Техническая механика основные понятия и определения

Предмет механики. Основные понятия и определения

Механика – это часть физики, изучающая механическое движение материальных тел и происходящие при этом взаимодействия между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве. В природе – это движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и водные течения и т.п.; в технике – движения различных летательных аппаратов и транспортных средств, частей двигателей, машин и механизмов, деформации элементов различных конструкций и сооружений, движения жидкостей и газов и многое другое.

В механике рассматриваемые взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, в результате которых изменяются скорости точек этих тел или возникают деформации, например, притяжения тел по закону всемирного тяготения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся в них тела.

Под механикой обычно понимают так называемую классическую механику Галилея-Ньютона, предметом изучения которой являются движения любых материальных тел (кроме элементарных частиц), совершаемые со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Движение макроскопических тел со скоростями порядка скорости света рассматривается релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности Эйнштейна. Для описания движения элементарных частиц и внутриатомных явлений законы классической механики неприменимы – они заменяются законами квантовой механики.

Классическая механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают (т.е. движение тел без учета их масс и действующих на них сил). Методы и зависимости, устанавливаемые в кинематике, используются при расчетах передач движения в различных механизмах и машинах, а также при решении задач динамики.

Динамика изучает движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе динамики лежат законы механики Ньютона, из которых получаются все уравнения и теоремы, необходимые для решения задач динамики.

Статика изучает условия равновесия материальных тел под действием сил. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому законы статики всегда рассматриваются в связи с законами динамики.

Основными понятиями в механике, физике и естествознании в целом являются пространство и время. Всякое материальное тело имеет объем, т.е. пространственную протяженность. Время выражает последовательность состояний материи, составляющих любой процесс, любое движение. Таким образом, пространство и время представляют собой наиболее общие формы существования материи.

Любое движение твердого тела можно представить как комбинацию поступательного и вращательного движений. Поступательнымдвижением называют движение, при котором любая прямая, жестко связанная с телом, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. Примерами поступательного движения являются движение поршня в цилиндре двигателя, движение кабин «чертова колеса» и т.д. Вращательнымдвижением абсолютно твердого тела называют такое движение, при котором все точки тела движутся в плоскостях, перпендикулярных к неподвижной прямой, называемой осью вращения, и описывают окружности, центры которых лежат на этой оси (роторы турбин, генераторов и двигателей).

studopedia.ru

2.Предмет статики. Основные понятия и определения статики

Роль механики в подготовке будущего инженера-механика. Основные этапы развития механики.

Теоретическая механика не только позволяет объяснить ряд важных явлений в окружающем мире, но и служит научным фундаментом для многих технических дисциплин. Ее методами и приемами пользуются при всех технических расчетах, связанных с проектированием различных сооружений и машин и их эксплуатацией.

Помимо важного образовательного значения, изучение теоретической механики играет огромную роль в развитии профессионального мышления техника или будущего инженера. Чем лучше и глубже будут усвоены студентами основные положения теоретической механики, тем легче будет для них переход к продуктивному изучению специальных технических дисциплин, необходимых для инженерной деятельности.

Курс теоретической механики имеет давнюю историю, он формировался столетиями и традиционная методика его преподавания в большинстве вузов находится на достаточно высоком уровне. Вместе с тем для многих преподавателей высшей технической школы теоретическая механика - предмет традиционный, лишенный новизны и четкой практической значимости в подготовке будущего специалиста-инженера. Обучение строится по испытанной классической схеме изложения материала с последующим закреплением и контролем качества усвоения. Это не позволяет в полной мере рассматривать процесс преподавания теоретической механики как важный фактор профессиональной подготовки современного инженера.

Таким образом, учитывая, что фундаментом инженерного образования служат предметы физико-математического цикла, к числу которых относится теоретическая механика, очевидна необходимость выявления психолого-педагогических условий совершенствования преподавания теоретической механики будущим инженерам с целью улучшения их профессиональной подготовки и развития у них профессионально важных качеств.

Статикой называется раздел механики, в котором излагается общее учение о силах и изучается условия равновесия материальных тел, находящихся под действием сил.

Твердое тело. В статике и вообще в теоретической механике все тела считаются абсолютно твердыми. То есть предполагается, что эти тела не деформируются, не изменяют свою форму и объем, какое бы действие на них не было оказано. Материальной точкой будет называться абсолютно твердое тело, размерами которого можно пренебречь.

Исследованием движения нетвердых тел – упругих, пластичных, жидких, газообразных, занимаются другие науки (сопротивление материалов, теория упругости, гидродинамика и т.д.).

Под равновесием будем понимать состояния покоя тела по отношению к другим материальным телам.

Основные понятия:

1. Величина, являющаяся количественной мерой механического взаимодействия материальных тел, называется в механике силой.

В Международной системе единиц (СИ) силу измеряют в ньютонах (Н), килоньютонах (кН).

Сила является величиной векторной.

Основные понятия:

Про тело говорят, что оно находится в равновесии, если оно покоится или движется равномерно и прямолинейно относительно выбранной инерциальной системы отсчёта.

В статике материальные тела считают абсолютно твёрдыми, т.к. изменение размеров тел обычно мало по сравнению с начальными размерами.

Связи

На тело влияют внешние силы, а также другие материальные тела, ограничивающие перемещение данного тела в пространстве. Такие тела называют связями. Сила, с которой связь действует на тело, ограничивая его перемещение, называется реакцией связи. Для записи условия равновесия системы связи убирают, а реакции связей заменяют на равные им силы.

Например, если тело закреплено на шарнире, то шарнир является связью. Реакцией связи, при этом будет сила, проходящая через ось шарнира..

Системы сил

Если систему сил, действующих на твёрдое тело, можно заменить на другую систему сил, не изменяя механического состояния тела, то такие системы сил называются эквивалентными.

Для любой системы сил, приложенных к твёрдому телу, можно найти эквивалентную систему сил, состоящую из силы, приложенной в заданной точке (центре приведения), и пары сил. Эта сила называется главным вектором системы сил, а момент, создаваемый парой сил — главным моментом относительно выбранного центра приведения. Главный вектор равен векторной сумме всех сил системы и не зависит от выбранного центра приведения. Главный момент равен сумме моментов всех сил системы относительно центра приведения.

Совокупность сил, действующих на какое-нибудь твердое тело, будем называть системой сил

Тело, не скрепленное с другими телами, которому из данного положения можно сообщить любое перемещение в пространстве, называется свободным.

Если одну систему сил, действующих на свободное твердое тело, можно заменить другой системой, не изменяя при этом состояния покоя или движения, в котором находится тело, то такие две системы сил называются эквивалентными.

Система сил, под действием которой свободное твердое тело может находиться в покое, называется уравновешенной или эквивалентной нулю.

Если данная система сил эквивалентна одной силе, то эта сила называется равнодействующей данной системы сил.

Сила, равная равнодействующей по модулю, прямо противоположная ей по направлению и действующая вдоль той же прямой, называется уравновешивающей силой.

Сила, приложенная к телу в какой-нибудь одной его точке, называется сосредоточенной.

Вопрос№.3.Аксиомы статики

Аксиомы статики.

Все теоремы и уравнения статики выводятся из нескольких исходных положений, принимаемых без математических доказательств и называемых аксиомами или принципами статики. Аксиомы статики представляют собою результат обобщений многочисленных опытов и наблюдений над равновесием и движением тел, неоднократно подтвержденных практикой. Часть из этих аксиом является следствиями основных законов механики, с которыми мы познакомимся в динамике.

Аксиома 1. Если на свободное абсолютно твердое тело действуют две силы, то тело может находиться в равновесии тогда и только тогда, когда эти силы равны по модулю (F₁ = F₂) и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны

Аксиома1определяет простейшую уравновешенную систему сил, так как опыт показывает, что свободное тело, на которое действует только одна сила, находиться в равновесии не может.

Аксиома2. Действие данной системы, сил на абсолютно твердое тело не изменится, если к ней прибавить или от нее отнять уравновешенную систему сил.

Эта аксиома устанавливает, что две системы сил, отличающиеся на уравновешенную систему, эквивалентны друг другу.

Следствие из 1-й и 2-й аксиом. Действие силы на абсолютно твердое тело не изменится, если перенести точку приложения силы вдоль ее линии действия в любую другую точку тела.

Аксиома 3 (аксиома параллелограмма сил). Две силы, приложенные к телу в одной точке, имеют равнодействующую, приложенную в той же точке и изображаемую диагональю параллелограмма, построенного на этих силах, как на сторонах.

Аксиома4(принцип противодействия). При всяком действии одного материального тела на другое имеет место такое же по величине, но противоположное по направлению противодействие.

Закон о равенстве действия и противодействия является одним из основных законов механики

Аксиома 5(принцип отвердевания). Равновесие изменяемого (деформируемого) тела, находящегося под действием данной системы сил, не нарушится, если тело считать отвердевшим (абсолютно твердым). Из принципа отвердения следует, что условия, необходимые и достаточные для равновесия абсолютно твердого тела, необходимы, но не достаточны для равновесия деформируемого тела, по форме и размерам тождественного с данным.

Высказанное в этой аксиоме утверждение очевидно. Например, ясно, что равновесие цепи не нарушится, если ее звенья считать сваренными друг с другом и т. д.

Аксиома 6 (аксиома связей). Всякое несвободное тело можно рассматривать как свободное, если механическое действие связей заменить реакциями этих связей (пояснения к этой аксиоме в следующем параграфе).

Приведенные принципы и аксиомы положены в основу методов решения задач статики. Все они широко используются в инженерных расчетах.

Аксиома 1 Аксиома 2 Аксиома3 Аксиома 4

Вопрос№4. Связи и их реакции. Аксиома связей.

StudFiles.ru

/ Термех / УМК статика.кинематика / лекции / статика / статика1

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СТАТИКИ

Предмет механики.
Основные понятия и аксиомы статики.
Связи и реакции связей.

Предмет механики

Механикаэто наука, изучающая основные законы механического движения, т.е. законы изменения взаимного расположения материальных тел или частиц в сплошной среде с течением времени. Содержанием курса теоретической механики в техническом вузе является изучение равновесия и движения абсолютно твердых тел, материальных точек и их систем. Теоретическая механика является базой для многих обще-профессиональных дисциплин (сопротивление материалов, детали машин, теория машин и механизмов и др.), а также имеет самостоятельное мировоззренческое и методологическое значение. Иллюстрирует научный метод познания закономерностей окружающего нас мира – от наблюдения к математической модели, её анализ, получение решений и их применение в практической деятельности.

Курс теоретической механики традиционно делится на три части:

Статикаизучает правила эквивалентного преобразования и условия равновесия систем сил.

Кинематикарассматривает движение тел с геометрической стороны, без учета сил, вызывающих это движение.

Динамикаизучает движение тел в связи с действующими на них силами.

Основные задачи статики:

Изучение методов преобразования одних систем сил в другие, эквивалентные данным.
Установление условий равновесия систем сил.

Основные понятия и аксиомы статики

Силамера механического воздействия одного тела на другое. Физическая природа сил в механике не рассматривается.

Сила задается модулем, направлением и точкой приложения. Обозначается большими буквами латинского алфавита: модуль силы. Анали-

тически силу можно задать ее проекциями на оси координат:,,, а направление в пространственаправляющими косинусами:,,.

Совокупность нескольких сил, действующих на твердое тело, называется системой сил. Две системы силэквивалентны() между собой, если, не нарушая состояния тела, одну систему сил можно заменить другой.

Сила, эквивалентная данной системе сил, называется равнодействующей:. Не всегда систему сил можно заменить равнодействующей.

Систему сил, приложенную к свободному твердому телу, находящемуся в равновесии, и не выводящую его из этого состояния, называют уравновешенной системой сил~ 0.

Абсолютно твердое тело тело, у которого расстояние между любыми двумя точками остается неизменным.

Аксиомы:

А

бсолютно твердое тело находится в равновесии под действием двух сил тогда и только тогда, когда эти силы равны по модулю, действуют по одной прямой и направлены в противоположные стороны.
Не нарушая состояния абсолютно твердого тела, к нему можно прикладывать или отбрасывать уравновешенную систему сил.

Следствие: Точку приложения силы можно переносить вдоль линии действия силы.

Доказательство:

К телу в точке Априложена сила . Добавим в точкеВсистему сил,:., но, следовательно,. Следствие доказано.

Две силы, приложенные к телу в одной точке, имеют равнодействующую, проходящую через эту точку и равную их геометрической сумме.

Из этой аксиомы следует, что силу можно разложить на любое количество составляющих сил по заранее выбранным направлениям.

Силы взаимодействия двух тел равны по модулю и направлены по одной прямой в противоположные стороны.
Равновесие деформируемого тела не нарушится, если это тело отвердеет.

Иными словами, необходимые условия равновесия деформируемых и абсолютно твердых тел совпадают, что позволяет применять получаемые результаты для реальных тел и конструкций, не являющихся абсолютно твердыми.

Связи и реакции связей

Тело называется свободным, если его перемещение в пространстве ничем не ограничено. В противном случае тело называетсянесвободным, а тела, ограничивающие перемещения данного тела,связями. Силы, с которыми связи действуют на данное тело, называютсяреакциями связей.

Основные виды связей и их реакции:

Гладкая поверхность(без трения):

Реакция гладкой поверхности направлена по нормали к этой поверхности (перпендикулярна общей касательной).

Опорная точка (ребро):

Реакция перпендикулярна опирающейся поверхности.

Идеальная нить (гибкая, невесомая, нерастяжимая):

Примеры: моделирует трос, канат, цепь, ремень,…

Реакция идеальной нити направлена по нити к точке подвеса.

Идеальный стержень (жесткий, невесомый стержень, на концах которого шарниры):

Реакция связи направлена по стержню.

В отличие от нити стержень может работать и на сжатие.

Цилиндрический шарнир:

Такая связь позволяет телу перемещаться вдоль оси, поворачиваться вокруг оси шарнира, но не позволяет точке закрепления перемещаться в плоскости, перпендикулярной оси шарнира. Реакция лежит в плоскости, перпендикулярной оси шарнира, и проходит через нее. Положение этой реакции не определено, но она может быть представлена двумя взаимно перпендикулярными составляющими.

Сферический шарнир:

Такая связь не даетточке закрепления тела перемещаться ни в одном из направлений. Положение реакции не определено, но она может быть представлена тремя взаимно перпендикулярными составляющими.

Подпятник:

Реакция данной связи задается аналогично предыдущему случаю.

Жесткая заделка:

Такая связь препятствуетперемещению и повороту вокруг точки закрепления. Контакт тела со связью осуществляется по поверхности. Имеем распределенную систему сил реакции, которая, как будет показано, может быть заменена одной силой и парой сил.

Аксиома освобождаемости от связей:

Всякое несвободное тело можно считать свободным, если мысленно освободиться от связей, а их действие заменить соответствующими реакциями.

Литература: [1, §13];

[2, §13];

[3, п.1.11.4].

StudFiles.ru

Основные понятия и определения. по курсу «Прикладная механика»

Конспект лекций

по курсу «Прикладная механика»

I раздел. Теоретическая механика

Тема 1. Введение. Основные понятия

Основные понятия и определения

Механикой называют область науки, цель которой – изучение движения и напряженного состояния элементов машин, строительных конструкций, сплошных сред и т.п. под действием приложенных сил.

В теоретической механике устанавливаются общие закономерности изучаемых объектов вне связи с их конкретными приложениями. Теоретическая механика – это наука о наиболее общих законах движения и равновесия материальных тел. Движение, понимаемое в самом широком смысле этого слова, охватывает собой все происходящие в мире явления – перемещение тел в пространстве, тепловые и химические процессы, сознание и мышление. Теоретическая механика изучает простейшую форму движения – механическое движение. Т.к. состояние равновесия есть частный случай механического движения, то в задачу теоретической механики входит также изучение равновесия материальных тел. Теоретическая механика является научной основой целого ряда инженерных дисциплин – сопротивления материалов, теории механизмов и машин, статики и динамики сооружений, строительной механики, деталей машин и др.

Теоретическая механика состоит из 3 разделов – статики, кинематики и динамики.

Статика есть учение о силах. Статика рассматривает общие свойства сил и законы их сложения, а также условия равновесия различных систем сил. 2 основные задачи статики: 1) задача о приведении системы сил к простейшему виду; 2) задача о равновесии системы сил, т.е. определяются условия, при которых данная система будет уравновешенной.

Кинематика есть учение о движении материальных тел с геометрической стороны независимо от физических причин, вызывающих движение.

Динамика есть учение о движении материальных тел под действием приложенных сил.

По своему построению теоретическая механика напоминает геометрию – в ее основе лежат определения, аксиомы и теоремы.

Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях задачи можно пренебречь. Абсолютно твердым телом называется такое тело. В котором расстояние между любыми его точками остается постоянным. Другими словами, абсолютно твердое тело сохраняет неизменной свою геометрическую форму (не деформируется). Твердое тело называется свободным, если его можно переместить из данного положения в любое другое. Твердое тело называется несвободным, если его перемещению препятствую другие тела.

Силой называют действие одного тела на другое, выражающееся в виде давления, притяжения или отталкивания. Сила – это мера механического взаимодействия тел, определяющая интенсивность этого взаимодействия. Сила – векторная величина. Она характеризуется точкой приложения, линией действия, направлением вдоль линии действия и своей величиной или численным значением (модулем).

Для силы имеем (рисунок 1.1): А – точка приложения, ab – линия действия; направление силы вдоль этой линии от А к В (указывается стрелкой), – величина (модуль) силы.

Силы изображаются буквами и т.д. с черточками сверху. Величины этих сил изображаются теми же буквами, но уже без черточек – F, P, Q и т.д. Размерность: .

Совокупность сил, приложенных к телу, называется системой сил. Система сил может быть плоской и пространственной. Система сил является сходящейся, если линии действия всех сил пересекаются в одной точке (рисунок 1.2).

Две системы сил называются эквивалентными, если они оказывают на все точки тела одно и то же действие.

Если под действием системы сил твердое тело остается в покое, то такое состояние тела называется состоянием равновесия, а приложенная система сил называется уравновешенной. Уравновешенная система сил называется еще статически эквивалентной нулю.

Сила, эквивалентная данной системе сил, называется равнодействующей силой.

Силы, действующие на тело со стороны других тел, называются внешними силами. Силы взаимодействия между частицами тела называются внутренними силами.

Сила, приложенная к телу в какой-нибудь одной точке, называется сосредоточенной силой. Силы, действующие на все точки данного объема, поверхности или линии, называются распределенными силами.

Уравновешивающая сила – это сила, равная по величине равнодействующей, но направленная в противоположную сторону (рисунок 1.3).

1.2. Аксиомы статики

В основе статики лежат несколько аксиом или положений, подтвержденных опытом и поэтому принимаемых без доказательства.

Аксиома 1. О равновесии двух сил, приложенных к твердому телу.

Для равновесия двух сил, приложенных к твердому телу, необходимо и достаточно, чтобы эти силы были противоположны и имели общую линию действия (рисунок 1.4)

Действие уравновешенной системы сил на покоящееся твердое тело не изменяет покоя этого тела.

Аксиома 2. О присоединении или отбрасывании уравновешенной системы сил.

Не изменяя действия данной системы сил, можно прибавить к этой системе или отнять от нее любую уравновешенную систему сил (рисунок 1.5).

Аксиома 3. Закон параллелограмма.

Величина равнодействующей силы и ее направление определяется соответственно по теореме косинусов, т.е. равнодействующая двух сил, выходящих из одной точки, выходит из этой же точки и равна диагонали параллелограмма, построенного на данных векторах (рисунок 1.6)

– аналитическое решение,