第一章工程力學(xué)的基本概念

產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)械基礎(chǔ)李江第一篇工程力學(xué)基礎(chǔ)工程力學(xué)的基本概念（2學(xué)時(shí)）產(chǎn)品與構(gòu)件的靜力分析（2學(xué)時(shí)）產(chǎn)品與構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度分析（2學(xué)時(shí)）第一章工程力學(xué)的基本概念工程力學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)工程力學(xué)的研究對(duì)象與基本內(nèi)容工程力學(xué)的基本概念靜力學(xué)公理約束與約束反力分離體與受力圖第一節(jié)工程力學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)一、工程力學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)圖1-1各種椅子，使用中必須穩(wěn)定不會(huì)傾倒

圖1-2部件運(yùn)動(dòng)會(huì)引起整體中心移動(dòng)的產(chǎn)品

圖1-3設(shè)計(jì)公共設(shè)施也需要進(jìn)行力學(xué)計(jì)算

圖1-4產(chǎn)品中其他靜力學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題舉例第一節(jié)工程力學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與材料力學(xué)⑴材料力學(xué)中的強(qiáng)度問(wèn)題圖1-5幾乎所有的產(chǎn)品都存在強(qiáng)度問(wèn)題

第一節(jié)工程力學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)⑵材料力學(xué)中的剛度問(wèn)題

圖1-6塑料日用品：力學(xué)上是否合理，關(guān)系使用功能，也關(guān)系造型美觀

第一節(jié)工程力學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)二、工程力學(xué)與產(chǎn)品的形態(tài)美1.均衡與穩(wěn)定是造型美的形式法則之一，他們來(lái)源于力學(xué)中的概念。圖1-7飛馬踏燕

圖1-8夏普BH-351型半導(dǎo)體收音機(jī)

第一節(jié)工程力學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)2.形態(tài)的視覺心理感受，與它強(qiáng)度、剛度上的合理性有深刻的潛在聯(lián)系。圖1-9中國(guó)古老的石拱橋——趙州橋圖1-11合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)與造型美

圖1-10棚架的立柱與挑梁a）力學(xué)上合理，富有美感b）不利于承載，視覺不佳c）合理貨架

第二節(jié)工程力學(xué)的研究對(duì)象與基本內(nèi)容工程力學(xué)一般包括理論力學(xué)和材料力學(xué)兩個(gè)部分。一、理論力學(xué)的基本內(nèi)容理論力學(xué)研究物體由于受力引起的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。理論力學(xué)一般包含靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分內(nèi)容。本課程主要講述其中的靜力學(xué)部分。靜力學(xué)研究物體受力分析的方法和物體在外力作用下處于平衡狀態(tài)的條件。第二節(jié)工程力學(xué)的研究對(duì)象與基本內(nèi)容二、材料力學(xué)的基本內(nèi)容材料力學(xué)研究構(gòu)件由于受力引起的變形和發(fā)生破壞的規(guī)律。材料力學(xué)研究構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三類問(wèn)題。構(gòu)件的強(qiáng)度，指構(gòu)件受力中抵抗破壞的能力。構(gòu)件的剛度，指構(gòu)件受力中抵抗變形的能力。構(gòu)件的穩(wěn)定性，指構(gòu)件受力中保持其原有平衡形式的能力a）b）c）d）

圖1-12這些產(chǎn)品或設(shè)施的設(shè)計(jì)中存在哪些工程力學(xué)問(wèn)題？

第三節(jié)工程力學(xué)的基本概念一、剛體與變形固體靜力學(xué)中，把構(gòu)件理想化為不會(huì)變形（也不會(huì)破壞）的“剛體”。材料力學(xué)中，把構(gòu)件視為（可）“變形固體”。通常說(shuō)：靜力學(xué)研究的是構(gòu)件受力的“外效應(yīng)”，而材料力學(xué)研究的是構(gòu)件受力的“內(nèi)效應(yīng)”。圖1-13撬杠，看成剛體、或看成變形固體第三節(jié)工程力學(xué)的基本概念二、力與力系1.力與力的表示力的大小、力的方向、力的作用點(diǎn)，稱為力的三要素。力的度量單位是牛頓（N，簡(jiǎn)稱牛）或千牛頓（kN，簡(jiǎn)稱千牛）。牛頓和公斤力的換算關(guān)系是：

1kgf=9.8N力是矢量。通常用一段帶箭頭的線段來(lái)表示。圖1-14力的圖示法第三節(jié)工程力學(xué)的基本概念二、力與力系2.集中力與分布力載荷：構(gòu)件受到的外來(lái)作用力。集中力或集中載荷：作用力的作用面積與所論產(chǎn)品或構(gòu)件相比很小的時(shí)候的力。如跳板上的踩踏力。分布力或分布載荷：分布作用在產(chǎn)品或構(gòu)件上一個(gè)區(qū)域的作用力。如廣告牌上的風(fēng)力。載荷集度：對(duì)于分布載荷而言，單位長(zhǎng)度上的載荷量或單位面積上的載荷量。線載荷集度：N/m，面載荷集度（壓強(qiáng)）：帕斯卡(Pa)，N/m2。兆帕，N/mm2。均布載荷：一段長(zhǎng)度或一塊面積上載荷集度為等值的分布載荷。第三節(jié)工程力學(xué)的基本概念二、力與力系3.力系力系：作用在某物體上的若干個(gè)力統(tǒng)稱為一個(gè)力系。等效力系：一個(gè)力系代替另一個(gè)力系且作用效果不變，則說(shuō)這兩個(gè)力系是等效力系。合力：一個(gè)力系等效于一個(gè)力，則力為力系的合力。力系中的各力都是這個(gè)合力的分力。平衡狀態(tài)：物體相對(duì)于地球保持靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)，則稱物體處于平衡狀態(tài)。平衡力系：物體在一個(gè)力系作用下處于平衡狀態(tài)。平面力系、空間力系、匯交力系、平行力系、任意力系第四節(jié)靜力學(xué)公理公理1二力平衡公理作用于剛體上的兩個(gè)力，使剛體處于平衡狀態(tài)的必要與充分條件是：這兩個(gè)力大小相等，方向相反，且作用在同一直線上（簡(jiǎn)稱：等值、反向、共線）。

圖1-15二力平衡和二力構(gòu)件

a）二力平衡b）二力桿（桿CD的重量不計(jì)）

第四節(jié)靜力學(xué)公理公理2加減平衡力系公理在作用著已知力系的剛體上，加上或減去任意的平衡力系，不會(huì)改變?cè)ο祵?duì)該剛體的作用效應(yīng)。推論1力的可傳性原理作用于剛體上某點(diǎn)的力，可以沿其作用線移到剛體上任意一點(diǎn)，而不會(huì)改變?cè)摿?duì)剛體的作用效應(yīng)。圖1-16力的可傳性原理

第四節(jié)靜力學(xué)公理公理3作用與反作用公理當(dāng)甲物體給乙物體一作用力時(shí)，甲物體必同時(shí)受到乙物體的反作用力，且兩個(gè)作用力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。圖1-17作用力與反作用力第四節(jié)靜力學(xué)公理公理4力的平行四邊形公理作用在物體上同一點(diǎn)的兩個(gè)力，可以合成一個(gè)合力；合力也作用在該點(diǎn)上，合力的大小和方向用這兩個(gè)力為鄰邊所構(gòu)成的平行四邊形的對(duì)角線確定。力的三角形法則應(yīng)用更簡(jiǎn)便。圖1-18力的平行四邊形公理

a）力平行四邊形b）力三角形

第四節(jié)靜力學(xué)公理力的合成關(guān)系“F1

、F2

兩力相加得到

合力R”，其矢量表示式為：

合力

R的數(shù)值和方向：

（1-2）

（1-3）

圖1-19分力與合力的關(guān)系第四節(jié)靜力學(xué)公理圖1-20

力的正交分解