理论力学主要分为三块内容:静力学、运动学、动力学 。
1研究对象 | 刚体、质点、质点系
刚体,指该物体在力作用下,内部任意两点之间的距离始终保持不变 。
质点,指具有一定质量,而几何形状和尺寸大小可以忽略不计的物体 。
质点系,由几个或者无限个相互有联系的质点所组成的系统 。
以上三个力学模型,是完全不一样的,不过可以尝试统一起来,比如可认为质点是特殊的刚体,或者刚体是特殊的质点系,但其实这只是理论表达上的需要 。从应用层面来说,读者却无需这样分类,只需知道,静力学的研究对象是刚体,运动学的研究对象是质点和刚体,动力学的研究对象是质点、质点系以及刚体 。
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2公理 | 静力学
公理,长期的经验总结,反复的实践验证,不需要证明的道理 。表征力的三个要素是:力的作用点、力的大小、力的方向 。
公理一:力的平行四边形法则,规定了合力和分力的关系 。
公理二:二力平衡条件,规定了二力怎么样才能平衡 。
公理三:加减平衡力系原理,规定了平衡力系的作用效果,就是没效果 。
公理四:作用与反作用定律,规定了作用力和反作用力的关系 。
公理五:刚化原理,规定了刚体力学模型的合理性 。
其实这五个公理不言自明,笔者之所以在这里展示出来,是想表明理论体系就是公理+证明(逻辑) 。只要公理不出问题,逻辑严密可靠,那么形成的理论体系必然能经得起考验,反之就是人类理性危机,十分可怕,超级打击 。
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3平衡 | 平面力系
平面汇交力系,各力的作用线都在一个平面内,并且汇交于同一点 。
平面任意力系,各力的作用线都在一个平面内,不要求汇交于同一点 。
平面力系的平衡方程:
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4平衡 | 空间力系
空间汇交力系,各力的作用线汇交于同一点 。
空间任意力系,不要求汇交于同一点 。
空间力系的平衡方程:
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5力矩 | 力偶
力矩,力对点的矩(多见于平面力系),力对轴的矩(多见于空间力系) 。
力矩和力的关系是,力矩虽然来源于力,但和力已经不是一个物理量,各有各的特点和性质,就像父子可以拥有完全不一样的秉性 。也像两个出身一样的人,假以时日,一个平步青云或沉沦堕落,这两人就是不一样了,如果执念于出身一样,所以永远一样,恐怕连苏秦的嫂子都不如了 。因为我们知道这样一个故事,苏秦游说秦王失败,回家后,妻不下纴嫂不为炊 。而功成名就后,父母郊迎嫂子跪谢 。应该说,识时务者为俊杰 。
力偶,作用在刚体上的两个力,大小相等,方向相反,但不共线 。其最大特点是对所有点的力矩都一样,力偶矩不变 。
6表达 | 点的运动学
矢量表达(物理意义强):
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直角坐标系表示(计算方便):
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自然坐标系表示(直接直观):
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刚体 | 定轴转动
转角函数:
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角速度:
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角加速度:
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