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浅谈工程力学中静力平衡问题的教学

时间:2013-03-25来源:易品网 点击:
一、静力平衡问题的三个基本功 
  静力平衡问题的内容包括受力分析和求解平衡问题两大部分。它研究的是物体在力的作用下的平衡规律,其最终目的是求解力系作用下物体的平衡问题,即由已知力求解未知力。静力平衡问题的三个基本功就是受力图、力的投影和力矩。 
  (一)受力图 
  受力分析、绘制受力图即是要画出所有的主动力和所有的约束反力。 
  主动力是促使物体运动的力,一般是作为已知条件事先就已经画好的,只要照搬原题的已知条件,别忘了就行,一般没什么难度。 
  画约束反力才是关键。约束反力是阻碍物体运动的力,其大小和方向都是未知的。物体所受的约束反力的总是和这个约束所能限制的运动方向相反。只要弄清了某个约束能限制物体什么方向的运动,再画个和该方向相反的箭头即可。 
  为了便于学生记忆,可将约束归纳为四个大类:柔性约束、光滑接触面约束、铰链约束和固定端约束。其中铰链约束又可分为中间铰链、固定铰链、活动铰链和链杆。前两个约束都能画确定的约束反力,而后三种约束都不能画出确切的反力。因此要求学生知道只要画出相应的反力,方向可以任意假设,并且反力的个数不能少画。 
  柔性约束沿柔性体画一个拉力;光滑面约束过接触点垂直支撑面画一个支撑力;中间铰链和固定铰链画两垂直的分力、活动铰链画一个垂直支撑面的力、链杆(二力杆)沿链杆画一个力;固定段约束画三个箭头,两个力一个力偶。 
  有时力臂画出来容易,可求出力臂的长短却又是一个复杂的数学问题。此时可用合力矩定理mo(R)= Σmo(F)求力矩。只是要注意将一个力分解成两个分力时,要让两个分力的力臂容易计算。工程结构上常标出了力的作用点的位置,于用此种方法求力矩更为方便。 
  力矩的计算还包含力偶的计算。力偶是两个等值、反向、不共线的平行力,力偶只有转动效应,故通常用一个弧线箭头来表示(如图3)。力偶矩是度量力偶转动效应大小的物理量,力偶矩的计算不要求学生记,因为力偶矩很多情况下都是直接给出的。学生们学到后来可能不记得力偶的原形而只记住了其简化的图形,这时将力偶原形的两个力分别按力来计算是一样的。 
  要求学生记住力偶的两个重要的性质:①力偶的投影等于零;②力偶的力矩恒等于其本身的力偶矩,而与矩心位置无关。 
  (三)列解平衡方程 
  平面一般力系平衡方程有投影方程和力矩方程,其含义是力系中各个力对任意两个垂直的坐标轴的投影代数和为零;各个力对某点之矩的代数和为零。显然,受力图、力的投影、力矩是求解平衡问题三个基本功的,或者说是三个基本要素。只有画出了受力图,能计算力的投影和力矩,才可能建立平衡方程。 
  平衡方程的形式有三种,但为了适应目前学生的实际情况,降低理论上的难度,力求用最少的理论知识来用于平衡问题的求解,选用其中的基本形式就足够了,即ΣX=0;ΣY=0;Σmc=0。列方程时力求一个方程解一个未知力,最好不要联立求解方程。要做到这一点,选矩心和坐标轴非常重要。矩心尽可能选在未知力的交点;坐标轴尽可能的与未知力垂直。 
  三、结束语 
  现在的学生要求他们要灵活掌握所学的知识是困难的,死记硬背,将灵活的知识教条化到是一种适用的学习方法。在教学中,笔者就注重将一些解题方法条理化,让学生记住第一步做什么,第二步做什么,第三步做什么,这样就不至于拿到问题无从下手。 
  受力图、力的投影、力矩构成了静力平衡问题的三个基本功,这三个基本功就象三个支柱,三足鼎立支撑起《工程力学》的静力平衡问题。掌握了这三个基本功,对平衡问题的求解,对后续内容的学习,将起到重要的作用。
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