車運動的作用 演示： 汽車運動時的作用力 分析： 以汽車后輪為例。如果汽車發(fā)動機能提供足夠的動力使汽車后輪轉(zhuǎn)動，后輪上與地面接觸點的摩擦力方向只能向前，此力給予汽車向前運動的外力，稱為驅(qū)動力。那么，汽車驅(qū)動力克服了地面作用在前輪上的滑動摩擦阻力，以及作用在車身上的空氣阻力就可向前行駛。,返回,現(xiàn)象： 有人乘坐越高級的轎車為什么暈車越厲害？ 演示： 坐車暈車 分析： 人體或人體的一些器官都是彈性質(zhì)量系統(tǒng)，都具有固定頻率。人體心臟的固有頻率在，大腦在，胃在。如果我們周圍存在這些頻率的振動源，引起共振，那么我們?nèi)梭w一定會感到不舒服。人們的暈車暈船主要和身體體質(zhì)有關外還和次聲有關。次聲的頻率為.01的低頻聲波，這個頻率范圍與人體一些器官的固有頻率處于同一頻段。高級轎車避振系統(tǒng)很好，但次聲段的低頻振動很難控制。相對而言，次頻振動反而大，易暈車人乘坐暈的越厲害。,返回,在這5個問題中，各有兩個涉及“太空梯”和月球土壤采集計劃，另外一個則是與減輕宇航員在開放太空中的工作負擔有關。 具體說來，這5個“世紀難題”分別為： 宇航員專用手套（獎金為25萬美元）； 用于采集月球土壤的挖掘機（獎金25萬美元）； 從月球土壤中提取氧氣的設備（獎金25萬美元）； 用于建造“太空梯”的纜繩（獎金20萬美元）； 為“太空梯”進行無線能源補給的系統(tǒng)（獎金20萬美元,返回,返回,航母彈射器的秘密(2),返回,航母彈射器結(jié)構(gòu),阿基米德(約前287前212)是繼亞里士多德之后，另一位古希臘的偉大科學家。他通過實驗發(fā)現(xiàn)了著名的浮力原理1和杠桿原理2，是力學這門科學的真正創(chuàng)始人。 阿基米德在其一生中有許多重大的創(chuàng)造發(fā)明。如制造了用水力來推動的行星儀，利用杠桿原理創(chuàng)造了滑輪。他在亞歷山大時期發(fā)明了“螺旋提水器”(水泵)。他還發(fā)明了投石炮、，大型反光鏡、起重機械等,1 見阿基米德所著浮體，建立了重要的阿基米德浮體定律，即浸沒在水中的物體重量的減少，等于它所排開的水的重量。也就是說，物體在液體中所受到的浮力，等于它所排開的液體的重量。 2 見阿基米德的名著論平面的平衡(兩卷本),返回,其主要著作有：自然哲學的數(shù)學原理和光學。牛頓在科學上的主要成就是：創(chuàng)立了經(jīng)典力學的理論體系，包括機械運動定律和萬有引力定律；提出光的微粒說，進行了光的色散等實驗研究；獨立于G.W.萊布尼茨發(fā)明了微積分。,牛頓的三大定律和萬有引力，并不是對前人理論的簡單總結(jié)，而是具有深刻的科學內(nèi)涵，因為他是作為一種普遍適用的理論體系，是一種公理體系，利用它，何以應用上至形體的運動描述，下至地球上小石塊的運動描述。從它在對話中發(fā)表出來后，他就成為古典力學的牢固基石，成為天文、機械、土建、船舶