《理论力学绪论》PPT课件.ppt

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1、课程开篇,同学们：歡迎参加理论力学课程的学习,Theoretical Mechanics,我希望.你们喜欢上这门课 你们能积极回答我提出的问题 你们能踊跃提出你们的看法让我们共同努力吧！,1.哈尔滨工业大学理论力学教研室编理论力学教材,理论力学参考书 其它参考资料,一、理论力学的研究对象二、理论力学的任务及其研究内容三、理论力学的研究方法四、理论力学的发展史五、理论力学现代教学研究,绪论,日常生活中的力学问题,理论力学各种问题,自行车轮在运动过程呈何现象?知道直升飞机尾桨吗?筛子工作的力学原理，在北半球，由南向北流动的河流，为什么东岸冲刷的厉害？蛤蟆夯的动力学分析,四足朝天的猫翻身落地，冰上拔

2、河，为什么现代跳高运动都采用背越式，当平台转动时，在平台上快速运动的皮带为什么会变形？有人乘坐越高级的轿车为什么晕车越厉害？,返回,绪 论,机械运动：是物体在空间的位置随时间的变化。,一、理论力学的研究对象,理论力学：是研究物体机械运动一般规律的一门学科。,返回,各种不同的永动机,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,理论力学研究模型、方法,工程实际问题,力 学 模 型,演 绎、推 理,返回,返回,1.理论力学是一门理论性较强的技术基础课,政治,专 业 课,技 术 基 础 课,基 础 课,外语,绪 论,二、理论力学的任务及其研究内容,2.理论

3、力学是很多专业课程的重要基础,例如：材料力学、机械原理、机械零件、结构力学、弹性力学、流体力学、机械振动等一系列后续课程的重要基础。,3.理论力学的研究内容,绪 论,力学的应用,航天工程,核反应堆工程,航空工程,石油工程,机械工程,电子工程,土木工程,计算机工程,水利工程,其它工程 领域,土木建筑,返回,土木建筑,返回,返回,绪 论,静力学：运动学：动力学：,研究物体在力系作用下的平衡规律，同时也研究力的一般性质和力系的简化方法等。,研究物体运动的几何性质，而不研究引起物体运动的原因。,研究受力物体的运动变化与作用力之间的关系。,3.理论力学的研究内容,返回,绪 论,工程问题,力学模型,数学模

4、型,分析计算,三、理论力学的研究方法,返回,绪 论,力学模型,研究飞机的运动轨迹问题时，飞机可视为质点。,返回,绪 论,力学模型,研究卫星运动轨道问题时，卫星可视为质点；但研究卫星姿态控制问题时，则要视为刚体。,返回,早在(公元前287212)古希腊阿基米德著的论比重就奠 定了静力学基础。意大利的达芬奇(14521519)研究滑动摩擦、平衡、力矩。波兰的哥白尼(14731543)创立宇宙“日心说”。意大利思想家（Giordano Btuno，1548-1600），宣传哥白尼的日心说 德国的开普勒(15711630)提出行星运动三定律。意大利的伽利略(15641642)自由落体规律、惯性定律及加

5、速 度的概念。,四、理论力学的发展史,绪 论,布鲁诺,英国伟大科学家牛顿(16431727)在1687年版的自然哲学的 数学原理一书总其大成，提出动力学的三个基本定律，万有引力定律，天体力学等。是力学奠基人。瑞士的伯努利(16671748)虚位移原理。瑞士的欧拉(17071783)著出力学用微分方程研究。法国达朗伯(17171785)名著动力学专论达朗伯原理。法国拉格朗日(17361813)提出第二类拉格朗日方程。,绪 论,返回,亚里斯多德Aristotle,384B.C.322B.C.,主要贡献,亚里士多德是古代世界最伟大的哲学家和科学家，他创立了几乎丰富了每个哲学领域的形式逻辑学，对科学做

6、出了许多贡献。倡导研究问题的理性主义方法。他的态度是人类生活和社会的每个方面都可以是思维和分析的合适对象：宇宙的运动是受理性定理所支配；人类应该对自然世界的每个方面都进行系统的研究；得出结论的过程中既要利用实验观察又要利用逻辑推理。这一套方法与传统主义、迷信主义和神秘主义相对立，对西方文明有着深刻的影响。,返回,阿基米德 Archimedes（公元前287年-公元前212年）,古希腊著名学者，数学家、物理学家、发明家和军事工程师。阿基米德在科学的许多方面都有卓越的贡献。在力学方面的成就尤为突出，是公认的古代最伟大的力学家。,主要贡献,欧拉 Euler LonHard（-）,瑞士数学家及自然科学

7、家。欧拉是18世纪数学界最杰出的人物之一，他不但为数学界作出贡献，更把数学推至几乎整个物理的领域。,伽利略像Galileo（1564-1642）,伟大的意大利物理学家和天文学家，现代科学之父。历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。,主要贡献,牛顿Isaac Newton(16421727),大自然和他的规律隐匿在黑暗中上帝说：“让牛顿出生吧!”于是一切都光明了。普柏,那里雕像耸立着，是面容肃穆而沉默的牛顿这大理石标志的心灵在奇妙的思维之海上航行永远，永远 华滋华斯,主要贡献,自然哲学的数学原理最早版本,返回,拉格朗日

8、 Lagrange（1736-1814）,法国数学家、力学家及天文学家。只有18岁的他就以纯分析的方法发展了欧拉所开创的变分法，奠定变分法之理论基础。发表大量有关变分法、概率论、微分方程、弦振动及最小作用原理等论文。,返回,经典力学发展简史,牛顿前:最古老的学科;天工开物“;天文观察:历法;第谷牛顿:宏观世界 数量化的因果关系;机械唯物论试图解释一切事物现代:爱因斯坦;牛顿力学的局限性;在适用范围内仍然有效 新发展:航天 多体 新材料.,返回,五、理论力学现代教学研究,CAI教学，多媒体教学等。,绪 论,返回,学习要求,课堂严禁玩手机，要求：关闭，收起来！必须听课（确有理由要请假）出勤。缺勤次

9、数多（连续23次以上），后果自负不迟到、早退不得在课堂看其它资料、吃东西、睡觉等按时交作业，要求作业干净、整齐、规范，特别是做图认真。保持课堂安静,考核办法（暂定）,平时：30，包括出勤、作业、期中测验等期末：70,诀窍理解概念掌握方法灵活应用,绪 论,THANK YOU,返回,杠杆理论，认为：距支点距离较大的力容易移动重物认为：运动不是存在于事物之外，而是存在于事物之中认为：“体积相等的两个物体，较重的下落得较快。”他还说，物体下落的快慢精确地与它们的重量成正比。他的思辨技巧和研究方法（尤其是它的分类思想）是西方科学研究方法的源头。对力的认识错误，成为教会教义的理论依据，压抑了人类的思想和科

10、学创新的步伐达2000年，成为中世纪黑暗的根源,1 他把杠杆端点的重物的运动分解为切向 运动和法向运动两部分。他称切向运动为合乎自然的运动，而把法向运动称为违反自然的运动。2 见亚里士多德的专著物理学,返回,现象：自行车轮在运动过程呈何现象?演示：自行车轮在运动中,为什么上半部轮辐模糊,下半部轮辐清晰.分析：运动学知识告诉我们,当自行车轮在运动中时,可作为刚体作平面运动来分析.车轮在滚动过程中不打滑,可作为纯滚动处理.车轮与地面接触点速度为零,称为速度瞬心,以速度瞬心作车轮的速度分布图(见右图),可见车轮上半部速度大,下半部轮速度小.速度大轮辐模糊,速度小轮辐清晰.,返回,现象：知道直升飞机尾

11、桨吗?演示：直升飞机尾桨不工作时,直升飞机会作如何工作?分析：我们看到当直升飞机主桨转动时,而尾桨不转动,直升飞机机身朝主桨转动的反向转动.这是为什么呢?如果我们在直升飞机的重心上建立垂直轴ZC.根据对质心ZC轴的动量矩定理知道,此动量矩守恒,直升飞机主桨转动时,机身必朝反向转动,而当尾桨转动时会产生推力,控制机身的转动.这就是尾桨的工作功能之一.,返回,现象：知道图示筛子工作的力学原理吗?演示：当筛子工作时,筛子里的颗粒如何相对筛子运动?分析：由运动学知识分析此筛子作圆周平动,筛子上各点的速度,加速度相同.而动力学知识告诉我们由加速度引起的各颗粒的惯性力相同.当惯性力大于阻碍颗粒运动的摩擦力

12、时,颗粒相对筛子运动,这就是筛子工作的力学原理.,返回,现象：在北半球，由南向北流动的河流，为什么东岸冲刷的厉害？演示：流动的河流及哥氏惯性力分析：由于水质点沿经线方向作相对运动，哥氏惯性力垂直于子午面，河流中的其他水质点都存在同一情况。因此，河水流动偏向东岸，所以东岸冲刷的比较厉害。,返回,现象：蛤蟆夯的动力学分析 演示：蛤蟆夯的运动分析：蛤蟆夯是建筑工地上用来夯实地面的一种小型施工机械，它在旋转的飞轮上设置偏心块，转到最高位置时带动夯体跳起，然后向前落下，这样不断的跳起再落下，从而将地面夯实。从力学分析，偏心块转到最高位时的惯性力大于夯体及飞轮重量就可带动夯体起跳，而且象哈蟆一样向前跳动。

13、（能不能分析哈蟆夯为什么不会向后跳动）。,返回,现象：四足朝天的猫翻身落地 演示：猫在翻转过程中前半身相对后半身作方向相反的圆锥运动分析：猫的空中翻身满足动量矩守恒。细致观察或用高速摄像机记录，猫在翻转过程中前半身相对后半身作方向相反的圆锥运动，当前半身转动360。时整个身体反转180。，使总动量矩保持为零。因此，四足朝天的猫由静止状态自由下落，总能翻身安全落地。,返回,现象：冰上拔河 演示：冰上拔河的现象分析：开始时两人静止，MAMB，然后用力对拉。为保持不滑倒，两人沿绳子方向滑行，其中VBVA，最后滑行到两人质量的中心点。请读者想一想是A赢还是B赢?,返回,现象：为什么现代跳高运动都采用背

14、越式 演示：背越式跳高分析：跳高运动中，人体可看成多体系统。运动员的跳高过程如忽略空气阻力，只考虑重力作用，那么质心运动轨道是一条抛物线，而身体各部分的相对运动改变不了抛物线的形状，那么初时起跳的条件决定了质心抛物线的轨迹和最高点的位置，这是与跳高高度有关的重要因素。背越式跳高，人背成弓形从杆上越过，这种姿势可能形成人从杆上过，而人体质心从杆下或杆中通过。因此，是一种比较科学的跳高姿势。,返回,现象：能用什么方法使卫星消旋 演示：卫星消旋分析：人造卫星从发射到入轨,一般都用高速自旋来保持稳定。但入轨后有的要求停止旋转，有的要求低速旋转，这就要进行消旋。利用动量矩守恒原理，在圆柱形星体外壁对称安

15、上两个等质量小球并系上等长细绳，消旋时小球被甩出，系统转动惯量增大，自旋角速度下降，起到消旋作用。,返回,现象：当平台转动时，在平台上快速运动的皮带为什么会变形？演示：转动的平台分析：转动的平台是一个非惯性参考系，在平台上快速运动的皮带要受到惯性力的作用。当平台转速较慢时，垂直作用于皮带时，科氏惯性力对皮带运动产生较大影响。当平台，皮带转动同向时，皮带变形为外凸；当平台，皮带转动反向时，皮带变形为内凹。,返回,现象：千斤顶能顶千斤能上却压不下演示：运作中的千斤顶的力学原理分析：截面为矩形的螺杆千斤顶，其结构由底座与螺杆组成。它的简化力学模型为滑块斜面模型。滑块为重物加螺杆，底座的内螺纹相当于斜

16、面。螺杆与底座两种材料的摩擦系数决定了摩擦角。只要摩擦角大于矩形螺杆的倾角，即出现力学上的摩擦自锁。那么，螺杆千斤顶在工作中通过螺纹的正向旋转，能顶起重物，而不会在重物的作用下出现反向旋转而被压下。,返回,现象：火车检修工用铁锤敲击车轮等部位后，再听听敲击声响，这是为什么？演示：铁锤敲击火车车轮分析：系统作自动振动时，振动的频率和外界激励的大小无关，而由自身的特性（质量弹性系数）决定，因此也称固有频率。工程中常利用自由振动固有频率的特性来判断系统及材料的特性。火车轮轴有损伤或有小裂纹，用肉眼往往很难发现，而用铁锤一敲，轮轴系统将产生自由振动。而损伤或有裂纹轮轴的固有频率与正常轮轴的固有频率不同

17、，听到的声音频率也就不一样。用这种方法检查隐患既简单又高效。,返回,现象：垂直升降的游艺车（火箭车）为什么心脏病高血压等病人不能易乘坐？演示：游艺车垂直升降分析：以动脉血管中的血流质点来分析，火箭车在上下加速或减速时，血流质点要受牵连惯性力的作用，血液流动势必受到一定影响，象心脏、大脑等一些与血液流动比较敏感的器官，就会感到不适，所以，患心脏病高血压等病人一般不能易乘坐。,返回,现象：摩擦力对汽车运动的作用 演示：汽车运动时的作用力分析：以汽车后轮为例。如果汽车发动机能提供足够的动力使汽车后轮转动，后轮上与地面接触点的摩擦力方向只能向前，此力给予汽车向前运动的外力，称为驱动力。那么，汽车驱动力

18、克服了地面作用在前轮上的滑动摩擦阻力，以及作用在车身上的空气阻力就可向前行驶。,返回,现象：有人乘坐越高级的轿车为什么晕车越厉害？演示：坐车晕车分析：人体或人体的一些器官都是弹性质量系统，都具有固定频率。人体心脏的固有频率在，大脑在，胃在。如果我们周围存在这些频率的振动源，引起共振，那么我们人体一定会感到不舒服。人们的晕车晕船主要和身体体质有关外还和次声有关。次声的频率为.01的低频声波，这个频率范围与人体一些器官的固有频率处于同一频段。高级轿车避振系统很好，但次声段的低频振动很难控制。相对而言，次频振动反而大，易晕车人乘坐晕的越厉害。,返回,在这5个问题中，各有两个涉及“太空梯”和月球土壤采

19、集计划，另外一个则是与减轻宇航员在开放太空中的工作负担有关。具体说来，这5个“世纪难题”分别为：宇航员专用手套（奖金为25万美元）；用于采集月球土壤的挖掘机（奖金25万美元）；从月球土壤中提取氧气的设备（奖金25万美元）；用于建造“太空梯”的缆绳（奖金20万美元）；为“太空梯”进行无线能源补给的系统（奖金20万美元,返回,返回,航母弹射器的秘密(2),返回,航母弹射器结构,阿基米德(约前287前212)是继亚里士多德之后，另一位古希腊的伟大科学家。他通过实验发现了著名的浮力原理1和杠杆原理2，是力学这门科学的真正创始人。阿基米德在其一生中有许多重大的创造发明。如制造了用水力来推动的行星仪，利用

20、杠杆原理创造了滑轮。他在亚历山大时期发明了“螺旋提水器”(水泵)。他还发明了投石炮、，大型反光镜、起重机械等,1 见阿基米德所著浮体，建立了重要的阿基米德浮体定律，即浸没在水中的物体重量的减少，等于它所排开的水的重量。也就是说，物体在液体中所受到的浮力，等于它所排开的液体的重量。2 见阿基米德的名著论平面的平衡(两卷本),返回,其主要著作有：自然哲学的数学原理和光学。牛顿在科学上的主要成就是：创立了经典力学的理论体系，包括机械运动定律和万有引力定律；提出光的微粒说，进行了光的色散等实验研究；独立于G.W.莱布尼茨发明了微积分。,牛顿的三大定律和万有引力，并不是对前人理论的简单总结，而是具有深刻

21、的科学内涵，因为他是作为一种普遍适用的理论体系，是一种公理体系，利用它，何以应用上至形体的运动描述，下至地球上小石块的运动描述。从它在对话中发表出来后，他就成为古典力学的牢固基石，成为天文、机械、土建、船舶、航空航天等各个行业的理论基础和设计依据，正是由于牛顿力学的建立，才有工业革命的出现，而从它出现到现在这近500年的历史中，它使人类的生活的方方面面如生活方式、生活质量、文化意识等都发生了完全彻底的改变，这是牛顿之前的任何一个伟人都不曾产生过的作用，所以，牛顿被认为是人类最杰出的伟大人物，其对人类的影响比耶酥还要大。,返回,他首先发现摆的等时性定律，因第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的

22、数学表达式。创建加速度概念，使动力学部分能真正建立在科学基础之上，而。确立了运动的合成原理和独立性原理。曾非完整地提出过惯性定律（但只承认园惯性定律而不承认直线惯性定律）和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。伽利略还提出过合力定律，抛射体运动规律，并确立了伽利略相对性原理1：在一个惯性系中能看到的种种现象，在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到，伽利略的相对性原理是狭义相对论两条基本原理中的一条。伽利略指出，亚里士多德,追求终极的目的因是一个无果之花,而对直接动力因的追求才是探索自然规律的光明大道。历史已经证明，追求目的因导致了中世纪的黑暗时代，而自从伽利略提出的追求动力因以后，,现代科学走上了顺利发展之路.至今已经硕果累累。,1 伽利略著，关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话。1632年,返回,由于宣传哥白尼的日心说和反对亚里士多德托勒密的地心说，大胆地批判圣经，因而被教会通缉，在逃忙15年后，被教会诱捕并投进监狱，受到长达8年的非人折磨，但布鲁诺坚信真理，绝不屈服，最后被罗马教会烧死。,返回,