Giáo trình Cơ ứng dụng - Nghề Công nghệ ô tô
1
BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TỔNG CỤC DẠY NGHỀ
GIÁO TRÌNH
MH 09: Cơ ứng dụng
NGHỀ: CÔNG NGHỆ Ô TÔ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số:...)
c
G
l
P
b
Q
B
A
a
Năm 2012
2
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN:
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có
thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và
tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích
kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
MÃ TÀI LIỆU: MH 09
LỜI GIỚI THIỆU
Để phục vụ cho học viên học nghề và thợ sửa chữa ô tô những kiến thức
cơ bản cả về lý thuyết và thực hành bảo dưỡng, sửa chữa các hệ thống trên ô tô.
Hoặc học nghề cơ khí. Tôi có biên soạn giáo trình: Cơ ứng dụng với mong muốn
giáo trình này sẽ giúp cho học sinh, sinh viên nắm vững hơn kiến thức về ô tô.
Cơ ứng dụng được biên soạn, nội dung giáo trình bao gồm ba chương:
Chương1. Cơ học lý thuyết
Chương 2. Sức bền vật liệu
Chương 3. Chi tiết máy
Mỗi Chương được biên soạn với nội dung gồm:một số các nội dung cơ bản về
cơ học lý thuyết, chi tiết máy, sức bền vật liệu.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi sai sót, tác giả
rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người đọc để lần xuất bản sau giáo
trình được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày…..tháng…. năm 2012
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Hoàng Văn Ba
3
MỤC LỤC
ĐỀ MỤC
TRANG
8
Chương 1. Cơ học lý thuyết
1.1 Các tiên đề tĩnh học
1.1.1 Tiên đề 1
8
8
1.1.2 Tiên đề 2
8
1.1.3.Tiên đề 3
9
1.1.4 Tiên đề 4
1.1.5 Tiên đề 5
1.2 Lực
1.2.1 Định nghĩa
10
11
11
11
11
12
12
13
14
15
25
29
29
30
31
32
33
34
34
34
34
34
35
35
36
37
38
38
38
40
40
40
40
1.2.2 Các yếu tố của lực
1.2.3 Biểu diễn lực
1.2.4 Một số khái niện liên quan đến lực
1.2.5 Hệ lực
1.2.6 Liên kết và phản lực liên kết
1.2.7 Hệ lực phẳng đồng qui
1.2.8 Hệ lực phẳng song song
1.3 Mô men
1.3.1 Mô men của một lực đối với một điểm
1.3.2 Mô men của một hợp lực lấy đối với một điểm
1.3.3 Điều kiện cân bằng của đòn và vật lật
1.3.4. Ngẫu lực
1.4 Chuyển động cơ bản của chất điểm
1.4.1 Những khái niện cơ bản
1.4.1.1 Chuyển động và hệ qui chiếu
1.4.1.2 Chất điểm và hệ chất điểm
1.4.2 Những đặc trưng cơ bản của chuyển động
1.4.2.1 Phương trình chuyển động của chất điểm
1.4.2.2 Quĩ đạo chuyển động của chất điểm
1.4.3 Vận tốc
1.4.4 Gia tốc
1.4.5 Một số chuyển động đặc biệt
1.5 Chuyển động cơ bản của vật rắn
1.5.1 Chuyển động tịnh tiến của vật rắn
1.5.1.1 Định nghĩa và ví dụ
1.5.1.2. Tính chất của chuyển động
1.5.2 Chuyển động quay quanh trục cố định của vật rắn
1.6 Công và năng lượng
1.6.1 Công của lực
4
ĐỀ MỤC
TRANG
40
1.6.1.1 Khái niện về công
1.6.1.2 Các biểu thức tính công
1.6.2 Công suất
40
42
1.6.2.1 Khái niện về công suất
1.6.2.2 Các biểu thức tính công suất
1.6.3 Hiệu suất cơ học
1.6.3.1 Định nghĩa
42
42
42
42
1.6.3.2 Hiệu suất của các phần tử hoạt động nối tiếp
43
1.6.3.3 Hiệu suất của dãy phần tử hoạt động nối song song.
43
Chương 2. Sức bền vật liệu
2.1 Những khái niệm cơ bản về sức bền vật liệu
2.1.1 Tính đàn hồi của vật thể
2.1.2 Hình dạng vật thể được nghiên cứu trong sức bền vật liệu
2.1.3 Biến dạng
2.1.4 Ngoại lực
2.1.5 Nội lực
2.1.6 Ứng suất
2.2 Kéo và nén đúng tâm
2.2.1 Khái niệm chung
45
45
45
45
45
45
47
49
49
49
50
50
51
2.2.1.1 Định nghĩa
2.2.1.2 Biểu đồ lực dọc
2.2.2 Ứng suất pháp trên mặt cắt ngang
2.2.2.1 Quan sát một mẫu thí nghiệm chịu kéo
2.2.2.2 Biểu diễn ứng suất pháp trên mặt cắt ngang
2.2.3 Điều kiện bền
2.2.3.1 Ứng suất cho phép và hệ số an toàn
2.2.3.2 Điều kiện bền của thanh chịu kéo nến đúng tâm
2.3.4 Liên hệ giữa ứng suất và biến dạng
2.3.4.1 Định nghĩa Huc đối với kéo nén đúng tâm
2.3.4.2 Tính độ dãn dài của thanh chịu kéo nén đúng tâm
2.3 Cắt dập
2.4 Thanh chịu xoắn thuần tuý
2.4.1 Khái niệm
2.4.1.1 Định nghĩa
2.4.1.2 Qui ước về dấu của mô men xoắn nội lực
2.4.2 Quan hệ giữa mômen xoắn ngoại lực với công suất
và số vòng quay của trục truyền
51
51
52
52
53
53
53
53
54
54
57
57
57
57
5
TRANG
ĐỀ MỤC
58
2.4.3 Ứng suất trên mặt cắt ngang của thanh tròn chịu xoắn thuần
tuý
58
58
59
59
59
2.4.3.1 Quan sát mẫu thí nghiệm
2.4.3.2 Công suất ứng suất tiếp trên mặt cắt ngang
2.4.4 Biến dạng của thanh tròn chịu xoắn thuần tuý
2.4.4.1 Định luật Húc khi trượt
2.4.4.2 Biến dạng của thanh tròn chịu xoắn
60
60
60
61
61
61
61
62
2.5 Uốn thuần tuý thanh thẳng
2.5.1 Khái niệm về uấn thuần tuý thanh thẳng
2.4.4.1 Các định nghĩa
2.4.4.2 Qui ước về dấu của mô men uấn nội lực
2.5.2 Ứng suất trên mặt cắt ngang
2.5.2.1 Quan sát mẫu thí nghiệm
2.5.2.2 Ứng suất trên mặt cắt ngang
2.5.2.3 Biểu diễn liên hệ giữa ứng suất pháp với thành phần mô
men uấn.
63
63
2.5.2.4 Ứng suất kéo nén lớn nhất
2.5.3 Điều kiện bền của dầm chịu uấn phẳng thuần tuý
66
66
66
66
66
Chương 3. Chi tiết máy
3.1 Những khái niệm cơ bản về cơ cấu và máy
3.1.1 Khái niệm về chi tiết máy
3.1.1.1 Khái niệm
3.1.1.2 Phân loại chi tiết
66
66
67
67
67
67
67
68
68
68
68
68
69
70
3.1.2 Khâu và khớp động
3.1.2.1 Khâu
3.1.2.2 Khớp động
3.1.3 Chuỗi động
3.1.4 Cơ cấu
3.1.4.1 Khái niệm về cơ cấu
3.1.4.2 Phân loại về cơ cấu
3.1.5 Máy
3.2 Cơ cấu truyền động ma sát
3.2.1 Những vấn đề chung về cơ cấu truyền động ma sát
3.2.1.1 Nguyên tắc truyền động
3.2.1.2 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
3.2.1.3 Phân loại
3.2.1.4 Lực tác dụng lên cơ cấu
6
TRANG
ĐỀ MỤC
71
71
71
72
72
72
73
73
73
74
74
74
75
76
76
76
77
78
78
78
78
79
80
80
80
80
80
80
81
81
3.2.2 Các thông số cơ bản của bộ truyền
3.2.2 .1 Các thông số hình học
3.2.2 .2. Các thông số động học của bộ truyền
3.3 Cơ cấu truyền động ăn khớp
3.3.1 Khái niện chung
3.3.1.1 Định nghĩa và phân loại
3.3.1.2 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
3.3.2 Cơ cấu bánh răng đơn giản
3.3.2.1 Quan hệ hình học của bánh răng
3.3.2.2 Các quan hệ động học
3.3.3 Hệ bánh răng có trục cố định
3.3.3.1 Kết cấu chung
3.3.3.2 Hệ bánh răng truyền động nối tiếp
3.3.3.3 Hệ bánh răng truyền động nhiều cấp
3.3.4 Hệ bánh răng hành tinh
3.3.4.1 Kết cấu
3.3.4.2 Nguyên lý truyền
3.4 CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG KHÁC
3.4.1 Cơ cấu bốn khâu bản lề
3.4.1.1 Khái niệm
3.4.1.2 Kết cấu
3.4.1.3 Nguyên lý làm việc
3.4.2 Phạm vi ứng dụng
3.5 Cơ cấu truyền động khác
3.5.1 Cơ cấu tay quay con trượt
3.5.1.1 Khái niệm
3.5.1.2 Kết cấu
3.5.1.3 Nguyên lý làm việc
3.5.1.4 Phạm vi ứng dụng
3.4.2.2 Trục và ổ trượt
7
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC CƠ ỨNG DỤNG
Mã số của môn học: MH 09
I. Vị trí, tính chất của môn học:
- Vị trí:
Môn học được bố trí giảng dạy song song với các môn học/ mô đun sau:
MH 07, MH 08, MH 10, MH 11, MH 12, MH13, MH 14, MH 15, MH 16, MĐ 17,
MĐ 18, MĐ 19.
- Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc.
II. Mục tiêu của môn học:
- Trình bày được các khái niệm cơ bản trong cơ học ứng dụng.
- Trình bày được phương pháp tổng hợp và phân tích lực.
- Phân tích được chuyển động của vật rắn.
- Tính toán được các thông số nội lực, ứng suất và biến dạng của vật chịu kéo,
nén, cắt, dập, xoắn, uốn của các bài toán đơn giản.
- Chuyển đổi được các khớp, khâu, các cơ cấu truyền động thành các sơ đồ
truyền động đơn giản.
- Trình bày được các cấu tạo, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng dụng của
các cơ cấu truyền động cơ bản.
- Tuân thủ đúng quy định về giờ học tập và làm đầy đủ bài tập về nhà.
- Rèn luyện tác phong làm việc nghiêm túc, cẩn thận.
8
CHƯƠNG 1. CƠ HỌC LÝ THUYẾT
MH 09-01
Mục tiêu:
- Trình bày được các tiên đề, khái niệm và cách biểu diễn lực; các loại liên kết
cơ bản.
- Trình bày được phương pháp xác định các thông số động học và động lực
học.
- Phân tích được chuyển động của vật rắn.
- Tuân thủ các quy định, quy phạm về cơ học lý thuyết.
Nội dung:
1.1 CÁC TIÊN ĐỀ TĨNH HỌC
1.1.1 Tiên đề 1 (tiên đề về hai lực cân bằng)
Điều kiện cần và đủ để hai lực cân
bằng là chúng có cùng đường tác dụng,
hướng ngược chiều nhau và có cùng cường
độ.
r
r
r
r
a)
F + F = 0 Hay F = - F
1
2
1
2
Hai lực như thế còn được gọi là hai lực
trực đối. (hình 1.1a) cho ta hình ảnh về vật rắn
cân bằng chịu kéo và (hình 1.1b) là vật rắn
cân bằng chịu nén.
b)
Tiên đề 1 nêu lên một hệ lực cân bằng
chuẩn giản đơn nhất. Khi cần xác định hệ lực
đã cho có cân bằng hay không ta tìm cách
biến đổi để chứng minh nó có tương đương
với hai lực cân bằng hay không.
Hình 1.1
Ví dụ: Một vật nặng có trọng lượng P
được treo bằng một sợi dây không giãn, một đầu
cố định. (hình 1.2)
Vật này chịu tác dụng của hai lực cân
bằng:
r r
P + T = 0
Hình 1.2
1.1.2 Tiên đề 2 (tiên đề thêm bớt lực)
Tác dụng của hệ lực không thay đổi nếu ta thêm vào hoặc bớt đi một cặp
lực cân bằng.
Như vậy: Nếu (F,F ) là hai lực cân bằng thì:
r r r r
(F ,F ,...,F ) Û (F ,F ,...,F ,F,F )
r r
r
r r r
n
n
1 2
1 2
9
r r
Hoặc nếu hệ có hai lực F ,F cân bằng nhau thì:
1 2
r
r r
r r
1 2
r r r
n
(F ,F ,...,F ) Û (F ,F ,...,F ,F,F )
n
1 2
Tiên đề này cho ta hai phép biến đổi cơ bản là thêm vào một cặp lực cân
bằng và bớt đi một cặp lực cân bằng.
* Hệ quả 2.1 (Định lý trượt lực): Tác dụng của lực không thay đổi khi ta
trượt lực trên đường tác dụng của nó.
r
F
Chứng minh: Giả sử có một lực
tác
dụng lên vật tại điểm A. Theo tiên đề 2, trên
đường tác dụng của lực F, tại điểm B, ta đặt
r r
vào đó hai lực cân bằng F ,F . Các lực này có
1 2
cùng cường độ với lực F. Như vậy ta có:
a)
b)
c)
r
r r r
F Û (F,F ,F )
1 2
r
r
Nhưng hai lực F và F lại tạo thành hệ hai lực
1
cân bằng và do đó, theo tiên đề 2 ta lại bớt hai
lực này đi. Vậy, ta có: F = F2
Từ định lý trên ta thấy điểm đặt không
giữ vai trò gì trong việc mô tả tác dụng của
lực lên vật rắn.
Chú ý: Tính chất trên chỉ đúng với vật
rắn tuyệt đối. Với vật rắn biến dạng khi thay
đổi điểm đặt thì ứng xử của biến dạng trong
vật sẽ thay đổi.
Hình 1.3
* Hệ quả 2.2 (Định lý về hợp lực của hệ): Khi hệ lực cân bằng thì một lực
bất kỳ của hệ lực ấy sẽ là lực trực đối với hợp lực của các lực còn lại.
r
r r
r
r
r
R =
Chứng minh: Cho hệ lực (F ,F ,...,F ) = 0 đặt
( F ,...,F ) ta có:
n
2
n
1 2
r
r r
r
r r
r
F
R
(F ,F ,...,F )= (F ,R) = 0, có nghĩa là 1 là lực trực đối với (hình
1 2
n
1
r
r
r
F
1.3) hay 1 là lực trực đối với hợp lực của các lực (F ,...,F ))
2
n
1.1.3 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 ấy và được biểu diễn bằng vectơ đường chéo hình bình hành mà hai
cạnh là hai vectơ biểu diễn các lực đã cho.
Hợp lực của hai lực có cùng điểm đặt là một lực đặt tại điểm đó, có trị số,
phương chiều được xác định bởi đường chéo của hình bình hành mà hai cạnh là hai
lực thành phần.
10
Như vậy, nếu gọi R là hợp lực của hai
r
r
1
r
lực F và F2 cùng đặt tại đIểm O thì ta có:
r
r
1
r
R = F + F2
Về độ lớn: R2 = F21 + F22 + 2F1 F2 cosa
Trong đó: a - là góc hợp bởi F1 và F2
Tiên đề này cho ta hai phép biến đổi cơ
bản, đó là: có thể tổng hợp hai lực đồng quy
thành một lực và ngược lại có thể phân tích
một lực thành hai lực đồng quy theo quy tắc
hình bình hành.
Hình 1.4a
Hình 1.4b
* Hệ quả 3.1 (Định lý về đường tác
dụng của 3 lực đồng phẳng): Khi ba lực đồng
phẳng cân bằng, đường tác dụng của chúng
hoặc đồng quy hoặc song song.
r r r
1
(F , F2 , F3 )
Chứng minh: Cho hệ
(hình 1.5)
= 0.
r
r
F
F
Nếu 1 //
đường tác dụng của chúng
2
đồng quy (giả sử tại A). Theo tiên đề 3 ta có:
r r
r
1
r
r
r r r
(F , F , F )
(R, F )
F + F2 = R
Þ
=
= 0
Hình 1.5
3
1
2
3
r
r
R
r
R
F
Rõ ràng và
là hai lực cân bằng, vậy đường tác dụng cũng phải
3
qua A. Như vậy đường tác dụng của cả ba lực đều đồng quy tại A.
r
r
r
r
r
F
R = F + F2
F
Nếu 1 //
thì
cũng song song với chúng. Ta có:
2
1
r r
r r
R// F
F // F // F
tức là 3 . Định lý đã
r r r
(F , F , F )
r
r
r
(R,F )
= 0 Û
= 0 hay
3
3
1
2
3
1
2
được chứng minh.
1.1.4 Tiên đề 4 (tiên đề tác dụng và phản tác dụng)
Lực tác dụng và lực phản tác dụng giữa hai vật là hai lực có cùng cường
độ, hướng ngược chiều nhau và có cùng cường độ.
* Chú ý rằng lực tác dụng và lực phản tác dụng không phải là hai lực cân
bằng vì chúng không cùng tác dụng lên một vật.
11
* Các tiên đề trước chỉ xét các lực tác
dụng lên một vật nhưng trong thực tế ta
thường phải giải quyết những bài toán cân
bằng của nhiều vật có liên quan với nhau.
Tiên đề 4 cho ta cơ sở để chuyển từ bài
toán cân bằng một vật sang bài toán cân bằng
của nhiều vật.
Hình 1.6
1.1.5 Tiên đề 5 (tiên đề hóa rắn)
Khi vật biến dạng đã cân bằng thì hóa rắn lại nó vẫn cân bằng..
* Tiên đề này coi một vật rắn biến dạng đang cân bằng là vật rắn cân
bằng. Vì vậy những điều kiện cân bằng của vật rắn cũng là những điều kiện cần
(nhưng không đủ) của vật rắn biến dạng cân bằng.
* Tiên đề này là cơ sở để giải quyết một phần các bài toán cân bằng của
vật rắn biến dạng cân bằng.
1.2 LỰC
1.2.1 Định nghĩa
Mọi vật đều nằm trong sự tương tác. Một vật nằm trên bàn chịu sự tương tác
qua lại giữa vật đó với mặt bàn. Một viên bi đang lăn trên mặt phẳng nghiêng chịu sự
tương tác qua lại giữa viên bi và mặt phẳng nghiêng đó...vv.
Trạng thái cân bằng hay chuyển động của một vật thể phụ thuộc vào sự tác
dụng tương hỗ giữa nó với các vật thể khác.
Đại lượng biểu thị cho sự tác dụng tương hỗ đó được gọi là lực.
Định nghĩa: Lực là đại lượng đặc trưng cho sự tương tác cơ học giữa các vật
thể, là nguyên nhân gây ra sự biến dạng và làm biến đổi chuyển động của các vật
thể.
Chẳng hạn như trọng lực (lực trọng trường) là do trái đất tác dụng lên vật và
làm cho vật rơi hoặc có xu hướng rơi theo phương thẳng đứng.
1.2.2 Các yếu tố của lực
Từ định nghĩa về lực ta thấy xác định lực cần phải căn cứ vào những biến đổi
động học mà do nó gây lên. Quan sát tác dụng của lực ta thấy lực được xác định bởi
ba yếu tố sau:
* Phương và chiều của lực: Bất kỳ một lực nào khi tác dụng vào một vật đều
có một phương, chiều (hướng) nhất định. Chẳng hạn như lực ma sát cùng phương,
ngược chiều với chuyển động, trọng lực hướng về tâm trái đất. Đường thẳng theo đó
lực tác dụng lên vật gọi là đường tác dụng của lực (hay còn gọi là giá).
12
* Điểm đặt của lực: Là điểm trên vật mà tại đó lực tác dụng vào vật. Trong
thực tế, sự tương tác giữa các vật thể với nhau thường là tương tác đường hay tương
tác mặt (lực mang tính chất phân bố, không tập trung). Trong trường hợp đó, người
ta thường thay thế bằng một lực tương đương gọi là hợp lực của hệ lực.
* Cường độ của lực (Còn gọi là trị số của lực, độ lớn của lực): Biểu thị độ
mạnh yếu của sự tương tác, thể hiện ở mức độ làm biến đổi chuyển động và biến
dạng của vật thể.
Đơn vị của lực: Trong bảng đơn vị hợp pháp lực được đo bằng Niutơn (N )
Thiết bị đo cường độ của lực gọi là lực kế.
Trong kỹ thuật người ta còn dùng đơn vị của lực là : Kilogam lực (KG ).
Một số đơn vị dẫn suất của lực thường gặp là: Ki-lô-Niutơn (KN).
1 KN = 1000 N.
1.2.3 Biểu diễn lực
Lực là một đại lượng véc tơ. Người ta biểu
diễn véc tơ lực bằng một đoạn thẳng có hướng AB
r
Kí hiệu: AB = F
Điểm gốc A hoặc điểm mút B là điểm đặt
của lực.
Đường thẳng chứa véc tơ lực gọi là đường
tác dụng của lực.
Mũi tên chỉ chiều tác dụng của lực.
Hình 1.7
Độ dài đoạn AB biểu thị cường độ của lực
1.2.4 Một số khái niện liên quan đến lực
Lực là đại lượng biểu thị tác dụng cơ học của
vật thể này lên vật thể khác. Lực là một đại lượng có
hướng, qua thực nghiệm người ta đã xác định được
lực có các yếu tố đặc trưng sau:
- Điểm đặt của lực: là điểm mà vật nhận được
tác dụng cơ học từ vật khác.
- Phương, chiều của lực: là phương, chiều
chuyển động của chất điểm (vật có kích
thước bé) từ trạng thái cân bằng khi chịu tác
dụng của lực ấy.
Hình 1.8
- Cường độ của lực: là đại lượng xác định độ mạnh hay yếu của lực, xác định
bằng cách so với một lực chuẩn gọi là lực đơn vị. Đơn vị của lực là Niutơn, ký hiệu
là N.
Lực được biểu diễn bằng một vectơ như hình 1-1, gọi là vectơ lực. Vectơ lực
có những đặc trưng sau:
13
- Điểm đặt (A) của vectơ là điểm đặt của lực.
- Phương, chiều của vectơ lực trùng với phương, chiều của lực.
- Độ dài a của vectơ biểu diễn cường độ của lực.
Vectơ lực thường được ký hiệu là , hoặc .
Đường thẳng DE chứa vectơ lực được gọi là đường tác dụng của lực.
1.2.5 Hệ lực
1.2.5 .1 Khái niệm về hệ lực
Mọi vật đều tồn tại trong sự tương tác lẫn
nhau, có những tương tác do tiếp xúc, tương tác
từ xa.... Trong thực tế một vật có thể chịu tác
dụng đồng thời của nhiều lực có phương chiều,
điểm đặt cũng như cường độ khác nhau. Chẳng
hạn như một vật có khối lượng m kg đang trượt
trên một mặt phẳng nghiêng sẽ chịu tác dụng của:
Hình 1.9
Trọng lực, phản lực pháp tuyến do mặt phẳng nghiêng tác dụng lên, lực ma
sát giữa vật với mặt phẳng nghiêng, lực phát động, lực quán tính...(Hình 1.9)
Định nghĩa: Tập hợp các lực cùng đồng thời tác dụng lên một vật rắn gọi là
hệ lực.
1.2.5 .2 Các loại hệ lực phẳng
Căn cứ vào phương chiều, số lượng vị trí
của các lực cùng tác dụng lên một vật thể mà
người ta chia ra làm các loại hệ l ực sau :
+ Hệ lực phẳng: là hệ lực mà các lực thành
phần có đường tác dụng cùng nằm trên một mặt
phẳng (hình 1.10).
+ Hệ lực song song: là hệ lực mà các lực
thành phần có đường tác dụng song song hoặc
trùng nhau (hình 1.11).
+ Hệ lực song song: là hệ lực mà các lực
Hình 1.10
thành phần có đường tác dụng song song hoặc
trùng nhau (hình 1.11).
+ Hệ lực đồng qui: là hệ lực mà các lực
thành phần có đường tác dụng đồng qui tại một
điểm.
+ Hệ lực tương đương: nếu có thể thay thế
hệ lực tác dụng lên vật thể bằng một hệ lực khác
mà không làm thay đổi trạng thái đứng yên hay
chuyển động ban đầu của vật thể thì hai hệ lực đó
được gọi là tương đương với nhau.
Hình 1.11
+ Hệ lực cân bằng: là hệ khi tác dụng lên một vật thể thì vật thể đó vẫn nằm
14
ở trạng thái ban đầu.
Hệ lực cân bằng còn gọi là hệ lực tương đương với không
r r
r
F ,F ,...,F
Ký hiệu :
Û 0
n
1 2
Hình 1.12
Chẳng hạn như một ô tô đang đứng yên trên đường, Ta nói rằng hệ lực gồm:
Trọng lực P, các phản lực tác dụng lên các bánh xe là hệ lực cân bằng.
Khi một vật đang chuyển động với tốc độ không đổi trên đường thì hệ lực tác
dụng lên nó cũng là hệ lực cân bằng.
1.2.6 Liên kết và phản lực liên kết
Một vấn đề đặc biệt có liên quan đến việc nhận định lực trong các bài toàn
sau này đó là vấn đề xuất hiện lực ở các mối liên kết.
Vấn đề này có giá trị thực tiễn rất quan trọng khi giải những bài toán thực tế
hay kỹ thuật.
1.2.6.1 Định nghĩa
Vật thể gọi là tự do khi nó có thể chuyển động tuỳ ý theo mội phương trong
không gian mà không bị cản trở.
Ngược lại, những vật thể mà chuyển động của chúng trong không gian theo
một hay nhiều phương bị cản trở được gọi là vật thể không tự do.
Trong cơ học, những điều kiện cản trở chuyển động của vật gọi là liên kết.
Vật gây ra sự cản trở chuyển động của vật khảo sát gọi là vật gây liên kết.
Sở dĩ có sự cản trở chuyển động là do tại các mối liên kết, vật gây liên kết đã
tác dụng vào vật khảo sát một lực làm hạn chế chuyển động của nó. Lực đó được gọi
là phản lực liên kết.
Phản lực liên kết đặt vào vật khảo sát, có cùng phương, ngược chiều với chiều
chuyển động bị cản trở.
1.2.6.2. Các loại liên kết thường gặp
a. Liên kết tựa.
Là loại liên kết mà các vật chỉ có tác dụng đỡ lấy nhau. Trong trường hợp này
, chỉ có chuyển động của vật theo phương vuông góc với mặt tiếp xúc chung của liên
kết là bị cản trở.
Phản lực là một lực hướng theo phương pháp tuyến của mặt tiếp xúc chung
của liên kết.
r
Ký hiệu : N
15
Như vậy, trong loại liên kết này chỉ có một yếu tố chưa biết đó là trị số của
lực.
a)
b)
Hình 1.13
c)
b. Liên kết dây mềm không dãn.
Trong loại liên kết này phản lực là một lực hướng dọc theo dây, chiều của nó
có xu hướng làm cho dây bị co lại, điểm đặt đặt tại vị trí liên kết giữa dây và vật
(hình1.14).
r
Ký hiệu phản lực là T .
c. Liên kết bản lề.
Có hai loại liên kết bản lề là: Gối đỡ bản lề di động và gối đỡ bản lề cố định.
* Gối đỡ bản lề di động (hình 1.15a).
Đối với loại gối đỡ này, vật tựa vừa có thể quay quanh trục bản lề vừa có thể
di chuyển song song với mặt phẳng tựa. Như thế chỉ có chuyển động của vật tựa theo
phương pháp tuyến là bị cản trở, do đó phản lực là một lực hướng theo pháp tuyến
r
của mặt tựa và đi qua tâm của bản lề. Ký hiệu là R.
Hình 1.14
Hình 1.15
* Gối đỡ bản lề cố định (hình 1.15b).
Đối với loại gối đỡ này, vật tựa có thể quay quanh trục bản lề nhưng không
thể di chuyển song song với mặt phẳng tựa. Do vậy, phản lực của nó là một lực đặt ở
r
tâm bản lề, nhưng chưa biết chiều và trị số, ký hiệu là R.
16
Để tiện cho việc tính toán, ta thường phân tích R theo hai phương vuông góc
r
r
r
với nhau là X và Y .
r
r
r
R = X + Y
Như vậy, loại gối đỡ bản lề cố định có hai yếu tố chưa biết: Trị số của hai
r
r
thành phần phản lực X và Y .
d. Nhận xét chung.
Qua việc xác định phản lực liên kết ta thấy: Trong mọi trường hợp phản lực
đều có trị số chưa biết, còn hướng của chúng trong một số trường hợp có thể biết
được. Sở dĩ như vây là vì phản lực luôn luôn có tác dụng cản trở chuyển động nên nó
phụ thuộc vào hệ lực cụ thể tác dụng lên vật.
1.2.7 Hệ lực phẳng đồng qui
1.2.7.1 Khái niệm
Hệ lực phẳng đồng qui là hệ lực mà đường tác dụng của các lực thành phần
cùng nằm trong một mặt phẳng và giao nhau tại một điểm.
Như thế, hệ lực phẳng đồng qui phân bố có tính chất đặc biệt, tuy vậy, bài
toán vật rắn chịu tác dụng bởi hệ lực phẳng đồng qui gặp khá phổ biến trong thực tế.
Chẳng hạn, nồi
hơi đặt trên bệ đỡ, tời kéo
vật nặng nhờ dây cáp vắt
qua dòng dọc. Nồi hơi, dòng
dọc là những vật rắn chịu tác
dụng của hệ lực phẳng đồng
qui.
Vì các lực có thể
trượt trên đường tác dụng
của chúng, nên một hệ lực
phẳng đồng qui có thể đưa
về một hệ lực có cùng điểm
đặt bằng cách trượt các lực
đến điểm đồng qui (hình
1.16).
Hình 1.16
Từ đây, khi nói đến
một hệ lực phẳng đồng qui
để đơn giản ta quan niệm
chúng có cùng điểm đặt.
Trong chương này ta sẽ đi
khảo sát các vấn đề cơ bản
sau:
Hình 1.17
+ Hợp một hệ lực phẳng đồng qui.
17
+ Tìm điều kiện cân bằng cho hệ lực phẳng đồng qui đạt lên một vật rắn.
Có hai phương pháp khảo sát: phương pháp hình học và phương pháp giải
tích.
Khảo sát bằng hình học là khảo sát trên phương diện véc tơ. Phương pháp này
tổng quát và gọn, lúc thực hành có thể dựa vào cách vẽ để xác định các đại lượng cần
tìm và thường cho ta những kết quả nhanh chóng, cụ thể.
Khảo sát bằng giải tích là khảo sát lực thông qua các hình chiếu trên các trục
toạ độ. Phương pháp này có giá trị thiết thực trong việc xác định chính xác các lực
cần tìm và nhất là khi việc xác định các lực không thể tiến hành bằng cách vẽ.
1.2.7.2 Khảo sát hệ lực phẳng đồng qui
a. Qui tắc hình bình hành.
Giả sử có hai lực F và F
đồng qui tại điểm O. Theo nguyên lý hình
bình hành lực, chúng ta có hợp lực là R.
Hợp lực này đặt ngay tại O và được xác
r
r
1
2
r
định bởi đường chéo của hình bình hành
r
mà hai cạnh là hai lực thành phần F và
r
1
F (hình1.18)
Hình 1.18.
2
r
r
1
r
R = F + F2
(1-1)
Công thức này biểu diễn hợp lực được xác định bằng cách cộng véc tơ, tức là
nó chỉ rõ phương của hợp lực là phương của đường chéo hình bình hành lực, độ dài
của đường chéo là trị số của hợp lực theo tỷ lệ đã chọn.
Để xác định cụ thể bằng số trị số của hợp lực, ta có thêr áp dụng các hệ thức
trong tam giác lượng. Kết quả ta được:
2
R =
+
2 + 2
.cosα
(1-2)
F1 F2 F1.F2
Các trường hợp đặc biệt:
- Nếu hai lực F1, F2 có cùng phương chiều, thì khi đó a = 0; cosa = 1;
R = F1 + F2
- Nếu hai lực F1, F2 có cùng phương ngược chiều, thì khi đó a =1800;
cosa = -1;
R = F1 - F2
- Nếu hai lực F1, F2 có phương vuông góc với nhau, thì khi đó a = 90o ;
cosa = 0;
2
2
R =
+
F1 F2
b. Phân tích một lực thành hai lực đồng qui.
Trong thực tế nhiều khi ta gặp những bài toán ngược lại: Biết lực R và cần
r
r
r
phân tích lực đó ra thành hai thành phần F và F2 theo hai phương x, y cho trước.
1
18
Muốn vậy, từ đầu mút của R ta lần lượt kẻ hai đường thẳng song song với hai
phương x, y cho trước, giao của hai đường thẳng vừa kẻ với x, y chính là điểm mút
r
1
r
r
F + F2 = R
của các lực thành phần F, F mà ta cần tìm:
Ví dụ: Một vật có khối lượng m = 30kg treo trên hai sợi dây đối xứng nhau
qua phương thẳng đứng và hợp với nhau góc a = 60o (H1.19). Hãy xác định lực tác
dụng lên mỗi dây
Bài giải:
Trọng lực P của vật hướng theo
phương thẳng đứng xuống dưới. Ta phân tích
P làm hai thành phần F1 và F nằm trên
r2
r
phương các sợi dây AB và AC. F và F2 chính
1
là các lực thành phần mà vật nặng tác dụng
lên mỗi dây đó.
Theo công thức (1-2), ta có:
2
P =
+
2 + 2
.cos60o
F1 F2 F1.F2
Hình 1.19
Vì vật P treo đối xứng với hai dây nên
F2 F, Do đó:
F1
=
=
1
P = F 2 + F 2 + 2F 2. = F 3
2
P
P 3
Hay:
F =
=
3
3
Hình 1.20
Mà P = m.g = 30.10 = 300 N Do
đó: F = 173,2 N
c. Qui tắc đa giác lực.
Nếu có hai lực đồng qui, ngoài qui tắc hình bình hành lực đã trình bày ở trên
ta còn xác định được hợp lực R bằng phương pháp đa giác lực như sau:
r
1
r
Từ đầu mút của F ta đặt nối tiếp véc tơ song song và bằng F2 (véc tơ này
r
r
cũng ký hiệu là F2 ), sau đó ta vẽ R là véc tơ có gốc và mút là gốc và mút của đường
gãy khúc F , F2 . Rõ ràng ta vẫn được:
r
r
1
r
r
1
r
R = F + F2
r
1
F
Đường gãy khúc trong đó các lực
đặt nối tiếp nhau gọi là tam giác lực. Véc
tơ R đóng kín tam giác lực được lập bởi
,
r
F2
r
1
r
F
,
r
F
.
a)
2
Qui tắc này được gọi là qui tắc
tam giác lực, dùng nó rất tiện lợi sau này.
Nếu có nhiều lực phẳng đồng qui, giả
r
r
r r
sử có bốn lực phẳng đồng qui F , F2 , F3 , F4
1
19
(hình 1.21a). Ta tiến hành hợp lần lượt:
r
r
r
+ Đầu tiên F và F2 cho ta hợp lực R1
b)
1
r
r
1
r
R1 = F + F2
đặt tại O:
Hình 1.21
r
F
2
r
1
r
F
Véc tơ R 1 đóng kín tam giác lực lập bởi các lực và
.
r
r
r
Hợp lực R1 và F3 ta được R2 cũng đặt tại O:
r
r
r
r
1
r
r
R2 = R1 + F3 = F + F2 + F3
r
r
r
R2 đóng kín tam giác lực lập bởi các lựcR1 và F3 tức là cũng đóng kín đường
r
1
r
2 r
r
3
F
F F
, .
gãy khúc lập bởi
,
r
r
+ Cuối cùng hợp R2 và F4 ta được hợp lực R đặt tại O
r
r
r
r
1
r
r
r
R = R2 + F4 = F + F2 + F3 + F4
r
R
n
r
Fi
Hay gọn hơn:
=
å
r r
F F F F
r r
r
Véc tơ R đóng kín đường giã=y1 khúc được lập bởi các lực
,
2 , ,
1
3
4
Đường gãy khúc trong đó các lực đặt nối tiếp nhau (thứ tự mút lực này trùng
với gốc lực kia) gọi là đa giác lực.
Vậy, hợp lực của một hệ lực phẳng đồng qui là một lực có điểm đặt là điểm
đồng qui và được xác định bằng véc tơ đóng kín đa giác lực lập bởi các lực đồng qui
đó.
d. Điều kiện cân bằng của hệ lực phẳng đồng qui.
Từ cách hợp lực của hệ lực phẳng đồng qui theo qui tắc đa giác lực ở trên, ta
thấy: Hợp lực biểu diễn bằng véc tơ đóng kín đa giác lực của hệ lực đã cho. Do đó,
hợp lực chỉ bằng không khi đa giác lực tự đóng kín.
Vậy, điều kiện cần và đủ để cho một hệ lực phẳng đồng qui tác dụng lên một
vật rắn được cân bằng là đa giác lực của hệ phải tự đóng kín.
1.2.7.3 Khảo sát hệ lực phẳng đồng qui bằng giải tích
Tất cả những vấn đề hợp lực hay tìm điều kiện cân bằng của vật rắn dưới tác
dụng của các lực đều có thể dùng cách chiếu các lực đó lên một hệ trục toạ độ rồi lập
những công thức tổng quát.
Phương pháp tính toán như thế gọi là phương pháp giải tích.
a. Chiếu một lực lên hai trục toạ độ.
r
Giả sử có lực F hợp với trục x một góc nhọn α (hình 1-22). Gọi X và Y là
r
hình chiếu của F lên trục x và y, ta có:
X = ± Fcosα;
Y = ± Fsinα;
Trong các biểu thức trên ta sẽ lấy dấu (+) khi đi theo chiều dương của trục, thì
ta lần lượt gặp hình chiếu gốc rồi đến hình
chiếu mút của lực (hình 1-22a) và lấy dấu
y
y
(-) trong trường hợp ngược lại (hình1.22b)
Nếu góc giữa phương của lực và
chiều dương của trục đã cho là góc nhọn thì
hình chiếu của lực lên trục đó là dương.
F
F
Y
Y
α
α
o
o
x
x
X
X
a)
b)
20
Trường hợp lực song song với trục thì hình chiếu của lực lên trục đó bằng trị
số lực và lấy đấu cộng hay trừ tuỳ theo góc giữa phương của lực với chiều dương của
trục là 00 hay 1800 , nếu lực thẳng góc với trục thì hình chiếu của nó lên trục bằng
không.
r
Mặt khác, nếu biết hai hình chiếu X và Y của lực F ta cũng có thể xác định
được lực F một cách dễ dàng. Về trị số:
r
F = X 2 + Y 2 + 2XYosα
Trong đó: α là góc hợp bởi hai phương của hai hình chiếu X và Y.
Thí dụ : Xác định hình chiếu của lực F = 500N lên một hệ trục toạ độ vuông
góc xoy trong hai trường hợp như ở hình1.22. Cho biết α = 30o.
Bài giải:
r
- Khi lực F đặt như ở hình 1-22a.
Ta có:
X = Fcosα = 500cos300 = 500.0,866 = 433N.
Y = Fsinα = 500sin300 = 500.0,5 = 250N.
r
- Khi lực F đặt như ở hình 1-22b.
Ta có: X = - Fcosα = - 500cos300 = - 500.0,866 = - 433N
Y = - Fsinα = - 500sin300 = - 500.0,5 = - 250N.
b. Xác định hợp lực của một hệ lực phẳng đồng qui bằng giải tích.
r
r
r
r
Giả sử có hệ lực phẳng đồng qui (F , F2 , F3 ,... Fn ) như hình 1.23. Từ qui tắc
1
r
đa giác lực trên ta biết hệ lực này có một hợp lực R đặt tại điểm đồng qui , có véc tơ
n
r
R
r
i
F
bằng tổng hình học các véc tơ lực thành phần:
=
å
i=1
Nhưng theo định lý hình chiếu: hình chiếu của véc tơ tổng hợp bằng tổng đại
số hình chiếu các véc tơ thành phần.
Nếu ta gọi hình chiếu của
r
r
r
r
các lực thành phần F , F2 , F3 ,... Fn là X1,
1
Y1, X2, Y2, ...,Xn, Yn thì các hình chiếu
Rx, Ry lên các trục bằng:
n
R = X + X + ... + X = å
X i
x
1
2
n
n
i=1Yi
R = Y + Y +... + Y = å
y
1
2
n
i=1
Hai biểu thức này cho phép ta xác
định được hình chiếu của hợp lực theo
hình chiếu của các lực thành phần.
Xác định được hình chiếu của hợp
Hình 1.23
lực, kết hợp với các công thức trên, ta có
r
thể xác định được véc tỏ hợp lực R của
hệ lực phẳng đồng qui một cách dễ dàng.
Về trị số:
R = Rx2 + Ry2
Về phương chiều:
Ry
R
Rx
Cosα =
;
Sinα =
;
R
Tải về để xem bản đầy đủ
86 trang
09/01/2024
4540
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ ứng dụng - Nghề Công nghệ ô tô", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_co_ung_dung_nghe_cong_nghe_o_to.pdf
