Cơ học lý thuyết
Chia sẻ bởi Nguyễn Văn Thắng |
Ngày 19/03/2024 |
12
Chia sẻ tài liệu: cơ học lý thuyết thuộc Công nghệ thông tin
Nội dung tài liệu:
1
CƠ HỌC LÝ THUYẾT 1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN-BỘ MÔN CƠ HỌC
2
MỞ ĐẦU
Cơ học là khoa học nghiên cứu chuyển động cơ học của vật chất. Trong đó, chuyển động cơ học là sự dời chỗ của vật chất từ vị trí này sang vị trí khác trong không gian, theo thời gian.
Cơ học lý thuyết là một phần Cơ học nghiên cứu các quy luật chung nhất về chuyển động cơ học.
Cơ học lý thuyết là môn học cơ sở cho hàng loạt các môn kỹ thuật cơ sở và kỹ thuật chuyên ngành khác.
3
Môn cơ học lý thuyết được chia làm ba phần:
TĨNH HỌC VẬT RẮN
ĐỘNG HỌC
ĐỘNG LỰC HỌC
CƠ HỌC LÝ THUYẾT 1 gồm hai phần TĨNH HỌC VẬT RẮN và ĐỘNG HỌC.
4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
GS.TSKH Đỗ Sanh-Cơ học ( tập 1), - NXB Giáo dục.
GS.TSKH Đỗ Sanh-Bài tập cơ học ( tập 1), - NXB Giáo dục.
Chu Tạo Đoan-Cơ học lý thuyết (tập 1),-NXB Giao thông vận tải.
Cơ học lý thuyết – GS.TSKH Đào Huy Bích, Phạm Huyễn – NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 1999.
Tuyển tập bài tập cơ lý thuyết – Tập 1: I.V Mestcherski- NXB Đại học và THCN,1980.
5
CÁC THÀNH PHẦN ĐIỂM
Điểm giữa kì: 20%
Điểm thảo luận: 20%
Điểm cuối kì: 60%
HÌNH THỨC THI
Thi giữa kì: Tự luận – 1 bài tập
– thời gian: 45’
Thi cuối kì: Trắc nghiệm (khoảng 20 câu)
(thời gian: 90’)
6
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Tĩnh học vật rắn là phần nghiên cứu trạng thái cân bằng của vật rắn tuyệt đối dưới tác dụng của các lực.
7
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Chương 1: Các khái niệm cơ bản
và hệ tiên đề tĩnh học
Chương 2: Cân bằng của hệ lực không gian
Chương 3: Trường hợp riêng: Hệ lực phẳng
Chương 4: Ma sát
Chương 5: Trọng tâm của vật rắn
8
Chương 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC
1. Mở đầu. Đặt bài toán tĩnh học
2. Các khái niệm cơ bản về lực
3. Hệ tiên đề tĩnh học
4. Liên kết. Phản lực liên kết.
Tiên đề giải phóng liên kết
9
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
1.1. Đối tượng nghiên cứu
1.2. Sự cân bằng của vật rắn
1.3. Lực
1.4. Bài toán tĩnh học
10
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Vật rắn tuyệt đối là các vật mà khoảng cách giữa các điểm của nó không thay đổi khi chịu tác dụng của vật khác.
- Vật rắn tuyệt đối là mô hình của các vật rắn thực tế khi các biến dạng của chúng thể bỏ qua được do quá bé hoặc không đóng vai trò quan trọng trong quá trình khảo sát. Vật rắn tuyệt đối được gọi tắt là vật rắn.
- Đối tượng nghiên cứu của tĩnh học là vật rắn tuyệt đối.
11
1.2. Sự cân bằng của vật rắn
- Khái niệm chuyển động hay cân bằng của vật rắn có tính tương đối.
- Khảo sát sự cân bằng một vật rắn luôn luôn gắn liền với vật làm mốc nào đó.
- Hệ quy chiếu: Vật làm mốc dùng để khảo sát sự cân bằng hay chuyển động của các vật được gọi là hệ quy chiếu.
Trong các bài toán kỹ thuật thông thường hệ quy chiếu được chọn là các vật đặt trên mặt đất.
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
12
ĐN Cân bằng của vật rắn: Một vật rắn được gọi là cân bằng (hoặc đứng yên) đối với một vật nào đó nếu khoảng cách từ một điểm bất kỳ của vật đến điểm gốc của hệ quy chiếu luôn luôn không đổi.
1.2. Sự cân bằng của vật rắn
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
13
1.3. Lực
Lực là đại lượng dùng để đo tác dụng tương hỗ (tương tác) giữa các vật, mà kết quả của nó là làm cho các vật thay đổi trạng thái chuyển động hoặc bị biến dạng đi.
Các đặc trưng của lực:
Điểm đặt của lực
Phương chiều của lực
Cường độ của lực
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
14
Biểu diễn lực trong hệ tọa độ Đề các
15
1.4. Bài toán tĩnh học
Bài toán tĩnh học đặt ra là thiết lập các điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của một hệ lực.
Tập hợp các lực tác dụng lên cùng một vật rắn gọi là hệ lực.
Ký hiệu hệ lực là:
16
2. CÁC KHÁI NIỆM BỔ SUNG VỀ LỰC
2.1. Cỏc d?nh nghia v? h? l?c
2.2. Mụmen c?a l?c d?i v?i m?t di?m.
2.3. Mômen của lực đối với một trục.
2.4. Véctơ chính và mômen chính
của hệ lực không gian
2.5. Ngẫu lực.
17
2.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ HỆ LỰC
Hệ lực tương đương: Hai hệ lực tương đương là hai hệ lực có cùng tác dụng cơ học lên một vật rắn. Ký hiệu:
Hợp lực của hệ lực: Nếu một hệ lực tương đương với một và chỉ một lực thì lực đó gọi là hợp lực của hệ lực, hay hệ lực đã cho có hợp lực. Ký hiệu hợp lực của hệ lực là :
18
Định lý:
Điều kiện cần và đủ để vật rắn cân bằng là hệ lực tác dụng lên nó cân bằng.
Hệ lực cân bằng: Hệ lực cân bằng là hệ lực không làm thay đổi trạng thái cơ học của vật rắn. Ký hiệu:
2.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ HỆ LỰC
19
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
Khi lực tác dụng lên vật, nó có thể làm cho vật quay quanh một điểm nào đó. Tác dụng đó của lực được đặc trưng đầy đủ bằng mômen của lực đối với một điểm.
20
Phuong: vuụng gúc v?i m?t ph?ng ch?a di?m O v� l?c
Chi?u: Cú chi?u sao cho khi nhỡn t? d?u mỳt c?a nú xu?ng g?c th?y vũng quanh O theo chi?u ngu?c chi?u kim d?ng h?.
D? l?n:
V?i d l� kho?ng cỏch vuụng gúc l?y t? tõm l?y mụmen O d?n du?ng tỏc d?ng c?a l?c.
(=0 khi F = 0 hoặc d = 0)
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
B
21
Nếu đặt tại O hệ tọa độ Oxyz, và ký hiệu:
Trong đó:
là các véctơ đơn vị trên các trục tọa độ.
thì
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
22
Ví dụ 1.1
Đáp số:
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
23
Mô men của lực đối với một trục đặc trưng cho tác dụng của lực làm vật quay quanh trục đó.
2.3. MÔMEN CỦA LỰC ĐỐI VỚI MỘT TRỤC
(= 0 khi nào? )
24
Định lý liên hệ giữa mô men của lực đối với một điểm và mô men của lực đối với một trục.
Mômen của lực đối với trục ∆ đi qua diểm O là hình chiếu lên trục ∆ của mômen của nó đối với điểm O.
25
Ví dụ 1.2
Đáp số
2.3. MÔMEN CỦA LỰC ĐỐI VỚI MỘT TRỤC
26
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
Định nghĩa:
Véctơ chính của hệ lực không gian, ký hiệu là tổng hình học của các vectơ biểu diễn các lực của hệ lực:
2.4. VÉC TƠ CHÍNH VÀ MÔMEN CHÍNH
CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN.
Phương pháp xác định vectơ chính
a. Phương pháp vẽ (hình học)
b. Phương pháp chiếu (giải tích)
27
Chú ý: Véctơ chính là véc tơ tự do.
a. Phương pháp vẽ
Véc tơ chính của hệ lực bằng vectơ khép kín của đa giác vectơ lực.
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
2.4. VÉC TƠ CHÍNH VÀ MÔMEN CHÍNH
CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN.
28
b. Phương pháp chiếu
Ký hiệu:
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
Ta có:
29
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
Vậy mô đun và phương chiều của véc tơ chính được xác định bởi:
30
Ví dụ:
Xác định véc tơ chính của hệ lực gồm ba lực sau:
Bài giải:
Ta có:
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
31
2.4.2 Mômen chính của hệ lực không gian
đối với một tâm
Cách xác định
a. Phương pháp vẽ
Mômen chính của hệ lực đối với một tâm bằng vectơ khép kín của đa giác vectơ mômen.
b. Phương pháp chiếu
32
Các thành phần của vectơ mô men chính theo các trục toạ độ Đề các:
2.4.2 Mômen chính của hệ lực không gian
đối với một tâm
b. Phương pháp chiếu
33
Ví dụ 1:
Cho hệ lực gồm ba lực, trong đó:
Bài giải:
Ta có các véc tơ định vị của các lực so với điểm O:
đặt tại A (2,-1,0)
đặt tại B (0,-2,0)
đặt tại C (3,1,2)
Xác định mômen chính của hệ lực trên đối với gốc toạ độ O.
2.4.2 Mômen chính của hệ lực không gian
đối với một tâm
34
Áp dụng CT:
Vậy các lực và các véc tơ định vị tương ứng là:
35
Ví dụ
Khối hình lập phương chịu tác dụng của các lực như hình vẽ. Hãy tính véctơ chính và mômen chính của hệ lực đó đối với tâm A.
Đáp số
36
2.5. Ngẫu lực.
a. Định nghĩa
Ngẫu lực là hệ gồm hai lực song song ngược chiều, cùng cường độ và không cùng đường tác dụng.
b. Các đặc trưng của ngẫu lực
+ Mặt phẳng tác dụng
+ Chiều quay
+ Cường độ tác dụng:
m = F.d.
(d được gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực)
37
Chú ý:
Vectơ mômen của ngẫu lực là vectơ tự do về điểm đặt.
Độ lớn: m = F.d
Phương: vuông góc với mặt
phẳng tác dụng.
Chiều: Có chiều sao cho khi nhìn từ đầu mút của nó xuống gốc thấy ngẫu lực quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.
38
Nhận xét:
Vectơ mô men của ngẫu lực bằng tổng mô men của các lực tạo thành ngẫu lực đối với điểm bất kỳ.
Tác dụng của ngẫu lực không thay đổi nếu ta tuỳ ý thay đổi các lực tạo thành ngẫu lực miễn sao vectơ mô men của ngẫu lực không đổi, hay nói khác đi, vectơ mô men của ngẫu lực hoàn toàn đặc trưng cho ngẫu lực đó.
39
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
3.1. Hệ tiên đề tĩnh học
3.1.1. Tiên đề 1 (Tiên đề về hệ hai lực cân bằng).
Điều kiện cần và đủ để hệ hai lực cân bằng là hai lực này có cùng đường tác dụng, ngược chiều và cùng cường độ.
40
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
3.1.2 Tiên đề 2 (Tiên đề thêm bớt hai lực cân bằng).
Tác dụng của một hệ lực không thay đổi nếu thêm hoặc bớt hai lực cân bằng.
41
3.1.3 Tiên đề 3 (Tiên đề hình bình hành lực).
Hệ hai lực cùng đặt tại một điểm tương đương với một lực đặt tại điểm đặt chung và có vectơ lực bằng vectơ chéo hình bình hành mà hai cạnh là hai vectơ biểu diễn hai lực thành phần.
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
42
3.1.4 Tiên đề 4 (Tiên đề tác dụng và phản tác dụng).
Lực tác dụng và lực phản tác dụng giữa hai vật có cùng đường tác dụng, hướng ngược chiều nhau và có cùng cường độ.
Chú ý:
Lực tác dụng và lực phản tác dụng không phải là hai lực cân bằng vì chúng tác dụng vào hai vật rắn khác nhau.
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
43
3.1.5 Tiên đề 5 (Tiên đề hoá rắn).
Một vật biến dạng đã cân bằng dưới tác dụng của một hệ lực thì khi hoá rắn lại nó vẫn cân bằng.
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
44
3.2. CÁC HỆ QUẢ
3.2.1. Hệ quả 1:
Tác dụng của lực không thay đổi khi trượt lực dọc theo đường tác dụng của nó.
Lại có:
45
3.2.2.Kết quả thu gọn hệ lực đồng quy.
Hệ quả 2:
Hệ lực đồng quy có hợp lực đặt tại điểm đồng quy và biểu diễn vectơ chính của hệ
nếu vectơ chính khác không, và cân bằng nếu vectơ chính của hệ bằng không.
O
O
3.2. CÁC HỆ QUẢ
46
3.2.3. Kết quả thu gọn hệ ngẫu lực.
Tập hợp nhiều ngẫu lực tạo thành hệ ngẫu lực.
Hệ quả 3. Nếu mômen chính của hệ ngẫu lực khác không, hệ ngẫu lực tương đương với một ngẫu lực có mô men bằng mô men chính của hệ; còn nếu mô men chính của hệ bằng không hệ ngẫu lực cân bằng.
3.2. CÁC HỆ QUẢ
47
4. LIÊN KẾT, PHẢN LỰC LIÊN KẾT.
TIÊN ĐỀ GiẢI PHÓNG LIÊN KẾT.
4.1 Vật rắn tự do và vật rắn không tự do.
Vật rắn tự do là vật rắn có thể thực hiện được mọi di chuyển vô cùng bé từ vị trí đang xét sang vị trí lân cận của nó.
Ngược lại, nếu một hay một số di chuyển của vật bị cản trở bởi những vật khác thì vật đó gọi là vật rắn không tự do.
Vật không tự do còn gọi là vật chịu liên kết, còn các vật khác cản trở vật được khảo sát gọi là vật gây liên kết.
48
Những điều kiện cản trở di chuyển của vật khảo sát được gọi là liên kết đặt lên vật ấy.
Trong tĩnh học, ta chỉ nghiên cứu loại liên kết được thực hiện bằng sự tiếp xúc hình học giữa vật thể được khảo sát với vật thể khác, đó là những liên kết hình học.
4. LIÊN KẾT, PHẢN LỰC LIÊN KẾT.
TIÊN ĐỀ GiẢI PHÓNG LIÊN KẾT.
4.1 Vật rắn tự do và vật rắn không tự do.
49
4.2. Phản lực liên kết
Vật gây liên kết ngăn cản chuyển động của vật khảo sát, tức là về mặt cơ học nó tác dụng vào vật khảo sát các lực.
Các lực do các vật gây liên kết tác dụng lên vật khảo sát gọi là các phản lực liên kết.
4. LIÊN KẾT, PHẢN LỰC LIÊN KẾT.
TIÊN ĐỀ GiẢI PHÓNG LIÊN KẾT.
50
4.3. Các tính chất của phản lực liên kết.
Tính chất thụ động.
Phản lực liên kết xuất hiện không xác định trước mà phụ thuộc vào các lực cho trước tác dụng lên vật khảo sát và kết cấu liên kết (tựa, bản lề, dây buộc,…) của vật gây liên kết.
51
Phương, chiều của các phản lực liên kết.
Theo định nghĩa, phản lực liên kết phải có chiều ngăn cản chuyển động của vật nên ngược với xu hướng chuyển động của vật.
4.3. Các tính chất của phản lực liên kết.
Dây ngăn cản chuyển động của quả cầu dọc theo phương AB của dây.
Tường không cho quả cầu di chuyển theo phương CD nằm ngang.
52
Liờn k?t t?a
Liờn k?t t?a xu?t hi?n khi v?t r?n kh?o sỏt t?a lờn v?t gõy liờn k?t.
4.4. Các liên kết thường gặp và các phản lực
liên kết tương ứng.
Nếu bỏ qua ma sát thì phản lực liên kết tựa có phương vuông góc với mặt tựa hoặc đường tựa và có chiều hướng vào vật khảo sát.
53
Liên kết dây mềm, thẳng
Phản lực liên kết nằm dọc theo dây, điểm đặt ở chỗ buộc dây và hướng ra ngoài vật khảo sát. Phản lực liên kết của dây còn được gọi là sức căng.
54
Liờn k?t b?n l?
Hai v?t cú liờn k?t b?n l? khi chỳng cú tr? (ch?t) chung. Liờn k?t b?n l? cho phộp v?t quay quanh m?t tr?c c? d?nh.
Ph?n l?c liờn k?t du?c phõn tỏch th�nh hai th�nh ph?n vuụng gúc n?m trong m?t ph?ng th?ng gúc v?i du?ng tr?c tõm c?a b?n l?.
55
Liờn k?t g?i
Liờn k?t g?i dựng d? d? cỏc d?m v�
khung.
G?i c? d?nh: cú ph?n l?c liờn k?t
tuong t? nhu liờn k?t b?n l?.
Gối di động: Phản lực liên kết của gối di động vuông góc với phương di động của gối, giống như liên kết tựa.
56
Liờn k?t g?i c?u
Liờn k?t g?i c?u cú th? th?c hi?n nh? qu? c?u g?n v�o v?t ch?u liờn k?t v� du?c d?t trong m?t v? qu? c?u g?n li?n v?i v?t gõy liờn k?t. Ph?n l?c g?i c?u di qua tõm O c?a c?a v? c?u. Thụng thu?ng ph?n l?c g?i c?u du?c du?c phõn tich th�nh 3 th�nh ph?n vuụng gúc nhau.
57
Liờn k?t c?i
Liờn k?t c?i cho phộp v?t r?n quay quanh tr?c Oz. Ph?n l?c liờn k?t c?i du?c du?c phõn th�nh 3 th�nh ph?n vuụng gúc nhau.
58
Liờn k?t ng�m
Hai v?t cú liờn k?t ng�m khi chu?ng duo?c ga?n c?ng v?i nhau.
Ng�m ph?ng:
59
Ngàm không gian:
60
Liờn k?t thanh
Liờn k?t thanh du?c hỡnh th�nh nh? th?a món cỏc di?u ki?n sau:
Ch? cú l?c tỏc d?ng ? hai d?u
Tr?ng lu?ng thanh khụng dỏng k?
Nh?ng liờn k?t ? hai d?u thanh du?c th?c hi?n nh? b?n l?, g?i c?u.
Phản lực liên kết thanh nằm dọc theo đường thẳng nối hai đầu thanh, hướng vào thanh khi thanh chịu kéo và hướng ra khỏi thanh khi thanh chịu nén. (ứng lực)
61
4.5. Tiên đề giải phóng liên kết.
Vật rắn không tự do ( tức vật chịu liên kết) cân bằng có thể được xem là vật rắn tự do cân bằng nếu giải phóng các liên kết, thay thế tác dụng của các liên kết được giải phóng bằng các phản lực liên kết tương ứng.
62
+ Thu gọn hệ lực không gian.
+ Tìm điều kiện cân bằng của hệ lực không gian.
Chương 2
CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN
63
1. THU GỌN HỆ LỰC KHÔNG GIAN VỀ MỘT TÂM
1.1. Thu gọn hệ lực không gian về một tâm
1.2. Biến đổi tâm thu gọn.
1.3. Các kết quả thu gọn tối giản
1.4. Định lý Varinhông
64
1. THU GỌN HỆ LỰC KHÔNG GIAN VỀ MỘT TÂM
1.1. Thu gọn hệ lực không gian về một tâm
1.1.1 Định lý dời lực song song.
Lực đặt tại điểm A tương đương với lực
đặt tại điểm B bất kỳ và ngẫu lực có mô men bằng mô men của đối với điểm B.
với:
65
1.1.1 Định lý dời lực song song.
Lực đặt tại điểm A tương đương với lực
đặt tại điểm B bất kỳ và ngẫu lực có mô men bằng mô men của đối với điểm B.
A
Chứng minh:
Tại B đặt:
66
NHẬN XÉT:
Nếu ta có:
thì:
với:
A có vị trí sao cho ngược với chiều của
67
1.1.2 Thu gọn hệ lực .
Xét hệ lực không gian:
Áp dụng định lý dời lực song song ta dời từng lực về điểm O.
Hay
68
Vậy hệ lực không gian bất kỳ tương đương với một lực đặt tại O và một mômen ngẫu lực
. Lực bằng véctơ chính của hệ, còn bằng mômen chính của hệ đối với điểm O.
1.1.2 Thu gọn hệ lực .
69
1.2. Biến đổi tâm thu gọn.
1.2.1. Biến đổi tâm thu gọn.
Xét hệ lực không gian:
Ta thu gọn hệ lực này về O và O`:
Mặt khác:
trong đó:
Suy ra:
70
Vậy khi thay đổi tâm thu gọn ta được một lực đặt ở tâm mới, có giá trị không đổi (bằng véctơ chính), còn ngẫu lực mới có liên hệ với ngẫu lực thu gọn ban đầu theo biểu thức:
1.2.2. Các bất biến của hệ lực không gian.
Véctơ chính là một đại lượng bất biến.
Tích vô hướng của véctơ chính và mômen chính là một đại lượng bất biến (đúng khi véc tơ chính khác không).
71
1.3. Các kết quả thu gọn tối giản
Hệ lực cân bằng.
Hệ lực tương đương với một ngẫu lực.
Hệ lực có hợp lực.
O
O`
72
Hệ tương đương với hệ đinh ốc động lực.
O
O`
73
1.4. Định lý Varinhông
Trong trường hợp hệ lực không gian có hợp lực thì mômen của hợp lực đối với một tâm bất kỳ bằng tổng mômen của các lực thành phần đối với tâm ấy.
74
2.1. Định lý
2. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN
2.2. Các phương trình cân bằng của
hệ lực không gian.
2.3. Phương trình cân bằng của một vài
hệ lực đặc biệt.
75
2.1. Định lý
Điều kiện cần và đủ để hệ lực không gian cân bằng là véctơ chính và mômen chính của hệ lực đối với một điểm bất kỳ đồng thời bằng không.
2. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN
76
2.2. Các phương trình cân bằng của
hệ lực không gian.
Để giải các bài toán, ta thường sử dụng các phương trình hình chiếu của hệ phương trình véctơ trên trong hệ trục tọa độ Đề các:
77
2.3. Phương trình cân bằng của một vài
hệ lực đặc biệt.
Hệ ngẫu lực:
Hệ lực đồng quy:
78
Hệ lực song song
Chọn hệ trục tọa độ sao cho trục Oz song song với phương của các lực. Ta có ba phương trình cân bằng:
79
3. CÁC BÀI TOÁN VÀ VÍ DỤ
3.1. Các bước giải bài toán cân bằng.
Các bài toán tĩnh học có thể được chia thành hai loại sau:
Hãy tìm mối quan hệ giữa các lực hoạt động để cho vật cân bằng, hoặc nếu biết các lực hoạt động hãy tìm các vị trí cân bằng của vật.
Vật đã cân bằng dưới tác dụng của các lực hoạt động cho trước, hãy tìm một phần hoặc toàn bộ các phản lực liên kết tác dụng lên các vật.
80
CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG
Bước 1: Chọn vật để khảo sát cân bằng.
Bước 2: Giải phóng liên kết cho vật khảo sát.
Vật được chọn để xét cân bằng là vật chịu tác dụng của các lực cần tìm:
- một vật rắn.
- một “vật ” do nhiều vật ghép lại.
- một phần tưởng tượng tách ra từ một vật.
- một nút, điểm tập trung các dây, các thanh.
Vẽ riêng vật khảo sát, thay các liên kết bằng các phản lực liên kết tương ứng.
81
Bước 1: Chọn vật để khảo sát cân bằng.
Bước 2: Giải phóng liên kết cho vật khảo sát.
Bước 3: Thành lập các phương trình cân bằng.
Bước 4: Giải hệ phương trình cân bằng và nhận
xét kết quả.
CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG
82
Ví dụ 3.1
3.2. CÁC VÍ DỤ.
Tấm hình chữ nhật có trọng lượng P = 1kN, được giữ cân bằng ở vị trí nằm ngang nhờ hai bản lề A,B và dây treo IK tạo góc α = 300 với mặt phẳng của tấm như hình vẽ. Các kích thước đo bằng mét. Tìm các phản lực tại A, B và sức căng của dây.
83
Đáp số
84
Ví dụ 3.2
Vật nặng P = 100N được treo vào đầu O của giá treo tạo bởi ba thanh trọng lượng không đáng kể, gắn với nhau và với tường bằng các bản lề. Tìm ứng lực của các thanh.
85
BÀI GIẢI:
O’
H
K
Khảo sát nút O
Phân tích lực
Lập hệ PT cân bằng
Giải hệ PT
Ví dụ 3.2
86
Ví dụ 3.3
Tìm phản lực tại các chân bàn. Các kích thước cho trên hình vẽ.
Một chiếc bàn ba chân, được đặt trên mặt phẳng ngang. Trọng lực của bàn đặt tại giao điểm của hai đường chéo của mặt bàn. Tại điểm K trên mặt bàn, có tọa độ chịu tác dụng của lực thẳng đứng .
87
Ví dụ 3.3
Đáp số:
88
Bài tập:
3-1 3-12; 3-16 3-18.
trang 72 79, sách Bài tập cơ học (tập 1),
Đỗ Sanh
89
Chương 3
TRƯỜNG HỢP RIÊNG: HỆ LỰC PHẲNG
1. KHÁI NIỆM MÔMEN ĐẠI SỐ
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
3. CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC PHẲNG
4. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN
90
1. KHÁI NIỆM MÔMEN ĐẠI SỐ
Đối với hệ lực phẳng, ta đưa ra khái niệm mômen đại số của lực đối với một điểm:
Mômen đại số của lực đối với điểm O, ký hiệu , là một số đại số:
trong đó F là trị số của lực, d là khoảng cách từ O đến đường tác dụng của lực, lấy dấu "+" khi lực quay quanh O theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, và lấy dấu "-" trong trường hợp ngược lại.
91
Mô men chính của hệ lực phẳng đối với điểm O là một số đại số, ký hiệu , bằng tổng mô men đại số của các lực của hệ lực đối với điểm O:
Khi đó
92
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
Xét đoạn dầm AB dài l, chịu tác dụng của hệ lực phân bố song song cùng chiều với cường độ phân bố q(x):
B
d
l
Sau đây ta sẽ xác định hợp lực :
Hệ lực song song này có hợp lực, ký hiệu là .
A
93
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
Thu gọn hệ lực này về điểm A:
Giả sử hợp lực đặt tại C cách A một đoạn AC = d.
Theo định lý Varinhông:
94
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
Vậy:
95
Kết luận:
có đường tác dụng đi qua trọng tâm của hình phân bố lực
Có chiều cùng chiều với các lực thành phần của hệ lực phân bố.
Có độ lớn bằng diện tích của hình phân bố lực.
96
Hệ lực phân bố có cường độ phân bố lực tuyến tính
Hệ lực phân bố có cường độ phân bố lực đều
q(x) = q = const.
d = l/2
Các trường hợp đặc biệt:
97
3. CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC PHẲNG
3.1. Các phương trình cân bằng của hệ lực phẳng
Từ điều kiện cân bằng của hệ lực không gian ta có các phương trình cân bằng của hệ lực phẳng sau đây:
trong đó: x ┴ y, O là điểm bất kỳ.
Dạng 1:
98
Dạng 2:
Dạng 3:
trong đó: trục x không ┴ AB.
trong đó: Ba điểm A, B, C không thẳng hàng.
99
Cho dầm AB, có đầu A ngàm vào tường, cân bằng dưới tác dụng của các lực và ngẫu lực như hình vẽ.
3.2. Các ví dụ
Biết:
Bỏ qua trọng lượng của dầm. Tìm phản lực liên kết tại đầu A.
Ví dụ 3.1
100
3.2. Các ví dụ
101
4. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN
Nội lực: là lực tương tác giữa các vật trong hệ
.
Chú ý:
Vectơ chính và mômen chính của hệ nội lực bằng không.
Ngoa?i Lu?c: La` ca?c lu?c do ca?c võ?t ngoa`i hờ? ta?c
du?ng lờn ca?c võ?t thuụ?c hờ? võ?t dang kha?o sa?t.
102
CÁC ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN
Điều kiện cân bằng của từng vật tách riêng.
Điều kiện cân bằng của toàn hệ hoá rắn (xem toàn hệ như một vật rắn duy nhất), hay còn gọi là điều kiện cân bằng của các ngoại lực (vì khi hoá rắn lại hệ nội lực triệt tiêu).
Vậy ta có hai phương pháp giải bài toán hệ vật:
Phương pháp tách vật
Phương pháp hóa rắn
103
Ví dụ 3.2:
Cho cơ hệ như hình vẽ: α = 30o, AB = 60m,
BC = 20m. Trên đoạn AE chịu tác dụng của hệ lực phân bố đều với cường độ q=20kN/m, AD = 40m, AE = 70m. Bỏ qua trọng lượng của dầm và các cột chống. Xác định phản lực liên kết tại A, lực tương hỗ tại B và ứng lực trong các thanh chống CC, DD.
104
Hoá rắn:
Nguyễn Thị Kim Thoa
Tách vật BC:
105
Tách vật AB:
Nguyễn Thị Kim Thoa
B
106
Ví dụ 3.3:
Cho cơ hệ như hình vẽ. Thanh bỏ qua trọng lượng, hai quả cầu có cùng trọng lượng P. Kích thước ghi trên hình. Xác định phản lực liên kết tại A, D, C và lực tương hỗ tại B.
107
Tách vật
Nguyễn Thị Kim Thoa
108
Ví dụ 3.4
Giàn phẳng gồm 5 thanh chịu lực như hình vẽ và được đỡ bằng gối di động A, gối cố định B. Tìm phản lực tại các gối và ứng lực trong các thanh. Biết:
Nguyễn Thị Kim Thoa
109
Nguyễn Thị Kim Thoa
110
Hoá rắn hệ ta tìm được:
Tách nút:
Nguyễn Thị Kim Thoa
111
Đáp số:
KL: Từ dấu của các nghiệm, ta có thể kết luận các thanh AM, BM chịu kéo, còn các thanh BC, AC chịu nén.
Nguyễn Thị Kim Thoa
112
Ví dụ 3.5:
Cho cơ hệ như hình vẽ. Cho P = 50kN,
q = 5kN/m, M=200kNm, KB = KD. Trọng lượng của thanh ACB là P1= 100kN, trọng lượng của thanh BD là P2 = 60kN. Tìm phản lực liên kết tại ngàm A, bản lề B và gối di động D.
113
Ví dụ 3.6:
Vật nặng P được treo vào nút (1,2) của giàn gồm 5 thanh (1,2,3,4,5) bố trí như hình vẽ và được giữ cố định nhờ ba thanh 6, 7, 8. Thanh bỏ qua trọng lượng và được xem như nối với nhau và nối với tường bằng bản lề. Tìm ứng lực của các thanh.
114
Bài tập:
1-1 1-20; trang 24 32;
2-1 2-25 trang 48 58;
sách Bài tập cơ học (tập 1), Đỗ Sanh
115
BÀI TẬP NỘP (lớp 44M)
Nhóm 1: A & B & C: 1-9, 2-6, 2-8, 3-4, 4-14.
Nhóm 2: D & Đ: 1-5, 2-2, 2-12, 3-5, 4-5.
Nhóm 3: H: 1-10, 2-8b, 1-13, 3-9, 4-4.
Nhóm 4: L & N: 1-13, 2-9, 2-13, 3-8, 4-3.
Nhóm 5: Q & S: 1-14, 2-15, 2-23, 3-12, 4-1.
Nhóm 6: TH & TR: 1-17, 2-14, 2-16, 3-14, 4-2.
Nhóm 7: TU & V: 1-18, 2-21, 2-24, 3-23, 4-13.
116
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Chương 1: Các khái niệm cơ bản và hệ tiên đề
tĩnh học
Chương 2: Cân bằng của hệ lực không gian
Chương 3: Trường hợp riêng: Hệ lực phẳng
Chương 4: Ma sát
Chương 5: Trọng tâm của vật rắn
117
Chương 4 MA SÁT
1. PHẢN LỰC LIÊN KẾT TRÊN CÁC MẶT TỰA.
KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT VÀ SỰ PHÂN LOẠI.
2. ĐỊNH LUẬT MA SÁT COULOMB
3. CÂN BẰNG CỦA CÁC VẬT RẮN CHỊU CÁC
LIÊN KẾT CÓ MA SÁT
118
1.PHẢN LỰC LIÊN KẾT TRÊN CÁC MẶT TỰA.
KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT VÀ SỰ PHÂN LOẠI.
1.1. Mô hình phản lực liên kết trên các mặt tựa
Trong thực tế, các vật rắn khi tiếp xúc với nhau luôn luôn xảy ra trên một miền nhỏ nào đó.
Do đó, khi hai vật tiếp xúc với nhau sẽ xuất hiện một hệ các phản lực liên kết. Các lực này ngăn cản các chuyển động hoặc xu hướng chuyển động của vật này đối với vật kia.
119
1.2. Khái niệm về lực ma sát
Thu gọn hệ phản lực tại miền tiếp xúc về một điểm tiếp xúc nào đó, ta được lực và ngẫu lực. Ta phân tích lực và ngẫu lực thành các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến:
120
Vậy hệ phản lực liên kết tương đương với 4 thành phần phản lực:
Thành phần phản lực tiếp tuyến ký hiệu là ngăn cản chuyển động trượt hoặc xu hướng trượt của vật trên bề mặt liên kết; gọi là lực ma sát trượt.
Thành phần phản lực pháp tuyến như thường thấy, ngăn cản chuyển động theo phương pháp tuyến của bề mặt vật;
121
Thành phần ngẫu lực ngăn cản sự lăn của vật trên bề mặt liên kết; gọi là ngẫu lực ma sát lăn.
Thành phần ngẫu lực
ngăn cản sự xoay của vật xung quanh pháp tuyến của mặt liên kết, gọi là ngẫu lực ma sát xoay.
122
Cường độ các thành phần lực ma sát: lực ma sát trượt, ngẫu lực ma sát lăn, ngẫu lực ma sát xoay phụ thuộc vào tính chất vật lý của các bề mặt, chất liệu tạo nên các vật (sắt, đồng, gỗ...) và kết cấu của liên kết, các lực cho trước tác dụng lên vật.
Chiều của chúng phụ thuộc vào xu hướng chuyển động trượt, lăn, xoay của vật.
123
1.3. Phân loại ma sát
Dựa vào trạng thái cơ học của vật ta phân loại ma sát thành: ma sát tĩnh và ma sát động.
Ma sát tĩnh: là ma sát xuất hiện khi các vật ở trạng thái đứng yên hay khi có các xu hướng chuyển động tương đối giữa vật này và vật kia.
Ma sát động: là ma sát xuất hiện khi các vật chuyển động tương đối với nhau.
124
Dựa vào tính chất của bề mặt tiếp xúc ta có:
ma sát khô và ma sát nhớt
Ma sát khô: là ma sát xuất hiện khi các bề mặt của các vật tiếp xúc trực tiếp (không có các lớp bôi trơn như dầu, mỡ).
Ma sát nhớt: Khi trên bề mặt các vật tiếp xúc có các lớp bôi trơn ta có ma sát nhớt.
125
2. ĐỊNH LUẬT MA SÁT COULOMB
2.1. Định luật ma sát trượt.
Lực ma sát trượt tĩnh xuất hiện ngăn cản sự trượt hoặc xu hướng trượt tương đối của hai vật tiếp xúc và thỏa mãn bất đẳng thức:
trong đó, f là hệ số ma sát trượt tĩnh - đại lượng không thứ nguyên - đặc trưng cho bản chất vật lý của các mặt tiếp xúc; N là phản lực pháp tuyến.
Các định luật ma sát được xây dựng từ thực nghiệm vật lý
126
2.2. Định luật ma sát lăn.
Ngẫu lực ma sát lăn xuất hiện ngăn cản sự lăn tương đối giữa các vật tiếp xúc và thỏa mãn bất đẳng thức:
trong đó, k là hệ số ma sát lăn – thứ nguyên là chiều dài – đặc trưng cho bản chất vật lý của các vật tiếp xúc.
Định luật ma sát xoay cũng được phát biểu tương tự.
127
3. CÂN BẰNG CỦA CÁC VẬT RẮN CHỊU CÁC
LIÊN KẾT CÓ MA SÁT
3.1. Các bước giải bài toán cân bằng của vật chịu liên kết có ma sát.
Bước 1: Chọn vật khảo sát và giải phóng liên kết
cho vật như bài toán khi chưa xét đến ma sát.
Bước 2: Đặt thêm các lực, ngẫu lực ma sát.
Cần xét xu hướng chuyển động của vật để xác định đúng chiều của lực, ngẫu lực ma sát.
128
3. CÂN BẰNG CỦA CÁC VẬT RẮN CHỊU CÁC
LIÊN KẾT CÓ MA SÁT
3.1. Các bước giải bài toán cân bằng của vật chịu liên kết có ma sát.
Bước 3: Viết phương trình cân bằng cho hệ lực tác dụng lên vật (gồm cả các lực ma sát).
Hơn nữa các lực ma sát phải thỏa mãn
các BĐT ma sát.
Bước 4: Giải hệ gồm các phương trình và các BPT.
Chú ý: Nghiệm của hệ gồm các phương trình và các bất phương trình là một miền nghiệm (thể hiện dưới dạng bất đẳng thức).
129
3.2. CÁC VÍ DỤ
Ví dụ 4.1:
Một vật rắn nằm trên mặt phẳng không nhẵn có hệ số ma sát f, nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc α.
Xác định góc α để vật cân bằng với mọi giá trị của trọng lượng P của nó.
130
Ví dụ 4.2:
Thanh đồng chất AB, có trọng lượng P, đầu B tựa vào tường không nhẵn, đầu A tựa vào sàn nhẵn nằm ngang chịu tác dụng của lực Q như hình vẽ. Hệ số ma sát giữa thanh và tường là f. Tìm giá trị của lực Q để thanh cân bằng ở vị trí nghiêng góc α với phương nằm ngang.
131
Ví dụ 4.3:
Vật B có trọng lượng P nằm trên một mặt không nhẵn có dạng một phần tư cung tròn và được giữ cân bằng nhờ lực kéo T theo phương ngang đặt vào dây BA. Cho hệ số ma sát trượt là f = tgφ. Tìm lực kéo T.
132
O
α
Trên mặt nằm ngang có bánh xe đồng chất tâm O, bán kính R, trọng lượng P, chịu lực Q như hình vẽ. Xác định trị số Q để bánh xe cân bằng. Biết hệ số ma sát trượt f, hệ số ma sát lăn k.
Ví dụ 4.4:
133
Trên mặt nằm ngang có bánh xe đồng chất tâm O, bán kính R, trọng lượng P, chịu ngẫu lực M và lực Q như hình vẽ. Xác định trị số mômen M và Q để bánh xe cân bằng. Biết hệ số ma sát trượt f, hệ số ma sát lăn k.
Ví dụ 4.5:
134
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Chương 1: Các khái niệm cơ bản và hệ tiên đề
tĩnh học
Chương 2: Cân bằng của hệ lực không gian
Chương 3: Trường hợp riêng: Hệ lực phẳng
Chương 4: Ma sát
Chương 5: Trọng tâm của vật rắn
135
Chương 5
TRỌNG TÂM CỦA VẬT RẮN
136
1.TÂM CỦA HỆ LỰC SONG SONG.
1.1. Định nghĩa
Điểm hình học C gọi là tâm của hệ lực song song được xác định bởi công thức:
137
1.2. Tính chất
Hợp lực của hệ lực song song đi qua điểm C và nếu quay các thành phần quanh các điểm đặt của chúng một góc α trong điều kiện giữ nguyên điểm đặt và giá trị của các lực thành phần thì hợp lực của chúng cũng quay quanh tâm C một góc α.
138
2. ĐỊNH NGHĨA TRỌNG TÂM CỦA VẬT RẮN.
Khảo sát vật rắn nằm gần trái đất. Vật chịu tác dụng của lực hấp dẫn của trái đất, gọi là trọng lực P của vật đó.
Tâm C của hệ trọng lực được xác định bởi công thức:
Điểm C (có vị trí cố định đối với vật) gọi là trọng tâm của vật rắn.
139
Công thức xác định các tọa độ trọng tâm của vật rắn:
Dạng hình chiếu trong hệ tọa độ Descarte:
140
3.CÁC ĐỊNH LÝ VỀ
TRỌNG TÂM CỦA VẬT RẮN ĐỒNG CHẤT
3.1. Định lý 1:
Nếu vật rắn đồng chất có tâm (trục, mặt phẳng) đối xứng thì trọng tâm của nó nằm tại tâm (trên trục, mặt phẳng) đối xứng.
3.2. Định lý 2:
Nếu vật rắn gồm các phần mà trọng tâm của các phần đó nằm trên một đường thẳng (mặt phẳng) thì trọng tâm của vật cũng nằm trên đường thẳng (mặt phẳng) đó.
141
3.3. Định lý 3
(định lý Guynđanh 1)
Diện tích S của mặt tròn xoay sinh ra do một đường cong phẳng AB khi quay quanh trục đồng phẳng , nhưng không cắt nó, được xác định bởi công thức:
trong đó, L là độ dài của đường cong AB, còn d là khoảng cách từ trọng tâm C của đường cong đến trục .
142
3.4. Định lý 4 (định lý Guynđanh 2)
Thể tích V của một vật tròn xoay sinh ra bởi một tấm phẳng khi quay quanh trục ∆ và không cắt nó, được xác định bởi công thức:
trong đó, S là diện tích tấm phẳng; d là khoảng cách từ trọng tâm của tấm đến trục ∆.
143
3.5. Các phương pháp tìm trọng tâm của vật rắn.
3.5.1. Phương pháp đối xứng.
Áp dụng định lý 1.
Ví dụ
Thanh thẳng, vành tròn, mặt tròn, mặt hình chữ nhật, hình hộp chữ nhật, hình cầu đồng chất đều có trọng tâm tại tâm đối xứng của vật đó.
144
3.5.2. Phương pháp phân chia
Chia vật thành các phần đã biết trọng tâm, rồi áp dụng CT:
Ví dụ: Tìm trọng tâm của một tấm phẳng đồng chất, hình chữ L, với các kích thước như hình vẽ.
Với là véc tơ định vị trọng tâm của phần thứ k.
145
3.5.2. Phương pháp phân chia
Ví dụ:
146
3.5.2. Phương pháp phân chia
Ví dụ:
147
3.5.3. Phương pháp khối lượng âm
(phương pháp bù).
Khi vật bị khoét nhiều lỗ có hình thù khác nhau mà trọng tâm của các lỗ khoét có thể tìm được, thì ta có thể áp dụng phương pháp phân chia ở trên, với điều kiện là các lỗ khoét đi có khối lượng mang dấu âm.
Ví dụ: Tìm trọng tâm của một tấm tròn đồng chất, có bán kính R, bên trong tấm bị cắt đi một miếng hình chữ nhật có hai cạnh a, b ở vị trí như hình vẽ.
148
3.5.4. Phương pháp tích phân.
Nếu vật là một khối đồng chất có thể tích V :
Nếu vật là một mặt đồng chất có diện tích S :
Nếu vật là một thanh đồng chất, có chiều dài L :
149
Ví dụ
Tìm trọng tâm của nửa đĩa tròn đồng chất, có bán kính R
150
3.5.4. Phương pháp áp dụng các định lý Guynđanh.
Ví dụ
Tìm trọng tâm của cung tròn đồng chất bán kính R, với góc ở tâm là
151
Ví dụ
Tìm trọng tâm của nửa đĩa tròn đồng chất, có bán kính R
152
4.TRỌNG TÂM CỦA MỘT SỐ VẬT RẮN ĐỒNG CHẤT
Trọng tâm của một thanh đồng chất là điểm giữa của thanh.
Trọng tâm của các hình bình hành, hình chữ nhật, hình vuông,đường tròn, mặt tròn, khối hộp chữ nhật, khối lập phương đồng chất là tâm của chúng.
153
Trọng tâm của tam giác đồng chất là giao của các đường trung tuyến
Trọng tâm của cung tròn đồng chất AB có bán kính R và góc tại tâm:
154
Trọng tâm của quạt tròn đồng chất AOB có bán kính R và góc tại tâm
155
Trọng tâm của khối hình chóp, khối hình nón đồng chất
Trọng tâm của khối hình chóp, khối hình nón đều nằm trên đoạn thẳng nối từ đỉnh S đến trọng tâm O của đáy, và chia đoạn đó theo tỷ lệ:
CƠ HỌC LÝ THUYẾT 1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KĨ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN-BỘ MÔN CƠ HỌC
2
MỞ ĐẦU
Cơ học là khoa học nghiên cứu chuyển động cơ học của vật chất. Trong đó, chuyển động cơ học là sự dời chỗ của vật chất từ vị trí này sang vị trí khác trong không gian, theo thời gian.
Cơ học lý thuyết là một phần Cơ học nghiên cứu các quy luật chung nhất về chuyển động cơ học.
Cơ học lý thuyết là môn học cơ sở cho hàng loạt các môn kỹ thuật cơ sở và kỹ thuật chuyên ngành khác.
3
Môn cơ học lý thuyết được chia làm ba phần:
TĨNH HỌC VẬT RẮN
ĐỘNG HỌC
ĐỘNG LỰC HỌC
CƠ HỌC LÝ THUYẾT 1 gồm hai phần TĨNH HỌC VẬT RẮN và ĐỘNG HỌC.
4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
GS.TSKH Đỗ Sanh-Cơ học ( tập 1), - NXB Giáo dục.
GS.TSKH Đỗ Sanh-Bài tập cơ học ( tập 1), - NXB Giáo dục.
Chu Tạo Đoan-Cơ học lý thuyết (tập 1),-NXB Giao thông vận tải.
Cơ học lý thuyết – GS.TSKH Đào Huy Bích, Phạm Huyễn – NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 1999.
Tuyển tập bài tập cơ lý thuyết – Tập 1: I.V Mestcherski- NXB Đại học và THCN,1980.
5
CÁC THÀNH PHẦN ĐIỂM
Điểm giữa kì: 20%
Điểm thảo luận: 20%
Điểm cuối kì: 60%
HÌNH THỨC THI
Thi giữa kì: Tự luận – 1 bài tập
– thời gian: 45’
Thi cuối kì: Trắc nghiệm (khoảng 20 câu)
(thời gian: 90’)
6
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Tĩnh học vật rắn là phần nghiên cứu trạng thái cân bằng của vật rắn tuyệt đối dưới tác dụng của các lực.
7
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Chương 1: Các khái niệm cơ bản
và hệ tiên đề tĩnh học
Chương 2: Cân bằng của hệ lực không gian
Chương 3: Trường hợp riêng: Hệ lực phẳng
Chương 4: Ma sát
Chương 5: Trọng tâm của vật rắn
8
Chương 1
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC
1. Mở đầu. Đặt bài toán tĩnh học
2. Các khái niệm cơ bản về lực
3. Hệ tiên đề tĩnh học
4. Liên kết. Phản lực liên kết.
Tiên đề giải phóng liên kết
9
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
1.1. Đối tượng nghiên cứu
1.2. Sự cân bằng của vật rắn
1.3. Lực
1.4. Bài toán tĩnh học
10
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
1.1. Đối tượng nghiên cứu
- Vật rắn tuyệt đối là các vật mà khoảng cách giữa các điểm của nó không thay đổi khi chịu tác dụng của vật khác.
- Vật rắn tuyệt đối là mô hình của các vật rắn thực tế khi các biến dạng của chúng thể bỏ qua được do quá bé hoặc không đóng vai trò quan trọng trong quá trình khảo sát. Vật rắn tuyệt đối được gọi tắt là vật rắn.
- Đối tượng nghiên cứu của tĩnh học là vật rắn tuyệt đối.
11
1.2. Sự cân bằng của vật rắn
- Khái niệm chuyển động hay cân bằng của vật rắn có tính tương đối.
- Khảo sát sự cân bằng một vật rắn luôn luôn gắn liền với vật làm mốc nào đó.
- Hệ quy chiếu: Vật làm mốc dùng để khảo sát sự cân bằng hay chuyển động của các vật được gọi là hệ quy chiếu.
Trong các bài toán kỹ thuật thông thường hệ quy chiếu được chọn là các vật đặt trên mặt đất.
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
12
ĐN Cân bằng của vật rắn: Một vật rắn được gọi là cân bằng (hoặc đứng yên) đối với một vật nào đó nếu khoảng cách từ một điểm bất kỳ của vật đến điểm gốc của hệ quy chiếu luôn luôn không đổi.
1.2. Sự cân bằng của vật rắn
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
13
1.3. Lực
Lực là đại lượng dùng để đo tác dụng tương hỗ (tương tác) giữa các vật, mà kết quả của nó là làm cho các vật thay đổi trạng thái chuyển động hoặc bị biến dạng đi.
Các đặc trưng của lực:
Điểm đặt của lực
Phương chiều của lực
Cường độ của lực
1. MỞ ĐẦU. ĐẶT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
14
Biểu diễn lực trong hệ tọa độ Đề các
15
1.4. Bài toán tĩnh học
Bài toán tĩnh học đặt ra là thiết lập các điều kiện cân bằng của vật rắn chịu tác dụng của một hệ lực.
Tập hợp các lực tác dụng lên cùng một vật rắn gọi là hệ lực.
Ký hiệu hệ lực là:
16
2. CÁC KHÁI NIỆM BỔ SUNG VỀ LỰC
2.1. Cỏc d?nh nghia v? h? l?c
2.2. Mụmen c?a l?c d?i v?i m?t di?m.
2.3. Mômen của lực đối với một trục.
2.4. Véctơ chính và mômen chính
của hệ lực không gian
2.5. Ngẫu lực.
17
2.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ HỆ LỰC
Hệ lực tương đương: Hai hệ lực tương đương là hai hệ lực có cùng tác dụng cơ học lên một vật rắn. Ký hiệu:
Hợp lực của hệ lực: Nếu một hệ lực tương đương với một và chỉ một lực thì lực đó gọi là hợp lực của hệ lực, hay hệ lực đã cho có hợp lực. Ký hiệu hợp lực của hệ lực là :
18
Định lý:
Điều kiện cần và đủ để vật rắn cân bằng là hệ lực tác dụng lên nó cân bằng.
Hệ lực cân bằng: Hệ lực cân bằng là hệ lực không làm thay đổi trạng thái cơ học của vật rắn. Ký hiệu:
2.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ HỆ LỰC
19
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
Khi lực tác dụng lên vật, nó có thể làm cho vật quay quanh một điểm nào đó. Tác dụng đó của lực được đặc trưng đầy đủ bằng mômen của lực đối với một điểm.
20
Phuong: vuụng gúc v?i m?t ph?ng ch?a di?m O v� l?c
Chi?u: Cú chi?u sao cho khi nhỡn t? d?u mỳt c?a nú xu?ng g?c th?y vũng quanh O theo chi?u ngu?c chi?u kim d?ng h?.
D? l?n:
V?i d l� kho?ng cỏch vuụng gúc l?y t? tõm l?y mụmen O d?n du?ng tỏc d?ng c?a l?c.
(=0 khi F = 0 hoặc d = 0)
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
B
21
Nếu đặt tại O hệ tọa độ Oxyz, và ký hiệu:
Trong đó:
là các véctơ đơn vị trên các trục tọa độ.
thì
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
22
Ví dụ 1.1
Đáp số:
2.2. MễMEN C?A L?C D?I V?I M?T Di?M
23
Mô men của lực đối với một trục đặc trưng cho tác dụng của lực làm vật quay quanh trục đó.
2.3. MÔMEN CỦA LỰC ĐỐI VỚI MỘT TRỤC
(= 0 khi nào? )
24
Định lý liên hệ giữa mô men của lực đối với một điểm và mô men của lực đối với một trục.
Mômen của lực đối với trục ∆ đi qua diểm O là hình chiếu lên trục ∆ của mômen của nó đối với điểm O.
25
Ví dụ 1.2
Đáp số
2.3. MÔMEN CỦA LỰC ĐỐI VỚI MỘT TRỤC
26
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
Định nghĩa:
Véctơ chính của hệ lực không gian, ký hiệu là tổng hình học của các vectơ biểu diễn các lực của hệ lực:
2.4. VÉC TƠ CHÍNH VÀ MÔMEN CHÍNH
CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN.
Phương pháp xác định vectơ chính
a. Phương pháp vẽ (hình học)
b. Phương pháp chiếu (giải tích)
27
Chú ý: Véctơ chính là véc tơ tự do.
a. Phương pháp vẽ
Véc tơ chính của hệ lực bằng vectơ khép kín của đa giác vectơ lực.
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
2.4. VÉC TƠ CHÍNH VÀ MÔMEN CHÍNH
CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN.
28
b. Phương pháp chiếu
Ký hiệu:
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
Ta có:
29
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
Vậy mô đun và phương chiều của véc tơ chính được xác định bởi:
30
Ví dụ:
Xác định véc tơ chính của hệ lực gồm ba lực sau:
Bài giải:
Ta có:
2.4.1 Vectơ chính của hệ lực không gian
31
2.4.2 Mômen chính của hệ lực không gian
đối với một tâm
Cách xác định
a. Phương pháp vẽ
Mômen chính của hệ lực đối với một tâm bằng vectơ khép kín của đa giác vectơ mômen.
b. Phương pháp chiếu
32
Các thành phần của vectơ mô men chính theo các trục toạ độ Đề các:
2.4.2 Mômen chính của hệ lực không gian
đối với một tâm
b. Phương pháp chiếu
33
Ví dụ 1:
Cho hệ lực gồm ba lực, trong đó:
Bài giải:
Ta có các véc tơ định vị của các lực so với điểm O:
đặt tại A (2,-1,0)
đặt tại B (0,-2,0)
đặt tại C (3,1,2)
Xác định mômen chính của hệ lực trên đối với gốc toạ độ O.
2.4.2 Mômen chính của hệ lực không gian
đối với một tâm
34
Áp dụng CT:
Vậy các lực và các véc tơ định vị tương ứng là:
35
Ví dụ
Khối hình lập phương chịu tác dụng của các lực như hình vẽ. Hãy tính véctơ chính và mômen chính của hệ lực đó đối với tâm A.
Đáp số
36
2.5. Ngẫu lực.
a. Định nghĩa
Ngẫu lực là hệ gồm hai lực song song ngược chiều, cùng cường độ và không cùng đường tác dụng.
b. Các đặc trưng của ngẫu lực
+ Mặt phẳng tác dụng
+ Chiều quay
+ Cường độ tác dụng:
m = F.d.
(d được gọi là cánh tay đòn của ngẫu lực)
37
Chú ý:
Vectơ mômen của ngẫu lực là vectơ tự do về điểm đặt.
Độ lớn: m = F.d
Phương: vuông góc với mặt
phẳng tác dụng.
Chiều: Có chiều sao cho khi nhìn từ đầu mút của nó xuống gốc thấy ngẫu lực quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.
38
Nhận xét:
Vectơ mô men của ngẫu lực bằng tổng mô men của các lực tạo thành ngẫu lực đối với điểm bất kỳ.
Tác dụng của ngẫu lực không thay đổi nếu ta tuỳ ý thay đổi các lực tạo thành ngẫu lực miễn sao vectơ mô men của ngẫu lực không đổi, hay nói khác đi, vectơ mô men của ngẫu lực hoàn toàn đặc trưng cho ngẫu lực đó.
39
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
3.1. Hệ tiên đề tĩnh học
3.1.1. Tiên đề 1 (Tiên đề về hệ hai lực cân bằng).
Điều kiện cần và đủ để hệ hai lực cân bằng là hai lực này có cùng đường tác dụng, ngược chiều và cùng cường độ.
40
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
3.1.2 Tiên đề 2 (Tiên đề thêm bớt hai lực cân bằng).
Tác dụng của một hệ lực không thay đổi nếu thêm hoặc bớt hai lực cân bằng.
41
3.1.3 Tiên đề 3 (Tiên đề hình bình hành lực).
Hệ hai lực cùng đặt tại một điểm tương đương với một lực đặt tại điểm đặt chung và có vectơ lực bằng vectơ chéo hình bình hành mà hai cạnh là hai vectơ biểu diễn hai lực thành phần.
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
42
3.1.4 Tiên đề 4 (Tiên đề tác dụng và phản tác dụng).
Lực tác dụng và lực phản tác dụng giữa hai vật có cùng đường tác dụng, hướng ngược chiều nhau và có cùng cường độ.
Chú ý:
Lực tác dụng và lực phản tác dụng không phải là hai lực cân bằng vì chúng tác dụng vào hai vật rắn khác nhau.
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
43
3.1.5 Tiên đề 5 (Tiên đề hoá rắn).
Một vật biến dạng đã cân bằng dưới tác dụng của một hệ lực thì khi hoá rắn lại nó vẫn cân bằng.
3. HỆ TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC. CÁC HỆ QUẢ
44
3.2. CÁC HỆ QUẢ
3.2.1. Hệ quả 1:
Tác dụng của lực không thay đổi khi trượt lực dọc theo đường tác dụng của nó.
Lại có:
45
3.2.2.Kết quả thu gọn hệ lực đồng quy.
Hệ quả 2:
Hệ lực đồng quy có hợp lực đặt tại điểm đồng quy và biểu diễn vectơ chính của hệ
nếu vectơ chính khác không, và cân bằng nếu vectơ chính của hệ bằng không.
O
O
3.2. CÁC HỆ QUẢ
46
3.2.3. Kết quả thu gọn hệ ngẫu lực.
Tập hợp nhiều ngẫu lực tạo thành hệ ngẫu lực.
Hệ quả 3. Nếu mômen chính của hệ ngẫu lực khác không, hệ ngẫu lực tương đương với một ngẫu lực có mô men bằng mô men chính của hệ; còn nếu mô men chính của hệ bằng không hệ ngẫu lực cân bằng.
3.2. CÁC HỆ QUẢ
47
4. LIÊN KẾT, PHẢN LỰC LIÊN KẾT.
TIÊN ĐỀ GiẢI PHÓNG LIÊN KẾT.
4.1 Vật rắn tự do và vật rắn không tự do.
Vật rắn tự do là vật rắn có thể thực hiện được mọi di chuyển vô cùng bé từ vị trí đang xét sang vị trí lân cận của nó.
Ngược lại, nếu một hay một số di chuyển của vật bị cản trở bởi những vật khác thì vật đó gọi là vật rắn không tự do.
Vật không tự do còn gọi là vật chịu liên kết, còn các vật khác cản trở vật được khảo sát gọi là vật gây liên kết.
48
Những điều kiện cản trở di chuyển của vật khảo sát được gọi là liên kết đặt lên vật ấy.
Trong tĩnh học, ta chỉ nghiên cứu loại liên kết được thực hiện bằng sự tiếp xúc hình học giữa vật thể được khảo sát với vật thể khác, đó là những liên kết hình học.
4. LIÊN KẾT, PHẢN LỰC LIÊN KẾT.
TIÊN ĐỀ GiẢI PHÓNG LIÊN KẾT.
4.1 Vật rắn tự do và vật rắn không tự do.
49
4.2. Phản lực liên kết
Vật gây liên kết ngăn cản chuyển động của vật khảo sát, tức là về mặt cơ học nó tác dụng vào vật khảo sát các lực.
Các lực do các vật gây liên kết tác dụng lên vật khảo sát gọi là các phản lực liên kết.
4. LIÊN KẾT, PHẢN LỰC LIÊN KẾT.
TIÊN ĐỀ GiẢI PHÓNG LIÊN KẾT.
50
4.3. Các tính chất của phản lực liên kết.
Tính chất thụ động.
Phản lực liên kết xuất hiện không xác định trước mà phụ thuộc vào các lực cho trước tác dụng lên vật khảo sát và kết cấu liên kết (tựa, bản lề, dây buộc,…) của vật gây liên kết.
51
Phương, chiều của các phản lực liên kết.
Theo định nghĩa, phản lực liên kết phải có chiều ngăn cản chuyển động của vật nên ngược với xu hướng chuyển động của vật.
4.3. Các tính chất của phản lực liên kết.
Dây ngăn cản chuyển động của quả cầu dọc theo phương AB của dây.
Tường không cho quả cầu di chuyển theo phương CD nằm ngang.
52
Liờn k?t t?a
Liờn k?t t?a xu?t hi?n khi v?t r?n kh?o sỏt t?a lờn v?t gõy liờn k?t.
4.4. Các liên kết thường gặp và các phản lực
liên kết tương ứng.
Nếu bỏ qua ma sát thì phản lực liên kết tựa có phương vuông góc với mặt tựa hoặc đường tựa và có chiều hướng vào vật khảo sát.
53
Liên kết dây mềm, thẳng
Phản lực liên kết nằm dọc theo dây, điểm đặt ở chỗ buộc dây và hướng ra ngoài vật khảo sát. Phản lực liên kết của dây còn được gọi là sức căng.
54
Liờn k?t b?n l?
Hai v?t cú liờn k?t b?n l? khi chỳng cú tr? (ch?t) chung. Liờn k?t b?n l? cho phộp v?t quay quanh m?t tr?c c? d?nh.
Ph?n l?c liờn k?t du?c phõn tỏch th�nh hai th�nh ph?n vuụng gúc n?m trong m?t ph?ng th?ng gúc v?i du?ng tr?c tõm c?a b?n l?.
55
Liờn k?t g?i
Liờn k?t g?i dựng d? d? cỏc d?m v�
khung.
G?i c? d?nh: cú ph?n l?c liờn k?t
tuong t? nhu liờn k?t b?n l?.
Gối di động: Phản lực liên kết của gối di động vuông góc với phương di động của gối, giống như liên kết tựa.
56
Liờn k?t g?i c?u
Liờn k?t g?i c?u cú th? th?c hi?n nh? qu? c?u g?n v�o v?t ch?u liờn k?t v� du?c d?t trong m?t v? qu? c?u g?n li?n v?i v?t gõy liờn k?t. Ph?n l?c g?i c?u di qua tõm O c?a c?a v? c?u. Thụng thu?ng ph?n l?c g?i c?u du?c du?c phõn tich th�nh 3 th�nh ph?n vuụng gúc nhau.
57
Liờn k?t c?i
Liờn k?t c?i cho phộp v?t r?n quay quanh tr?c Oz. Ph?n l?c liờn k?t c?i du?c du?c phõn th�nh 3 th�nh ph?n vuụng gúc nhau.
58
Liờn k?t ng�m
Hai v?t cú liờn k?t ng�m khi chu?ng duo?c ga?n c?ng v?i nhau.
Ng�m ph?ng:
59
Ngàm không gian:
60
Liờn k?t thanh
Liờn k?t thanh du?c hỡnh th�nh nh? th?a món cỏc di?u ki?n sau:
Ch? cú l?c tỏc d?ng ? hai d?u
Tr?ng lu?ng thanh khụng dỏng k?
Nh?ng liờn k?t ? hai d?u thanh du?c th?c hi?n nh? b?n l?, g?i c?u.
Phản lực liên kết thanh nằm dọc theo đường thẳng nối hai đầu thanh, hướng vào thanh khi thanh chịu kéo và hướng ra khỏi thanh khi thanh chịu nén. (ứng lực)
61
4.5. Tiên đề giải phóng liên kết.
Vật rắn không tự do ( tức vật chịu liên kết) cân bằng có thể được xem là vật rắn tự do cân bằng nếu giải phóng các liên kết, thay thế tác dụng của các liên kết được giải phóng bằng các phản lực liên kết tương ứng.
62
+ Thu gọn hệ lực không gian.
+ Tìm điều kiện cân bằng của hệ lực không gian.
Chương 2
CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN
63
1. THU GỌN HỆ LỰC KHÔNG GIAN VỀ MỘT TÂM
1.1. Thu gọn hệ lực không gian về một tâm
1.2. Biến đổi tâm thu gọn.
1.3. Các kết quả thu gọn tối giản
1.4. Định lý Varinhông
64
1. THU GỌN HỆ LỰC KHÔNG GIAN VỀ MỘT TÂM
1.1. Thu gọn hệ lực không gian về một tâm
1.1.1 Định lý dời lực song song.
Lực đặt tại điểm A tương đương với lực
đặt tại điểm B bất kỳ và ngẫu lực có mô men bằng mô men của đối với điểm B.
với:
65
1.1.1 Định lý dời lực song song.
Lực đặt tại điểm A tương đương với lực
đặt tại điểm B bất kỳ và ngẫu lực có mô men bằng mô men của đối với điểm B.
A
Chứng minh:
Tại B đặt:
66
NHẬN XÉT:
Nếu ta có:
thì:
với:
A có vị trí sao cho ngược với chiều của
67
1.1.2 Thu gọn hệ lực .
Xét hệ lực không gian:
Áp dụng định lý dời lực song song ta dời từng lực về điểm O.
Hay
68
Vậy hệ lực không gian bất kỳ tương đương với một lực đặt tại O và một mômen ngẫu lực
. Lực bằng véctơ chính của hệ, còn bằng mômen chính của hệ đối với điểm O.
1.1.2 Thu gọn hệ lực .
69
1.2. Biến đổi tâm thu gọn.
1.2.1. Biến đổi tâm thu gọn.
Xét hệ lực không gian:
Ta thu gọn hệ lực này về O và O`:
Mặt khác:
trong đó:
Suy ra:
70
Vậy khi thay đổi tâm thu gọn ta được một lực đặt ở tâm mới, có giá trị không đổi (bằng véctơ chính), còn ngẫu lực mới có liên hệ với ngẫu lực thu gọn ban đầu theo biểu thức:
1.2.2. Các bất biến của hệ lực không gian.
Véctơ chính là một đại lượng bất biến.
Tích vô hướng của véctơ chính và mômen chính là một đại lượng bất biến (đúng khi véc tơ chính khác không).
71
1.3. Các kết quả thu gọn tối giản
Hệ lực cân bằng.
Hệ lực tương đương với một ngẫu lực.
Hệ lực có hợp lực.
O
O`
72
Hệ tương đương với hệ đinh ốc động lực.
O
O`
73
1.4. Định lý Varinhông
Trong trường hợp hệ lực không gian có hợp lực thì mômen của hợp lực đối với một tâm bất kỳ bằng tổng mômen của các lực thành phần đối với tâm ấy.
74
2.1. Định lý
2. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN
2.2. Các phương trình cân bằng của
hệ lực không gian.
2.3. Phương trình cân bằng của một vài
hệ lực đặc biệt.
75
2.1. Định lý
Điều kiện cần và đủ để hệ lực không gian cân bằng là véctơ chính và mômen chính của hệ lực đối với một điểm bất kỳ đồng thời bằng không.
2. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC KHÔNG GIAN
76
2.2. Các phương trình cân bằng của
hệ lực không gian.
Để giải các bài toán, ta thường sử dụng các phương trình hình chiếu của hệ phương trình véctơ trên trong hệ trục tọa độ Đề các:
77
2.3. Phương trình cân bằng của một vài
hệ lực đặc biệt.
Hệ ngẫu lực:
Hệ lực đồng quy:
78
Hệ lực song song
Chọn hệ trục tọa độ sao cho trục Oz song song với phương của các lực. Ta có ba phương trình cân bằng:
79
3. CÁC BÀI TOÁN VÀ VÍ DỤ
3.1. Các bước giải bài toán cân bằng.
Các bài toán tĩnh học có thể được chia thành hai loại sau:
Hãy tìm mối quan hệ giữa các lực hoạt động để cho vật cân bằng, hoặc nếu biết các lực hoạt động hãy tìm các vị trí cân bằng của vật.
Vật đã cân bằng dưới tác dụng của các lực hoạt động cho trước, hãy tìm một phần hoặc toàn bộ các phản lực liên kết tác dụng lên các vật.
80
CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG
Bước 1: Chọn vật để khảo sát cân bằng.
Bước 2: Giải phóng liên kết cho vật khảo sát.
Vật được chọn để xét cân bằng là vật chịu tác dụng của các lực cần tìm:
- một vật rắn.
- một “vật ” do nhiều vật ghép lại.
- một phần tưởng tượng tách ra từ một vật.
- một nút, điểm tập trung các dây, các thanh.
Vẽ riêng vật khảo sát, thay các liên kết bằng các phản lực liên kết tương ứng.
81
Bước 1: Chọn vật để khảo sát cân bằng.
Bước 2: Giải phóng liên kết cho vật khảo sát.
Bước 3: Thành lập các phương trình cân bằng.
Bước 4: Giải hệ phương trình cân bằng và nhận
xét kết quả.
CÁC BƯỚC GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG
82
Ví dụ 3.1
3.2. CÁC VÍ DỤ.
Tấm hình chữ nhật có trọng lượng P = 1kN, được giữ cân bằng ở vị trí nằm ngang nhờ hai bản lề A,B và dây treo IK tạo góc α = 300 với mặt phẳng của tấm như hình vẽ. Các kích thước đo bằng mét. Tìm các phản lực tại A, B và sức căng của dây.
83
Đáp số
84
Ví dụ 3.2
Vật nặng P = 100N được treo vào đầu O của giá treo tạo bởi ba thanh trọng lượng không đáng kể, gắn với nhau và với tường bằng các bản lề. Tìm ứng lực của các thanh.
85
BÀI GIẢI:
O’
H
K
Khảo sát nút O
Phân tích lực
Lập hệ PT cân bằng
Giải hệ PT
Ví dụ 3.2
86
Ví dụ 3.3
Tìm phản lực tại các chân bàn. Các kích thước cho trên hình vẽ.
Một chiếc bàn ba chân, được đặt trên mặt phẳng ngang. Trọng lực của bàn đặt tại giao điểm của hai đường chéo của mặt bàn. Tại điểm K trên mặt bàn, có tọa độ chịu tác dụng của lực thẳng đứng .
87
Ví dụ 3.3
Đáp số:
88
Bài tập:
3-1 3-12; 3-16 3-18.
trang 72 79, sách Bài tập cơ học (tập 1),
Đỗ Sanh
89
Chương 3
TRƯỜNG HỢP RIÊNG: HỆ LỰC PHẲNG
1. KHÁI NIỆM MÔMEN ĐẠI SỐ
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
3. CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC PHẲNG
4. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN
90
1. KHÁI NIỆM MÔMEN ĐẠI SỐ
Đối với hệ lực phẳng, ta đưa ra khái niệm mômen đại số của lực đối với một điểm:
Mômen đại số của lực đối với điểm O, ký hiệu , là một số đại số:
trong đó F là trị số của lực, d là khoảng cách từ O đến đường tác dụng của lực, lấy dấu "+" khi lực quay quanh O theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, và lấy dấu "-" trong trường hợp ngược lại.
91
Mô men chính của hệ lực phẳng đối với điểm O là một số đại số, ký hiệu , bằng tổng mô men đại số của các lực của hệ lực đối với điểm O:
Khi đó
92
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
Xét đoạn dầm AB dài l, chịu tác dụng của hệ lực phân bố song song cùng chiều với cường độ phân bố q(x):
B
d
l
Sau đây ta sẽ xác định hợp lực :
Hệ lực song song này có hợp lực, ký hiệu là .
A
93
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
Thu gọn hệ lực này về điểm A:
Giả sử hợp lực đặt tại C cách A một đoạn AC = d.
Theo định lý Varinhông:
94
2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG
Vậy:
95
Kết luận:
có đường tác dụng đi qua trọng tâm của hình phân bố lực
Có chiều cùng chiều với các lực thành phần của hệ lực phân bố.
Có độ lớn bằng diện tích của hình phân bố lực.
96
Hệ lực phân bố có cường độ phân bố lực tuyến tính
Hệ lực phân bố có cường độ phân bố lực đều
q(x) = q = const.
d = l/2
Các trường hợp đặc biệt:
97
3. CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC PHẲNG
3.1. Các phương trình cân bằng của hệ lực phẳng
Từ điều kiện cân bằng của hệ lực không gian ta có các phương trình cân bằng của hệ lực phẳng sau đây:
trong đó: x ┴ y, O là điểm bất kỳ.
Dạng 1:
98
Dạng 2:
Dạng 3:
trong đó: trục x không ┴ AB.
trong đó: Ba điểm A, B, C không thẳng hàng.
99
Cho dầm AB, có đầu A ngàm vào tường, cân bằng dưới tác dụng của các lực và ngẫu lực như hình vẽ.
3.2. Các ví dụ
Biết:
Bỏ qua trọng lượng của dầm. Tìm phản lực liên kết tại đầu A.
Ví dụ 3.1
100
3.2. Các ví dụ
101
4. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN
Nội lực: là lực tương tác giữa các vật trong hệ
.
Chú ý:
Vectơ chính và mômen chính của hệ nội lực bằng không.
Ngoa?i Lu?c: La` ca?c lu?c do ca?c võ?t ngoa`i hờ? ta?c
du?ng lờn ca?c võ?t thuụ?c hờ? võ?t dang kha?o sa?t.
102
CÁC ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN
Điều kiện cân bằng của từng vật tách riêng.
Điều kiện cân bằng của toàn hệ hoá rắn (xem toàn hệ như một vật rắn duy nhất), hay còn gọi là điều kiện cân bằng của các ngoại lực (vì khi hoá rắn lại hệ nội lực triệt tiêu).
Vậy ta có hai phương pháp giải bài toán hệ vật:
Phương pháp tách vật
Phương pháp hóa rắn
103
Ví dụ 3.2:
Cho cơ hệ như hình vẽ: α = 30o, AB = 60m,
BC = 20m. Trên đoạn AE chịu tác dụng của hệ lực phân bố đều với cường độ q=20kN/m, AD = 40m, AE = 70m. Bỏ qua trọng lượng của dầm và các cột chống. Xác định phản lực liên kết tại A, lực tương hỗ tại B và ứng lực trong các thanh chống CC, DD.
104
Hoá rắn:
Nguyễn Thị Kim Thoa
Tách vật BC:
105
Tách vật AB:
Nguyễn Thị Kim Thoa
B
106
Ví dụ 3.3:
Cho cơ hệ như hình vẽ. Thanh bỏ qua trọng lượng, hai quả cầu có cùng trọng lượng P. Kích thước ghi trên hình. Xác định phản lực liên kết tại A, D, C và lực tương hỗ tại B.
107
Tách vật
Nguyễn Thị Kim Thoa
108
Ví dụ 3.4
Giàn phẳng gồm 5 thanh chịu lực như hình vẽ và được đỡ bằng gối di động A, gối cố định B. Tìm phản lực tại các gối và ứng lực trong các thanh. Biết:
Nguyễn Thị Kim Thoa
109
Nguyễn Thị Kim Thoa
110
Hoá rắn hệ ta tìm được:
Tách nút:
Nguyễn Thị Kim Thoa
111
Đáp số:
KL: Từ dấu của các nghiệm, ta có thể kết luận các thanh AM, BM chịu kéo, còn các thanh BC, AC chịu nén.
Nguyễn Thị Kim Thoa
112
Ví dụ 3.5:
Cho cơ hệ như hình vẽ. Cho P = 50kN,
q = 5kN/m, M=200kNm, KB = KD. Trọng lượng của thanh ACB là P1= 100kN, trọng lượng của thanh BD là P2 = 60kN. Tìm phản lực liên kết tại ngàm A, bản lề B và gối di động D.
113
Ví dụ 3.6:
Vật nặng P được treo vào nút (1,2) của giàn gồm 5 thanh (1,2,3,4,5) bố trí như hình vẽ và được giữ cố định nhờ ba thanh 6, 7, 8. Thanh bỏ qua trọng lượng và được xem như nối với nhau và nối với tường bằng bản lề. Tìm ứng lực của các thanh.
114
Bài tập:
1-1 1-20; trang 24 32;
2-1 2-25 trang 48 58;
sách Bài tập cơ học (tập 1), Đỗ Sanh
115
BÀI TẬP NỘP (lớp 44M)
Nhóm 1: A & B & C: 1-9, 2-6, 2-8, 3-4, 4-14.
Nhóm 2: D & Đ: 1-5, 2-2, 2-12, 3-5, 4-5.
Nhóm 3: H: 1-10, 2-8b, 1-13, 3-9, 4-4.
Nhóm 4: L & N: 1-13, 2-9, 2-13, 3-8, 4-3.
Nhóm 5: Q & S: 1-14, 2-15, 2-23, 3-12, 4-1.
Nhóm 6: TH & TR: 1-17, 2-14, 2-16, 3-14, 4-2.
Nhóm 7: TU & V: 1-18, 2-21, 2-24, 3-23, 4-13.
116
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Chương 1: Các khái niệm cơ bản và hệ tiên đề
tĩnh học
Chương 2: Cân bằng của hệ lực không gian
Chương 3: Trường hợp riêng: Hệ lực phẳng
Chương 4: Ma sát
Chương 5: Trọng tâm của vật rắn
117
Chương 4 MA SÁT
1. PHẢN LỰC LIÊN KẾT TRÊN CÁC MẶT TỰA.
KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT VÀ SỰ PHÂN LOẠI.
2. ĐỊNH LUẬT MA SÁT COULOMB
3. CÂN BẰNG CỦA CÁC VẬT RẮN CHỊU CÁC
LIÊN KẾT CÓ MA SÁT
118
1.PHẢN LỰC LIÊN KẾT TRÊN CÁC MẶT TỰA.
KHÁI NIỆM VỀ MA SÁT VÀ SỰ PHÂN LOẠI.
1.1. Mô hình phản lực liên kết trên các mặt tựa
Trong thực tế, các vật rắn khi tiếp xúc với nhau luôn luôn xảy ra trên một miền nhỏ nào đó.
Do đó, khi hai vật tiếp xúc với nhau sẽ xuất hiện một hệ các phản lực liên kết. Các lực này ngăn cản các chuyển động hoặc xu hướng chuyển động của vật này đối với vật kia.
119
1.2. Khái niệm về lực ma sát
Thu gọn hệ phản lực tại miền tiếp xúc về một điểm tiếp xúc nào đó, ta được lực và ngẫu lực. Ta phân tích lực và ngẫu lực thành các thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến:
120
Vậy hệ phản lực liên kết tương đương với 4 thành phần phản lực:
Thành phần phản lực tiếp tuyến ký hiệu là ngăn cản chuyển động trượt hoặc xu hướng trượt của vật trên bề mặt liên kết; gọi là lực ma sát trượt.
Thành phần phản lực pháp tuyến như thường thấy, ngăn cản chuyển động theo phương pháp tuyến của bề mặt vật;
121
Thành phần ngẫu lực ngăn cản sự lăn của vật trên bề mặt liên kết; gọi là ngẫu lực ma sát lăn.
Thành phần ngẫu lực
ngăn cản sự xoay của vật xung quanh pháp tuyến của mặt liên kết, gọi là ngẫu lực ma sát xoay.
122
Cường độ các thành phần lực ma sát: lực ma sát trượt, ngẫu lực ma sát lăn, ngẫu lực ma sát xoay phụ thuộc vào tính chất vật lý của các bề mặt, chất liệu tạo nên các vật (sắt, đồng, gỗ...) và kết cấu của liên kết, các lực cho trước tác dụng lên vật.
Chiều của chúng phụ thuộc vào xu hướng chuyển động trượt, lăn, xoay của vật.
123
1.3. Phân loại ma sát
Dựa vào trạng thái cơ học của vật ta phân loại ma sát thành: ma sát tĩnh và ma sát động.
Ma sát tĩnh: là ma sát xuất hiện khi các vật ở trạng thái đứng yên hay khi có các xu hướng chuyển động tương đối giữa vật này và vật kia.
Ma sát động: là ma sát xuất hiện khi các vật chuyển động tương đối với nhau.
124
Dựa vào tính chất của bề mặt tiếp xúc ta có:
ma sát khô và ma sát nhớt
Ma sát khô: là ma sát xuất hiện khi các bề mặt của các vật tiếp xúc trực tiếp (không có các lớp bôi trơn như dầu, mỡ).
Ma sát nhớt: Khi trên bề mặt các vật tiếp xúc có các lớp bôi trơn ta có ma sát nhớt.
125
2. ĐỊNH LUẬT MA SÁT COULOMB
2.1. Định luật ma sát trượt.
Lực ma sát trượt tĩnh xuất hiện ngăn cản sự trượt hoặc xu hướng trượt tương đối của hai vật tiếp xúc và thỏa mãn bất đẳng thức:
trong đó, f là hệ số ma sát trượt tĩnh - đại lượng không thứ nguyên - đặc trưng cho bản chất vật lý của các mặt tiếp xúc; N là phản lực pháp tuyến.
Các định luật ma sát được xây dựng từ thực nghiệm vật lý
126
2.2. Định luật ma sát lăn.
Ngẫu lực ma sát lăn xuất hiện ngăn cản sự lăn tương đối giữa các vật tiếp xúc và thỏa mãn bất đẳng thức:
trong đó, k là hệ số ma sát lăn – thứ nguyên là chiều dài – đặc trưng cho bản chất vật lý của các vật tiếp xúc.
Định luật ma sát xoay cũng được phát biểu tương tự.
127
3. CÂN BẰNG CỦA CÁC VẬT RẮN CHỊU CÁC
LIÊN KẾT CÓ MA SÁT
3.1. Các bước giải bài toán cân bằng của vật chịu liên kết có ma sát.
Bước 1: Chọn vật khảo sát và giải phóng liên kết
cho vật như bài toán khi chưa xét đến ma sát.
Bước 2: Đặt thêm các lực, ngẫu lực ma sát.
Cần xét xu hướng chuyển động của vật để xác định đúng chiều của lực, ngẫu lực ma sát.
128
3. CÂN BẰNG CỦA CÁC VẬT RẮN CHỊU CÁC
LIÊN KẾT CÓ MA SÁT
3.1. Các bước giải bài toán cân bằng của vật chịu liên kết có ma sát.
Bước 3: Viết phương trình cân bằng cho hệ lực tác dụng lên vật (gồm cả các lực ma sát).
Hơn nữa các lực ma sát phải thỏa mãn
các BĐT ma sát.
Bước 4: Giải hệ gồm các phương trình và các BPT.
Chú ý: Nghiệm của hệ gồm các phương trình và các bất phương trình là một miền nghiệm (thể hiện dưới dạng bất đẳng thức).
129
3.2. CÁC VÍ DỤ
Ví dụ 4.1:
Một vật rắn nằm trên mặt phẳng không nhẵn có hệ số ma sát f, nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc α.
Xác định góc α để vật cân bằng với mọi giá trị của trọng lượng P của nó.
130
Ví dụ 4.2:
Thanh đồng chất AB, có trọng lượng P, đầu B tựa vào tường không nhẵn, đầu A tựa vào sàn nhẵn nằm ngang chịu tác dụng của lực Q như hình vẽ. Hệ số ma sát giữa thanh và tường là f. Tìm giá trị của lực Q để thanh cân bằng ở vị trí nghiêng góc α với phương nằm ngang.
131
Ví dụ 4.3:
Vật B có trọng lượng P nằm trên một mặt không nhẵn có dạng một phần tư cung tròn và được giữ cân bằng nhờ lực kéo T theo phương ngang đặt vào dây BA. Cho hệ số ma sát trượt là f = tgφ. Tìm lực kéo T.
132
O
α
Trên mặt nằm ngang có bánh xe đồng chất tâm O, bán kính R, trọng lượng P, chịu lực Q như hình vẽ. Xác định trị số Q để bánh xe cân bằng. Biết hệ số ma sát trượt f, hệ số ma sát lăn k.
Ví dụ 4.4:
133
Trên mặt nằm ngang có bánh xe đồng chất tâm O, bán kính R, trọng lượng P, chịu ngẫu lực M và lực Q như hình vẽ. Xác định trị số mômen M và Q để bánh xe cân bằng. Biết hệ số ma sát trượt f, hệ số ma sát lăn k.
Ví dụ 4.5:
134
Phần I
TĨNH HỌC VẬT RẮN
Chương 1: Các khái niệm cơ bản và hệ tiên đề
tĩnh học
Chương 2: Cân bằng của hệ lực không gian
Chương 3: Trường hợp riêng: Hệ lực phẳng
Chương 4: Ma sát
Chương 5: Trọng tâm của vật rắn
135
Chương 5
TRỌNG TÂM CỦA VẬT RẮN
136
1.TÂM CỦA HỆ LỰC SONG SONG.
1.1. Định nghĩa
Điểm hình học C gọi là tâm của hệ lực song song được xác định bởi công thức:
137
1.2. Tính chất
Hợp lực của hệ lực song song đi qua điểm C và nếu quay các thành phần quanh các điểm đặt của chúng một góc α trong điều kiện giữ nguyên điểm đặt và giá trị của các lực thành phần thì hợp lực của chúng cũng quay quanh tâm C một góc α.
138
2. ĐỊNH NGHĨA TRỌNG TÂM CỦA VẬT RẮN.
Khảo sát vật rắn nằm gần trái đất. Vật chịu tác dụng của lực hấp dẫn của trái đất, gọi là trọng lực P của vật đó.
Tâm C của hệ trọng lực được xác định bởi công thức:
Điểm C (có vị trí cố định đối với vật) gọi là trọng tâm của vật rắn.
139
Công thức xác định các tọa độ trọng tâm của vật rắn:
Dạng hình chiếu trong hệ tọa độ Descarte:
140
3.CÁC ĐỊNH LÝ VỀ
TRỌNG TÂM CỦA VẬT RẮN ĐỒNG CHẤT
3.1. Định lý 1:
Nếu vật rắn đồng chất có tâm (trục, mặt phẳng) đối xứng thì trọng tâm của nó nằm tại tâm (trên trục, mặt phẳng) đối xứng.
3.2. Định lý 2:
Nếu vật rắn gồm các phần mà trọng tâm của các phần đó nằm trên một đường thẳng (mặt phẳng) thì trọng tâm của vật cũng nằm trên đường thẳng (mặt phẳng) đó.
141
3.3. Định lý 3
(định lý Guynđanh 1)
Diện tích S của mặt tròn xoay sinh ra do một đường cong phẳng AB khi quay quanh trục đồng phẳng , nhưng không cắt nó, được xác định bởi công thức:
trong đó, L là độ dài của đường cong AB, còn d là khoảng cách từ trọng tâm C của đường cong đến trục .
142
3.4. Định lý 4 (định lý Guynđanh 2)
Thể tích V của một vật tròn xoay sinh ra bởi một tấm phẳng khi quay quanh trục ∆ và không cắt nó, được xác định bởi công thức:
trong đó, S là diện tích tấm phẳng; d là khoảng cách từ trọng tâm của tấm đến trục ∆.
143
3.5. Các phương pháp tìm trọng tâm của vật rắn.
3.5.1. Phương pháp đối xứng.
Áp dụng định lý 1.
Ví dụ
Thanh thẳng, vành tròn, mặt tròn, mặt hình chữ nhật, hình hộp chữ nhật, hình cầu đồng chất đều có trọng tâm tại tâm đối xứng của vật đó.
144
3.5.2. Phương pháp phân chia
Chia vật thành các phần đã biết trọng tâm, rồi áp dụng CT:
Ví dụ: Tìm trọng tâm của một tấm phẳng đồng chất, hình chữ L, với các kích thước như hình vẽ.
Với là véc tơ định vị trọng tâm của phần thứ k.
145
3.5.2. Phương pháp phân chia
Ví dụ:
146
3.5.2. Phương pháp phân chia
Ví dụ:
147
3.5.3. Phương pháp khối lượng âm
(phương pháp bù).
Khi vật bị khoét nhiều lỗ có hình thù khác nhau mà trọng tâm của các lỗ khoét có thể tìm được, thì ta có thể áp dụng phương pháp phân chia ở trên, với điều kiện là các lỗ khoét đi có khối lượng mang dấu âm.
Ví dụ: Tìm trọng tâm của một tấm tròn đồng chất, có bán kính R, bên trong tấm bị cắt đi một miếng hình chữ nhật có hai cạnh a, b ở vị trí như hình vẽ.
148
3.5.4. Phương pháp tích phân.
Nếu vật là một khối đồng chất có thể tích V :
Nếu vật là một mặt đồng chất có diện tích S :
Nếu vật là một thanh đồng chất, có chiều dài L :
149
Ví dụ
Tìm trọng tâm của nửa đĩa tròn đồng chất, có bán kính R
150
3.5.4. Phương pháp áp dụng các định lý Guynđanh.
Ví dụ
Tìm trọng tâm của cung tròn đồng chất bán kính R, với góc ở tâm là
151
Ví dụ
Tìm trọng tâm của nửa đĩa tròn đồng chất, có bán kính R
152
4.TRỌNG TÂM CỦA MỘT SỐ VẬT RẮN ĐỒNG CHẤT
Trọng tâm của một thanh đồng chất là điểm giữa của thanh.
Trọng tâm của các hình bình hành, hình chữ nhật, hình vuông,đường tròn, mặt tròn, khối hộp chữ nhật, khối lập phương đồng chất là tâm của chúng.
153
Trọng tâm của tam giác đồng chất là giao của các đường trung tuyến
Trọng tâm của cung tròn đồng chất AB có bán kính R và góc tại tâm:
154
Trọng tâm của quạt tròn đồng chất AOB có bán kính R và góc tại tâm
155
Trọng tâm của khối hình chóp, khối hình nón đồng chất
Trọng tâm của khối hình chóp, khối hình nón đều nằm trên đoạn thẳng nối từ đỉnh S đến trọng tâm O của đáy, và chia đoạn đó theo tỷ lệ:
* Một số tài liệu cũ có thể bị lỗi font khi hiển thị do dùng bộ mã không phải Unikey ...
Người chia sẻ: Nguyễn Văn Thắng
Dung lượng: |
Lượt tài: 0
Loại file:
Nguồn : Chưa rõ
(Tài liệu chưa được thẩm định)