外文翻譯--結(jié)構(gòu)和流體中的力 中文版

機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯 教 科 部： 機(jī)械電子 工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 外 文 出 處： An Introduction to Mechanical Engineering （用外文寫） 附 件： 指導(dǎo)老師評(píng)語 簽名： 年 月 日 第四章、結(jié)構(gòu)和流體中的力 概述 當(dāng)機(jī)械工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品，系統(tǒng)和硬件時(shí)，他們必須應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理原理進(jìn)行建模，分析和預(yù)測系統(tǒng)特性。通過有效的工程分析成功的設(shè)計(jì)是支持的；有效的工程分析依賴于在結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)上對(duì)力的了解。本章和下一個(gè)單元講述機(jī)械工程的這一重點(diǎn)。 本章向您介紹力學(xué)的主題，這個(gè)主題包含了結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)在力的作用下要么保持靜止，要么保持移動(dòng)。形成這種現(xiàn)象的基本原理是以牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)的： 1、 每 一個(gè)物體都保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非在它的外部受到不平衡力的作用。 2、 物體的質(zhì)量為 m，受的力為 F，物體的加速度與物體受到運(yùn)動(dòng)方向相同的力的大小成正比，與物體的質(zhì)量成反比。這種關(guān)系可表示為： F=ma。 3、 兩個(gè)物體之間的作用力與反作用力，大小相等，方向相反，并且共線。 4.3 力矩 當(dāng)你想用長柄扳手?jǐn)Q松凍結(jié)的螺栓，螺栓更容易轉(zhuǎn)向時(shí)。力的趨勢（在這種情況下，應(yīng)用于手柄的一端）使物體旋轉(zhuǎn)稱為矩。矩的大小同時(shí)取決于所施加的力和力到樞軸點(diǎn)的垂直距離。 垂直的力臂 矩的大小是由它的定義中找到 FdMo (4.8) 其中 oM 是關(guān)于點(diǎn) O 的力矩， F是力的大小， d 是力到 O 點(diǎn)的垂直距離。轉(zhuǎn)矩一詞也可用于描述作用在杠桿臂上的力的影響，但在電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱中機(jī)械工程師通常用轉(zhuǎn)矩來代替力矩。我們將在第 7章討論這些應(yīng)用。 基于方程 4.8， Mo 單位是力和距離組成的。在美國，矩的單位是磅英寸或磅英尺。在國際單位制中，單位是牛頓米，應(yīng)用不同的前綴時(shí)數(shù)值可以是非常大或非常小。例如； 5000N-m 5KN-m 和 0.002N-m 2mN-m.兩個(gè)單位之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)見表 4:2，在那里你可以看到 1 英尺磅 1.356 N-m。功和能，這是在機(jī)械工程中出現(xiàn)的參數(shù)，也有是力和距離的乘積單位。例如，在國際單位制中，焦耳（ J）被定義為一個(gè)牛頓米。它是由一個(gè) 1牛頓的力通過距離 1 米的工作量。然而，功和能的物理量跟力矩和轉(zhuǎn)矩有很大的不同，為了要清楚區(qū)分它們時(shí)，牛頓米的單位（而不是焦耳）應(yīng)使用在國際單位制中表示力矩和轉(zhuǎn)矩。 表達(dá)式 oM Fd 可以應(yīng)用于具體結(jié)構(gòu)的理解。圖 4.9（ a），力 F 大致向下作用在支架的右側(cè)。有可能 力的作用點(diǎn)在支撐桿的底部，標(biāo)示在圖中為點(diǎn) O。該結(jié)構(gòu)可以在該位置分解，且工程師將研究后，以確保它能夠支持 F。力矩的計(jì)算是基于力 F的大小和偏離 O點(diǎn)的垂直距離。事實(shí)上，力 F 可沿著它的作用線的任何一點(diǎn)施加到支架上，對(duì) O點(diǎn)產(chǎn)生的力矩將保持不變，因?yàn)?d不會(huì)改變。力矩的方向是順時(shí)針，因?yàn)榱?F 引起后傾旋轉(zhuǎn)的趨勢（在這種情況下雖然剛性安裝可以防止后傾的趨勢） 圖 4.9（ b） F的方向已更改。力的作用線將直接通過點(diǎn) O，偏移距離 d 0。不產(chǎn)生力矩，力趨向于直接從后拉其離開地基?？傊谟?jì)算力矩的時(shí)候必須考慮力的方向以及它的大小。 實(shí)例 4.3 如圖 4.10 所示的開口扳手緊固六角頭螺栓和螺母。計(jì)算當(dāng) 35 磅力被施加到如圖所示扳手的兩個(gè)方向上螺母的中心的力矩。手柄的整個(gè)長度，手柄是傾斜的稍微向上。開口端和封閉端中心之間的長度為1616英寸 。 解決方案 （一）在圖 4.10（ a）， 35 磅的力垂直向下作用。從螺母的中心到力的作用線的垂直距離為 d 6 英寸。該扳手的手柄的傾斜和長度都無關(guān)緊要與計(jì)算有關(guān)的是d；手柄的長度不一定和力臂的垂直距離相同。力矩有大小 (35 1b) (6 in.) 210 in. lb 17.5 ft.lb 力矩方向是順時(shí)針（ CW）。 （ b）在圖 4.10（ b）；力已經(jīng)轉(zhuǎn)向傾斜一個(gè)角度，它的作用線已經(jīng)變了，測得 d為835英寸 。力矩減少到 (35 lb) (5.375 in.) 188 in.lb 15.7ft.lb 我們得到的答案為 Mo = 15.7 英尺磅（ CW）。 力矩分量 就像我們可以把力分解為兩個(gè)互相垂直的力；它有時(shí)是有用的來計(jì)算出力矩的分量之和。力矩被確定為與該力相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)組成部分的總和，而不是力的 全部合成值。據(jù)計(jì)算，力矩被分解，它往往比合力更容易找到各個(gè)組成部分的力臂。應(yīng)用這種技術(shù)時(shí)，有必要規(guī)定符號(hào)，了解各分力產(chǎn)生的力矩是順時(shí)針還是逆時(shí)針： 為了說明這種方法，我們計(jì)算如圖 4.11 所示的矩點(diǎn)的力矩。首先我們選擇以下符號(hào)規(guī)定：那就是力矩順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。符號(hào)規(guī)定只是一種簿記工具結(jié)合了各種順時(shí)針和逆時(shí)針力矩分量。對(duì) O 點(diǎn)的力矩順時(shí)針方向都帶有一個(gè)正號(hào)；而另一個(gè)方向的力矩為負(fù)。這種正方向和負(fù)方向的選擇是任意的 ；我們可以簡單地選定逆時(shí)針的方向?yàn)檎?。然而，一旦符?hào)規(guī)定好后，我們堅(jiān)持始終如一地 遵 循 它 。 圖 4.11（ a）。力被分解為分量 Fx和 Fy。而不是確定從 O 點(diǎn)到力 F 垂線的距離，理應(yīng)涉及到幾何關(guān)系，這是我們希望避免的，我們不需要單個(gè)計(jì)算 Fx和 Fy杠桿臂的距離，這是更直接的。保持符號(hào)約定，對(duì) O 點(diǎn)的力矩變?yōu)閤FyFM yxo 。每個(gè)對(duì) Mo 產(chǎn)生的力矩都是 正的，因?yàn)?Fx ， Fy每個(gè)都引起順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢。它們的作用是要合并起來的。 F的方向已經(jīng)在圖 4.11（ b）中變化了。當(dāng)分力 Fx 還是形成正的力矩，分力Fy 現(xiàn)在對(duì) O 點(diǎn)產(chǎn)生逆時(shí)針的力矩 。因此有一個(gè)負(fù)的力矩，總的力矩變成了xFyFM yxo 。此處是用兩個(gè)分量的解合并的方法。在特殊情況下xy FFxy ，這兩個(gè)力矩恰好抵消 。在這種情況下的力矩為零因?yàn)?F 作用線直接穿過 O 點(diǎn)，如圖 4.9（ b）。一般情況下力矩的表達(dá)式，我們寫為 xFyFMyxo (4.9) 正負(fù)號(hào)是由分量是順時(shí)針或逆時(shí)針?biāo)鶝Q定的： 不管你使用什么方法計(jì)算力矩，當(dāng)報(bào)答案時(shí)你應(yīng)該說明（ 1）力矩的數(shù)值的大小， （ 2）單位，（ 3）方向。您可以通過使用符號(hào)指明方向，前提是您也表明了符號(hào)規(guī)定在你的圖上。符號(hào)的順時(shí)針或逆時(shí)針表示力矩的順時(shí)針或逆時(shí)針也是非常有用。 實(shí)例 4.4 在可調(diào)扳手施加 250-N 的力確定螺母中心的力矩，圖 4.12 中的處理。使用（ a）垂直杠桿臂的方法，（ b）一組分力的方法。 解決方案 （ a）如圖 4.13（ a）所示，我們表示螺母的中心點(diǎn)為 A，施加力的點(diǎn)為 B，使用給定的尺寸，距離 AB 的計(jì)算值 2 1 4 m mmm2 0 075 22 雖然這是從點(diǎn) A到在其中施加力的位置的距離，它不是 垂直的杠桿臂的距離 d。為此，我們需要計(jì)算的實(shí)際長度是作用力傾斜 35的垂直距離，垂直力的作用線是與水平面成 35的角。如圖 4.13（ a）； AB 線位于水平線以下 tan-1（ 75 / 200） 20.6，從AC 偏移 4.146.2035 。 因 此 ， 正 確 的 杠 桿 臂 的 距 離 成 為2 0 7 m mm m )c o s 1 4 .42 1 4( d 。 扳手的力矩為 5 1 .8 N mN ) ( 0 .2 0 7 m )2 5 0( AM 。方向?yàn)轫槙r(shí)針（ CW）。 （ b）在圖 4.13（ b）中，該 250-N的力被分解為兩個(gè)分力。水平分量（ 250N）sin35 143N，垂直分量（ 250N） cos35 205N。這些分量的方向分別向左、向下，他們對(duì)點(diǎn) A 都產(chǎn)生順時(shí)針力矩的作用。在圖 4.13（ b）中，我們已經(jīng)規(guī)定順時(shí)針的力矩為正號(hào)。 通過累加每個(gè)分量的力矩，我們得到 m5 1 . 8 Nm)( 2 0 5 N ) ( 0 . 2N ) ( 0 . 0 7 5 m )143( AM 因?yàn)樽罱K的結(jié)果是正的，力矩的方向?yàn)轫槙r(shí)針。 4.4 力和力矩的平衡 現(xiàn)已確定力和力矩的基本屬性，我們接下來的任務(wù)是計(jì)算作用于其他結(jié)構(gòu)和機(jī)器的（未知）力通過目前（已知）的力。這個(gè)過程涉及到應(yīng)用 靜力平衡的原則，即要么是靜止的或移動(dòng)的等速系統(tǒng)。在任何情況下，沒有加速度的存在，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，作用在系統(tǒng)上的合力為零。 質(zhì)點(diǎn)和剛體 一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)可以包括單一的對(duì)象（例如，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞）或多個(gè)對(duì)象連接在一起（整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)）。當(dāng)物體的物理尺寸在計(jì)算力的時(shí)候是不重要的，該對(duì)象被稱為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。這一概念將一個(gè)對(duì)象集中為一個(gè)點(diǎn)，而不是分布在一個(gè)擴(kuò)展的面積或體積上。為了達(dá)到解決問題的目的，因此，一個(gè)粒子可以被視為具有可忽略不計(jì)的尺寸。另一方面，如果一個(gè)對(duì)象的長度，寬度，和面積是重要的問題，它被稱為一個(gè)剛體。當(dāng)看到航 天飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，它繞地球運(yùn)行，例如，飛船被視為質(zhì)點(diǎn)由于其尺寸相對(duì)于軌道的大小是小的。然而，當(dāng)航天飛機(jī)在著陸和工程感興趣的的空氣動(dòng)力學(xué)性能和飛行特性，將不被視為一個(gè)剛體。如圖 4.14 說明應(yīng)用到質(zhì)點(diǎn)和剛體力之間的區(qū)別；你可以看到一個(gè)力不平衡可能導(dǎo)致剛體轉(zhuǎn)動(dòng)。 如果一個(gè)平衡力作用在質(zhì)點(diǎn)上面，產(chǎn)生平衡。因?yàn)榱ψ鳛槭噶?，最終必須為零在兩個(gè)垂直方向上，我們標(biāo)為 x 和 y： 0i xiF 0i yiF (4.10) 對(duì)于剛體處于平衡狀態(tài)，它是必要的，（ 1）所有的合力為零，（ 2）凈力矩為零。當(dāng)這些條件得到滿足，對(duì)象沒有移動(dòng)（反應(yīng)部隊(duì)）或轉(zhuǎn)動(dòng)（反應(yīng)時(shí)間）的趨勢。剛體的平衡要求，涉及方程 4.10 和 0i oiM (4.11) Moi的書寫方式被用來表示對(duì) O 點(diǎn)施加的第 i個(gè)力矩?？傊?4.10 兩個(gè)關(guān)系注明，無論 是在 x 或 y 方向都沒有凈力作用，方程 4.11 注明沒有凈力矩往往造成旋轉(zhuǎn)。 符號(hào)規(guī)定是一個(gè)簿記方法來區(qū)分力作用在相反的方向，力矩的方向是順時(shí)針或逆時(shí)針。在平衡方程求和時(shí)包括了所有的力和力矩，他們的方向和大小是預(yù)先已知的。在問題開始的時(shí)候代數(shù)變量求和總是包含未知的力在他們當(dāng)中，然后列平衡方程時(shí)應(yīng)用確定的數(shù)值。 從數(shù)學(xué)上講，一個(gè)剛體的平衡方程是一個(gè)包括三個(gè)未知的力和力矩的線性方程組。這個(gè)特性的一個(gè)含義是，以定它確是可能的最多三個(gè)未知量時(shí)，方程4.10-4.11 應(yīng)用到一個(gè)單一的剛體。通過對(duì)比；要 求一個(gè)質(zhì)點(diǎn)平衡時(shí)，力矩方程是沒有用的。因此，產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的方程，可以確定只有兩個(gè)未知數(shù)。 這是不可能獲得更多獨(dú)立的方程分解通過點(diǎn)的 力矩 ，或在不同的方向求 合 力 。 附加方程仍然有效， 但 它們將僅僅是其他（已經(jīng)派生）那些組合 。因此，它們將不提供新的信息。當(dāng)你解決平衡問題，你應(yīng)該檢查一下，你的獨(dú)立方程比未知量多。 自由體圖 自由體圖（簡稱 FBD）是草圖用來分析作用在結(jié)構(gòu)和機(jī)器上的力和力矩，它們的建立是一項(xiàng)重要的技能。 FBD 是用來識(shí)別的機(jī)械系統(tǒng)，經(jīng)過檢查，表示所有存在的已知和未知的力。當(dāng)繪制 FBD 要經(jīng)過三個(gè)主要步驟： 1。選擇一個(gè)對(duì)象，將采用平衡方程分析。 試想一下，一個(gè)細(xì)虛線圍繞著對(duì)象繪制 ， 請(qǐng)注意線將如何 切入 和 表示 各種力 。虛線內(nèi)的一切都與周圍分開并應(yīng)該出現(xiàn)在圖中。 2。坐標(biāo)系統(tǒng)繪制在旁邊來指示力和力矩的正號(hào)。 這將是毫無意義的匯報(bào)答案 ，說，“ -25 米”或“ +250 磅” 沒有定義與所述正 號(hào) 和負(fù)號(hào)相關(guān)聯(lián)的方向。 。 3。在最后一步中，所有的力和力矩的繪制與標(biāo)注。這些力可能代表重力或自由體和其他對(duì)象接觸之間的力，物體被分離時(shí)這些力也被移除，。當(dāng)力是已知的，其方向和大小應(yīng)寫在圖中。力是即使它們的大小和方向不知道在這一步驟 中，分析已知：如果力的方向是未知的（例如，向上 /向下或向左 /向右），你應(yīng)該繪制它用一種方式或其他方式在 FBD 中，或者用你的直覺為導(dǎo)向。應(yīng)用平衡方程和一貫使用符號(hào)規(guī)定后，正確的方向可以通過計(jì)算確定。如果你找到的數(shù)量是正的，那么你知道，選擇了正確的方向。另一方面，如果值是負(fù)的，結(jié)果只是意味著力與假定的方向相反。 實(shí)例 4.5 一種汽車碰撞測試中，膝部和肩部安全帶各張緊到 300 磅，如圖 4.15 所示（ a）。處理扣 b 作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，（ a）畫的自由體圖，（ b）確定錨帶 AB 張力 T，（ c）確定 T 作用的角度。 解決方案 （ a）扣的自由體圖如圖 4.15（ b）。 XY 坐標(biāo)系統(tǒng)也畫出來表示我們對(duì)正的水平和垂直方向的符號(hào)規(guī)定。三力作用于扣：兩個(gè)給定的 300 磅力和錨帶未知力。由于扣處于平衡狀態(tài)，這三種力必須平衡。雖然兩者的幅度 T 和在帶 AB 力的方向是未知的，兩個(gè)量都在自由體圖上完整地表示出來了。 （ b）我們通過使用矢量多邊形的方法連接三個(gè)力，如圖 4.15（ c）。多邊形的起點(diǎn)和終點(diǎn)都是一樣的，因?yàn)槿齻€(gè)力一起作用的合力為零；即多邊形的開始和結(jié)束點(diǎn)之間的距離是零。張力利用余弦定理確 定（斜三角形方程在附錄 B進(jìn)行了綜述）的邊角邊三角形如圖 4.15（ c）： 我們計(jì)算： l b ) c o s 1 2 0 l b ) ( 3 0 0 2 ( 3 0 0l b ) ( 3 0 0l b ) ( 3 0 0 222 T lb 6.519T （ c）錨帶的角度由正弦定理： lb 6.519 120sinlb 030sin 30 實(shí)例 4.6 一對(duì)鋼絲鉗如圖 4.16 所示。機(jī)械師在手柄施加 70-N的抓握力。在電線上的切削力的幅度是多少？ 解決方案 規(guī)定力和力矩的坐標(biāo)系統(tǒng)和正方向，如圖 4.17 所示。接下來我們繪制自由體圖的一個(gè)夾爪 /手柄組件，這被視為一個(gè)剛體，因?yàn)樗梢孕D(zhuǎn)并且和力之間的距離是顯著的問題：當(dāng)一個(gè)刀片壓緊導(dǎo)線，電線反過來作用在刀刃的（未知）力 A。力 B 是通過鉸鏈銷施加，連接兩個(gè)夾爪 /手柄件。 70-N 的抓握力作用在手柄的端部并在 FBD 顯示。 圖 4.17 中完成的自由體圖，作用在剛體上的切削力是通過應(yīng)用平衡方程求得。在垂直方 向上力的平衡條件是 0)N70( BA 有兩個(gè)未知數(shù)， A和 B，因此需要額外的方程。通過對(duì) B點(diǎn)的力矩，我們有 0)mm20()mm90)(N70( A 負(fù)號(hào)的存在，因?yàn)?70牛頓的力對(duì) B點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的力矩。切削力求得A 315 N，經(jīng)過回代， B 385 N。因?yàn)檫@些都是正的，假設(shè)的方向和 FBD 顯示是正確的。 這些鋼絲鉗根據(jù)杠桿原理操作。每個(gè)夾爪 /手柄組件繞點(diǎn) B旋轉(zhuǎn)。作用在 A點(diǎn)的力與手柄上的力是成正比的，它也與距離 AB和 BC 的比值有關(guān)。一個(gè)機(jī)器的機(jī)械優(yōu)勢定義為輸出和輸入力之比，或在這種情況下，（ 315 N） /（ 70 N） 4.5。因此，鋼絲鉗放大機(jī)械師的抓握力約 450%。 實(shí)例 4.7 在圖 4.18（ a）所示的叉車重 3500 1b，并帶有一個(gè) 800 磅的集裝箱。在叉車上有兩個(gè)前輪和兩個(gè)后輪。（ a）畫的叉車的自由體圖。（ b）確定車輪和地面之間的接觸力。（ C）你怎樣確定前輪動(dòng)力，而無需求后輪的力？（ d）叉車前輪的尖端可以承載多少的負(fù)荷？ 解決方案 （ a）叉車 的自由體圖繪制在圖 4.18（ b），力和 力矩的正方向規(guī)定 也顯示 在圖中 。我們選擇向上 的 方向 是力的正方向 ，順時(shí)針方向?yàn)?力矩的正方向 。我們首先通過叉車，集裝箱的質(zhì)量中心繪制和標(biāo)注已知的 3500-1b 和 800-1b 的重力 。前車輪與地面之間的（未知的）力被表示為 F（未知的），后輪與地面之間的（未知）力為 R。在旁邊， 在 FBD 中查看，車輪 的前頭 凈 效應(yīng) 變 為 2F 和 2R。 （ b）有兩個(gè)未知數(shù)（ F 和 R），因此，需要兩個(gè)獨(dú)立的平衡方程解決問題。我們首先在垂直方向 的合力 022lb ) ( 35 0 0lb ) ( 80 0 RF 但是，需要解決的問題是一個(gè)二次方程。在水平方向 的合力 將不提供任何有用的信息，所以我們利用力矩平衡。任何位置可以 被 作為力矩 的作用點(diǎn) 。我們 確認(rèn) ，通過選擇 ，力矩 點(diǎn)與前 輪 重合 ，力 F將被從計(jì)算中消除。因此，對(duì)點(diǎn) A取矩，我們有 0)i n .72(2l b ) ( 4 2 i n . ) ( 3 5 0 0l b ) ( 2 4 i n . ) ( 8 0 0 R 從中我們 求得 R 888 磅， 800 磅的力和后輪 的重力對(duì)點(diǎn) A 產(chǎn)生逆時(shí)針或負(fù)的力矩，叉車的 3500 磅的重 力對(duì)點(diǎn) A產(chǎn)生正 的 彎矩 。將 R 代入力的平衡方程，求得F 1262 磅。 （ c） 為了求得 前輪的力，而不需要 求 R，我們可以 得到對(duì)點(diǎn) B的合力矩 ，未知力 R通過該點(diǎn)；力矩平衡 方程是 0)i n .72(2l b ) ( 3 0 i n . ) ( 3 5 0 0l b ) ( 9 6 i n . ) ( 8 0 0 F 我們得到 F 1262 磅直接通過一個(gè)方程。 （ d）當(dāng)叉車前車輪 的邊緣傾斜 ，后輪就與地面失去 接觸 ；所以 R 0。我們表示為 W新（未知）集裝箱的重 力 引起的 傾斜 。 關(guān)于 前輪的力矩平衡 方程 是 0lb ) ( 4 2 in . ) ( 3 50 0) ( 2 4 in . )( W 叉車將瀕臨傾翻，當(dāng)操作員試圖舉起 W =6125 磅 的 集裝箱 。 4.5 在流體中的浮力，阻力和升力 在這一點(diǎn)上，我們已經(jīng)考慮了機(jī)械系統(tǒng)中力與重力或元件之間的連接有關(guān)：力也是由固定的和移動(dòng)的流體產(chǎn)生，可以是液體或氣體。在本節(jié)中，我們將探討三種類型的流體力稱為浮力，阻力，和升力，接下來，我們重點(diǎn)介紹流體的特性和令人感興趣的特點(diǎn)。 液體和氣體的產(chǎn)生的力是重要的在許多機(jī)械工程領(lǐng)域。一些應(yīng)用包括汽車風(fēng)阻和燃油經(jīng)濟(jì)性；火箭和飛機(jī)的飛行性能；在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)；相互作用的大氣，海洋，和全球氣候；甚至在人肺系統(tǒng)的空氣和血液的生物力學(xué)研究。圖 4.19顯示，四力作用在飛行中的飛機(jī)：飛機(jī)的 重力 W，由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力 T，由機(jī)翼產(chǎn)生的升力 L,在空氣中阻礙著飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的阻力 D。 風(fēng)洞，如圖 4.20 所示，是重要的研究和開發(fā)工具，用于測量空氣流圍繞對(duì)象所產(chǎn)生的力。廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)，風(fēng)洞使工程師能優(yōu)化飛機(jī)，導(dǎo)彈的性能，和火箭有不同的速度和飛行條件。在這樣一個(gè)試驗(yàn)，一個(gè)規(guī)模模型的建立，并連接到一個(gè)特殊的夾具，用于測量通過的氣流產(chǎn)生的力。作為一個(gè)例子，一個(gè)規(guī)模 . 圖 4.20 用于飛機(jī)和飛行動(dòng)力學(xué)研究的幾個(gè)風(fēng)洞鳥瞰圖 來源：轉(zhuǎn)載并得到美國航天局的許可。 圖 4.21 航天飛機(jī)系統(tǒng)的上 升過程中 A1的比例模型。該工程模型包括軌道器，兩個(gè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，外部燃料箱和排氣羽。它是在一個(gè)跨音速風(fēng)洞進(jìn)行測試。 來源：轉(zhuǎn)載并得到美國航天局的許可。 在圖 4.21 風(fēng)洞測試過程中顯示的航天飛機(jī)系統(tǒng)在其上升的配置模型。這個(gè)模型甚至包括軌道器發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造的排氣羽流，這影響了空氣動(dòng)力。風(fēng)洞也被用來進(jìn)行超音速飛行的實(shí)驗(yàn) ；圖 4.22 描繪了沖擊波傳播了在一個(gè)高層大氣中研究飛機(jī)的比例模型。當(dāng)空氣流繞飛機(jī)的速度超過音速時(shí)發(fā)生沖擊波，這種噪音被稱為音爆。風(fēng)洞也可以用來設(shè)計(jì)汽車，減少風(fēng)的阻力，因此，帶來更好的 燃油經(jīng)濟(jì)性。低速風(fēng)洞甚至在奧林匹克運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用，有助于滑雪跳線改善他們的形式，并幫助工程師設(shè)計(jì)自行車，自行車頭盔，運(yùn)動(dòng)服裝和改善空氣動(dòng)力學(xué)性能。 浮力和壓力 阻力和升力，我們將稍后討論，產(chǎn)生原因物體移動(dòng)通過流體，或相反，流體流過對(duì)象。另一方面，流體和固體之間的力可能會(huì)產(chǎn)生即使它們都是靜止的，由于重力及流體的重力。當(dāng)你游到池的底部或在山上行進(jìn)時(shí)，在水中或空氣中，圍繞著你的壓力變化，當(dāng)你調(diào)節(jié)上升或下降的壓力時(shí)，你的耳朵“啪”的作響。 - 我們的經(jīng)驗(yàn)是，壓力在液體或氣體中隨深度的增加而增加。 在圖 4.23 所示 的是燒杯中的液體，在層次“ 0”和“ 1”之間由于液體的重量產(chǎn)生壓力 p的不同。兩級(jí)通過深度 h 分離，液柱的質(zhì)量為 m Ah。在這里， （小寫希臘字母 RHO）是液體的密度和啊是兩個(gè)水平之間的音量。使用圖 4.23中，平衡受力平衡的色譜柱的自由體圖讀取 p1 A - p0A- ( Ah)g = 0，其中 g 9.81 m/s2 32.2 ft/s2 為重力加速度常數(shù)。在液體深度為“ 1”的壓力變?yōu)?p1 = p0+ Ah (4.12) 并且它與深度的增加成正比。表 4.3 提供了對(duì)幾種常見的氣體和液體密度的數(shù)值，并在表 4.4 中列出美式和國際標(biāo)準(zhǔn)單位制之間的密度轉(zhuǎn)換系數(shù)。 壓力是以每單位面積上的力為單位。在 SL 中壓力單位是帕斯卡（ 1 帕 =1 N/m2），是以十七世紀(jì)的科學(xué)家帕斯卡的名字命名，他對(duì)空氣和其他例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。單位 psi lb/in2 和 psf lb/ft2通常用于美式的壓力 m，因?yàn)槭谴髿饣虼髿鈮旱膯挝弧?表 4.5 提供了轉(zhuǎn)換系數(shù)在這些傳統(tǒng)的單位之間。參照該表的第四列，例如，我們知道 2 1 1 6 p s f .1 4 . 7 0 p s iPa101 . 0 1 31 a t m 5 當(dāng)航行船舶進(jìn)出港口或熱氣球在地面之上徘徊，他們身受流體壓力產(chǎn)生浮力。浸在液體中物體的浮力制定，因?yàn)槲矬w具有位移，流體的一些體積由圖 4.24所示的潛艇。 浮力 B 等于由于物體位移的流體重量，根據(jù) objectfluid gVB (4.13) 式中， g 為重力加速度常數(shù)， V 為對(duì)象的體積，并且是流體的密度。 從歷史上看，這一結(jié)果歸因于阿基米德，據(jù)說他已經(jīng)查獲一個(gè)騙局，國王委托制造一個(gè)金色的王冠。國王懷疑金匠用白銀取代了一些王冠中的黃金。阿基米德認(rèn)為原理上（ 4.13）可以用來確定王冠是否用純金生產(chǎn)，還是用價(jià)值較低的金銀，密度較小的合金（見問題 26 在本章的結(jié)尾）。 阻力和粘度 一個(gè)浮力作用在一個(gè)靜止流體，曳力（和升力，我們將在下一部分討論）來自一個(gè)物體通過流體的運(yùn)動(dòng)（例如，汽車和空氣），或從流體流過去的一個(gè)對(duì)象（針對(duì)市區(qū)的摩天大樓風(fēng)荷載）。運(yùn)動(dòng)流體的常規(guī)行為定義在機(jī)械工程學(xué)領(lǐng)域被稱為流體動(dòng)力學(xué)。因?yàn)橐话愕膹奈锢砗蛿?shù) 學(xué)的觀點(diǎn)定義是相當(dāng)復(fù)雜，我們會(huì)考慮一些受限