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力學(xué)的基本概念 對(duì)運(yùn)動(dòng)，時(shí)間和作用力作出科學(xué)分析的分支被稱(chēng)為力學(xué)，它由靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩部分組成。 靜力學(xué)對(duì)靜止系統(tǒng)進(jìn)行分析，即在靜力學(xué)系統(tǒng)中不考慮時(shí)間這個(gè)因素，而動(dòng)力學(xué)是對(duì)隨時(shí)間變化的系統(tǒng)進(jìn)行分析。 通過(guò)配合表面作用力被傳送到機(jī)器的各個(gè)部件，例如從齒輪傳到軸或者是從一個(gè)齒輪通過(guò)嚙合傳遞到另一個(gè)齒輪，從三角皮帶傳到皮帶輪，或者從凸輪傳到從動(dòng)件 。由于很多原因，我們必須知道這些力的大小。在邊界或嚙合表面作用力的分布一定要合理， 他們的大小必須在構(gòu)成配合表面材料的工作極限以內(nèi)。例如，如果施加在滑動(dòng)軸承的作用力太大，那么 它就會(huì)將油膜擠壓出來(lái)，并且造成金屬和金屬的接觸， 使 溫度過(guò)高，使滑動(dòng)軸承失效 。如果作用在齒輪輪齒上的力過(guò)大，就會(huì)將油膜從齒間擠壓出來(lái)。這將會(huì)導(dǎo)致金屬表層的破裂和剝落，噪音增大，運(yùn)動(dòng)不精確，直至報(bào)廢。在力學(xué)研究中，我們主要關(guān)心力的大小，方向和作用點(diǎn)。 當(dāng)一些物體連接在一起形成一個(gè)組合或者系統(tǒng)時(shí)，在兩個(gè)接觸的物體之間作用和反作用的力被稱(chēng)之為約束力。 這些力約束各個(gè)物體使其處于特有的狀態(tài)。作用在這個(gè)物體系統(tǒng)外部的力叫做外力。 電力，磁力和重力是不需要直接接觸就可以施加的力的實(shí)例。不是全部但是大多數(shù)，與我們有關(guān)的力都是 通過(guò)直接的實(shí)際接觸或者是機(jī)械接觸才能產(chǎn)生的。 力是一個(gè)矢量。力的要素就是它的大小，它的方向和作用點(diǎn)，一個(gè)力的方向包括力的作用線的概念和它的指向 。因此，沿著力的作用線，力的方向有正副之分。 沿著兩條不重合的平行線作用在一個(gè)物體上的兩個(gè)大小相等、方向相反的作用力不能合并成一個(gè)合力。任何作用在一個(gè)剛體上的兩個(gè)力構(gòu)成一個(gè)力偶。力偶臂就是這兩個(gè)力的作用線之間的垂直距離。 力偶矩也是一個(gè)矢量，用 M 表示，垂直于力偶面； M 的方向主要依據(jù)右手螺旋定則確定。力矩的大小是力偶臂與其中一個(gè)力的大小的乘積。 如果一個(gè)剛體滿足下列條件 ，那么它處于平衡狀態(tài)： （ 1） 作用在它上面的所有外力的矢量和等于零。 （ 2） 作用在它上面的所有外力對(duì)于任何一個(gè)軸的力矩之和等于零。 在數(shù)學(xué)上這兩個(gè)條件被表示為 ? ?0F ? ?0M 所使用的術(shù)語(yǔ)“剛體”可以是整臺(tái)機(jī)器，一個(gè)機(jī)器中幾個(gè)相互連接的零件，一 個(gè)單獨(dú)的零件或者是零件的一部分。隔離體簡(jiǎn)圖是一個(gè)從機(jī)器中隔離出來(lái)的物體的草圖或視圖，在圖中標(biāo)出所有作用在物體上的力和力矩。通常圖中應(yīng)該包括已知的力和力矩的大小、方向還有其他相關(guān)信 息。 這樣得到的圖成為“隔離體簡(jiǎn)圖”，其原因是圖中的零件或物體的一部分已經(jīng)從其余的機(jī)械零部件中隔離出來(lái)了，其余的機(jī)器零部件對(duì)它的作用已經(jīng)用力和力矩代替。對(duì)于一個(gè)完整的機(jī)器零部件隔離體簡(jiǎn)圖，圖上所表示出的，作用在 其上面的力和力矩是通過(guò)與其相鄰或相接觸零件施加的，是外力。對(duì)于一個(gè)零件的一部分的隔離體簡(jiǎn)圖作用在切面上的力和力矩都是通過(guò)被切掉部分施加的，是內(nèi)力。 繪制和提交簡(jiǎn)潔、清晰的隔離體簡(jiǎn)圖是工程交流的核心。這是真實(shí)的，因?yàn)樗麄兇砹怂伎歼^(guò)程的一部分，無(wú)論這個(gè)過(guò)程有沒(méi)有繪制在圖紙上，因?yàn)楹?jiǎn)圖的繪制是把思考結(jié)果進(jìn) 行交流的唯一方式。無(wú)論出現(xiàn)的問(wèn)題多么簡(jiǎn)單，你都要養(yǎng)成繪制隔離體簡(jiǎn)圖的習(xí)慣。 隔離體簡(jiǎn)圖的繪制加速了解決問(wèn)題的過(guò)程，大大的降低了犯錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)。 使用隔離體簡(jiǎn)圖的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下： （ 1） 對(duì)于一個(gè)人來(lái)說(shuō)，把詞語(yǔ)、想法和觀點(diǎn)用物理模型表示是很容易的。 （ 2） 有助于幫助人們觀察和理解一個(gè)問(wèn)題的各個(gè)方面。 （ 3） 有助于確定解決問(wèn)題的途徑 。 （ 4） 有助于發(fā)現(xiàn)和數(shù)學(xué)的關(guān)系。 （ 5） 他們的應(yīng)用易于記錄解題的步驟，有助于作出有關(guān)簡(jiǎn)化的假設(shè)。 （ 6） 解題所用的方法可以存儲(chǔ)，供以后參考。 （ 7） 他們有助于你的記憶，并且易于向其他人解釋 和表達(dá)你的工作。 在分析機(jī)器中的力時(shí)，我們幾乎總是要把機(jī)器分離成許多單個(gè)的部件來(lái)繪制標(biāo)有作用在各個(gè)部件上的力的隔離體簡(jiǎn)圖。許多部件都要通過(guò)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行連接。 在任何工程結(jié)構(gòu)中，單個(gè)的零件或部件都將受到外力，而這些力是由他們所工作的環(huán)境或條件產(chǎn)生的。如果零部件處于平衡狀態(tài)，那么外力作用的結(jié)果就是零，但是這些力共同在這個(gè)零部件上施加了一個(gè)載荷，這個(gè)載荷使這個(gè)零部件有變形的趨勢(shì)， 這種趨勢(shì)是內(nèi)力相互作用的結(jié)果， 是在物體內(nèi)部建立起來(lái)的。 把載荷施加到零部件上有許多不同的方法。載荷可以被歸為如下幾類(lèi)： （ a） 靜載荷是一個(gè)逐漸施 加的載荷，因此在一個(gè)相對(duì)很短的時(shí)間力就可以達(dá)到平衡。 （ b） 持續(xù)載荷是一個(gè)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)作用的載荷，例如物體的重力。這種類(lèi)型的載荷被認(rèn)為是和靜載荷以同樣的方式作用著；但是，由于溫度和應(yīng)力的原因，在短時(shí)間內(nèi)加載和持續(xù)加載兩種情況下，阻力失效有所不同。 （ c） 沖擊載荷是一個(gè)快速被施加的載荷（能源載荷）。 震動(dòng)通常是由沖擊載荷引起的，直到震動(dòng)被消除才能達(dá)到平衡，震動(dòng)通常都是有阻尼力消除的。 （ d） 重復(fù)載荷是一個(gè)被施加并且移動(dòng)過(guò)上千次的載荷。 （ e） 疲勞載荷或交變載荷的大小隨著時(shí)間而改變。 有人注意到上述作用在處于平衡狀態(tài)的物體上的外 力和物體的內(nèi)力相互作用。 因此，如果一個(gè)物體受到拉伸或是擠壓，例如在橫截面上施加一個(gè) 均勻的 外力，那么就會(huì)產(chǎn)生 均勻的 內(nèi)力，并且這個(gè)物體也會(huì)受到 均勻的 應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力被定義為 ? ? ?? 因此應(yīng)力 ? 是壓縮應(yīng)力還是拉伸應(yīng)力取決于載荷的性質(zhì)， 它的單位是牛頓每平方米。 如果一個(gè)物體受到軸向載荷的作用，還產(chǎn)生力應(yīng)力，物體的長(zhǎng)度將發(fā)生變化。如果物體的原始長(zhǎng)度是 L ，變化后長(zhǎng)度增加了 L? ，那么所產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)缦? ? ? g in a l g a n g ? ?? 因此應(yīng)變衡量了物體的變形程度，它是無(wú)量綱，例如它沒(méi)有單位；他是兩個(gè)具有相同單位 的 數(shù)量的比值 。 因此，在載荷的作用下材料的變化實(shí)際上都是很小的，通常都用應(yīng)變來(lái)表示，其形式是應(yīng)變 610? ，當(dāng)它的形式變?yōu)??? 時(shí)就是微 應(yīng)變 。 拉伸應(yīng)力和應(yīng)變被認(rèn)為是正向的。拉縮應(yīng)力和應(yīng)變被認(rèn)為是負(fù)向的。因此負(fù)應(yīng)變使長(zhǎng)度減小。 如果材料在卸下載荷后恢復(fù)到?jīng)]加載荷是 的狀態(tài)，這種材料是彈性材料。應(yīng)用于大范圍的工程材料，至少部分在負(fù)載范圍內(nèi)的彈性，其特點(diǎn)就是產(chǎn)生的變形和所施加的載荷成正比。 因此載荷和它們所產(chǎn)生的應(yīng)變成比例關(guān)系， 變形和應(yīng)變成比例關(guān)系，這也就意味著當(dāng)材料是彈性材料時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變成比例。因此胡克定律是 ? ? ? ??? 這則定律在一定的范圍內(nèi)適用于鐵合金材料，甚至可以以一定的精度用于其他工程材料，如混凝土，木材和有色金屬等。 如果材料是彈性的，當(dāng)卸下載荷時(shí)，所產(chǎn)生的變形將完全恢復(fù)；不會(huì)產(chǎn)生永久變形。 在材料彈性范圍內(nèi)，在胡克定律應(yīng)用范 圍內(nèi)，可表示為 這種持續(xù)的象征用 E 來(lái)表示，被成為彈性模量或楊氏模量。因此 ???? 在拉伸和壓縮是被認(rèn)為是一樣的，對(duì)于大多數(shù)工程材料 其數(shù)值都是很高的。特別是鋼， 2910200 ? ，因而應(yīng)變通常都是很小的。 在大多數(shù)普通工程應(yīng)用中 應(yīng)變很少超過(guò) 對(duì)于任何材料，楊氏模量的精確值都是通過(guò)在材 料樣品上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)才能確定。 he of is is up of of in is a a to a or to a V to a or a to a is to of a of of at or be be of if on a it od he be in of of we in of a of to a or of of to in a to of of be if of we be or is a of a of of a of a is a a or a of in be to a on a a of is of of is of of a is to of is in of is of of of of A is in (1) of it is (2) of of is ?0F ? ?0M as be an of a a or a of a is s or of on as as so is or of by is of an on it by or is a of a on by of of is a of on or of is of be ti og no to of up of of be as (1) it to (2) in of a (3) in on (4) to or (5) it to of s in (6) in be (7) it to to In in we to of be to by In be to or in or is in of be a on to be by up a of in be to a be to (a) A is a is in a (b) A is a is a od as of a of is in as a of to be (c) An is a an an is is by (d) A is a is of (e) A or is a It to a in is by up a is to a or a is up is to be to a ? ? ?? be or on of be in of ?2or of If a is to an a in If an in by an ? 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