本书全面清晰地介绍了工程力学课程的理论和应用，讲解透彻、习题丰富。本书分为静力学与材料力学两部分，静力学部分包括一般原理，力矢量，力系的合成，刚体的平衡，结构分析,重心、形心与惯性矩；材料力学部分包括应力与应变，材料的力学性能，轴向载荷，扭转，弯曲，横向剪切，组合受力，应力变换和应变变换，梁与轴的设计，梁与轴的位移，压杆稳定。本书可作为普通高等院校工程力学教学的教材，也可供相关科研和工程技术人员参考。
前言本书是作者已有的两本书的综合节略版, 这两本书分别是: 《静力学》第13 版和《材料力学》第9版。本书介绍这两个学科与工程领域密切相关的、常用的基本理论和应用。特别强调满足平衡和变形协调以及材料力学行为要求的重要性。
本书保留了未经节略版本的特点, 特别强调画受力图以及建立力学方程时合适坐标系的选择以及相关符号规则的重要性。全书提供了很多工程实际常用的机器元件与机构构件的分析与设计应用。
本版更新 全新习题。这一版中的习题有65%为全新的。这些习题包括许多工程领域的应用。同时, 增加了数值运算类的习题, 因此可求得广义上的解。
内容修订。教材的每一节都进行了仔细的修订。同时, 在某些领域中, 为了更好地解释相关概念, 本书对某些素材做了进一步阐述。
全新及改版的例题。为了使学生更加清晰地理解相关概念, 本书修订或强调了某些例题。在需要突出重要概念的部分, 引入了一些新的例题。
增加了部分基础题。由于关键方程和答案已经在教材后面给出, 基础题也可作为例题的延伸。在本书部分章节增加了部分基础题。
详细解答。部分概念题给出了更详细的解答, 为了更为清晰地理解过程, 增加了部分图例。同时, 对于一些比较复杂的习题, 在书后给出答案的同时也给出了相关解题线索。
全新图片。全书通过许多新图片或者升级的图片来描述相关命题与实际应用的相关性。这些图片一般用于解释相关原理如何应用于实际以及材料在载荷作用下的表现。
特色鲜明 除了上述更新的内容以外, 本书还包含下列显著特色。
组织和方法。每一章都由定义明确的节所组成, 包括特别主题的阐述、详细解析的例题以及系列的课外作业。每一节的主题都用黑体字的小标题标出。这样做的目的是在引入新的定义和概念时提供知识架构方法, 便于读者将来参考和复习。
章节目录。每一章都以展示这一章内容在广泛领域应用的图片开头。一章所列目录力图使读者对于这一章的全部内容有一个总体印象。
突出受力图。在分析和求解问题时, 正确画出研究对象的受力图至关重要, 因此全书都特别重视受力图。尤其是在静力学的有关章节中, 还对如何画受力图做了详细的介绍。相关的课外作业题也有助于扩展画受力图的能力。
分析过程。第1 章的最后介绍了分析任何力学问题的一般过程。这些步骤通常都与一些具体问题相关联, 其应用遍布整本教材。这为读者在应用理论时提供了一种合乎逻辑的和有序的方法。通过这种分析步骤求解例题可说明方法的具体应用。然而, 实际上, 当读者一旦熟悉了相关的原理并且建立起充分的信心和判断力时, 他们就会有自己的解题方法和过程。
要点。要点为每一节中最重要的概念所做的摘要和述评, 同时重点突出应用理论解决问题时应该认识和理解最关键内容。
概念的理解。为了说明一些重要概念的特性和方程中相关项的物理含义, 通过利用遍布整本教材的图片, 以一种简洁的方式给出了理论应用的实例。简化方法的运用不仅可以激励读者的兴趣, 而且可以训练读者更好地理解所列的实例, 更好地解决实际问题。
基础题。这类习题通常放在一组例题的后面。这些题给读者提供简单应用每一节中基本概念的机会,同时也为他们在后面求解标准习题前的解题训练提供条件。由于关键方程和答案已经在教材后面给出, 基础题也可作为例题的延伸。此外对于复习, 基础题是给学生最好的备考练习题目。
概念题。这类习题通常安排在全书每一章的最后, 这类习题都与这章中的基本概念有关。这些分析和设计的习题力图通过图片中描述的实际生活情景, 激励学生思考。当读者掌握了相关命题的某些专业知识后, 他们个人或者他们的团队将会工作得很好。
课外作业题。除了前面所提到基础题和概念题外, 书中还包含了以下其他类型的习题:.总体分析与设计习题。书中的多数习题所描述的都是工程实际中所遇到的真实问题。某些习题源自于实际工业产品。希望这一举措一方面能够激发学生对工程力学的兴趣, 另一方面能提供一种培养这种从物理描述到模型或符号描述的建立力学模型技能的方式。
全书中使用国际单位制(SI) 和英制(FPS) 单位的习题大约各占一半。除了一章末尾用于复习的习题随机排列外, 我们试图按照难度的增加编排某些习题。对于具有简单编号的习题在书后均附有答案。而对于每四道题中有一道题的题号之前附有星号(. ) 的这些习题, 都没有给出答案。
.计算机作业题。我们试图编写若干采用数值方法在台式机或袖珍程序计算器上完成的习题。意图是使学生应用其他节省时间的数学分析方法, 将焦点集中在研究力学原理的应用上面。
准确性。除了本书作者外, 还有4 位对全书的课文和习题进行了校对, 他们是: 弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学的Scott Hendricks; 南佛罗里达大学的Karim Nohra; 劳雷尔技术一体化出版服务公司的Kurt Norlin,; 最后是从事实际工作的工程师Kai BengYap。
内容安排 全书分为两部分, 包含了传统的全部内容。
静力学。静力学内容安排了6 章。课文的第1 章为力学导论以及关于单位制的讨论。第2 章介绍矢量的概念以及汇交力系的性质。第3 章包括力系的一般性讨论以及力系的简化方法。第4 章研究刚体的平衡原理, 并且在第5 章将其应用于解决包括桁架、框架以及机械平衡等方面的专门问题。关于重心、形心和惯性矩等命题在第6 章中讨论。
材料力学。这一部分在教材中共有11 章。第7 章所讨论的包括正应力和切应力的定义、轴向载荷作前言 Ⅴ用杆件中的正应力、剪切引起的平均切应力, 以及正应变和切应变的定义。第8 章讨论了材料的某些重要力学性能。第9、10、11 和12 章分别研究轴向载荷、扭转、弯曲和横向剪切问题。第13 章在回顾前面几章的基础上给出了组合载荷作用下的应力分析。第14 章提供了应力与应变变换的概念。为了进一步巩固以前学习的内容, 第15 章介绍了通过许用应力设计梁的方法。第16 章研究了计算梁挠度的不同方法, 包括确定超静定问题支座反力的方法。第17 章介绍了压杆稳定问题。
书中有关高等问题的的章节, 均以星号(. ) 标出。如果课时允许, 这些内容可引入课程教学。同时, 这些内容也可以作为其他相关课程中基本原理的参考, 或者作为某些特别课题的研究基础。
安排材料力学内容的不同方法。关于材料力学内容各个命题, 根据老师们的教学取向, 可能有不同顺序的安排。例如, 某些老师喜欢在讨论轴向载荷、扭转、弯曲和剪切的实际应用之前, 首先从讲授应力应变变换开始。这时可行的方法是, 先安排第7 章的应力和应变的概念以及第14 章的应力应变变换。第14章的讨论以及相关例题已做出相关标示, 以保证上述教学安排可以实施。而第8~13 章的安排仍然可以保持连续性。
习题。书中的数学习题描述了常见工程实际的真实情景。希望这种做法一方面能够激励学生研究问题的兴趣; 另一方面能够拓展他们将任意物理意义上的问题简化为用模型或符号表示的、可以应用基本原理的训练。
本书试图按照难度排列习题的顺序。对于每四道题中有一道题的题号之前附有星号(. ) 的这些习题没有给出答案, 其他常规习题在书后都附有答案。读者需要注意的是, 有的带星号(. ) 的习题没有公布答案。所有公布的答案都是3 位有效数字, 即使已知的材料性能数据精度较低也如此。这种简单化的做法前后保持一致, 而且可以使学生的解答得到更好精度。所有习题的解答都经过4 次独立的验算以保证正确。
致谢 多年以来, 我的同事们在教学过程中给本书提出了宝贵的意见和建议。他们具有建设性意见的鼓励和希望都是非常有价值的, 希望他们能够接受不具名的感谢。同时特别感谢静力学和材料力学书稿的评审者们, 他们的建议为本书的不断完善指出了方向。
在本书的写作阶段, 我要感谢多年以来一直担任我写作编辑的Rose Kernan 的帮助。在整理出版稿件时, 感谢我的妻子Conny 和我的女儿Mary Ann 在校对和录入方面的帮助。
同时感谢那些使用了上一版, 并对内容方面做出积极建议的学生们; 也感谢将这些建议发e-mail 给我的老师们。
无论何时, 我都将非常乐意收到您对本版的任何建议。
R. C. 希伯勒
译者序
前言
静力学
第1 章
一般原理 1
本章任务 2
1. 1 力学 2
1. 2 基本概念 2
1. 3 计量单位 4
1. 4 国际单位制 5
1. 5 数值计算 6
1. 6 一般分析过程 7
第2 章
力矢量 11
本章任务 12
2. 1 标量与矢量 12
2. 2 矢量运算 12
2. 3 力矢量的合成 13
2. 4 平面力系的合成 21
2. 5 笛卡儿矢量 29
2. 6 笛卡儿矢量的合成 32
2. 7 位置矢量 40
2. 8 沿作用线指向的力矢量 43
2. 9 点积 50
第3 章
力系的合成 63
本章任务 64
3. 1 力矩———标量形式 64
3. 2 叉积 67
3. 3 力矩———矢量形式 69
3. 4 力矩原理 73
3. 5 力对指定轴之矩 83
3. 6 力偶矩 89
3. 7 力和力偶系的简化 98
3. 8 力和力偶系的进一步简化 107
第4 章
刚体的平衡 121
本章任务 122
4. 1 刚体平衡条件 122
4. 2 受力图 123
4. 3 平衡方程 132
4. 4 二力构件与三力构件 138
4. 5 受力图 147
4. 6 平衡方程 151
4. 7 干摩擦特性 157
4. 8 考虑干摩擦的平衡问题 160
4. 9 平带上的摩擦力 173
4. 10 螺纹上的摩擦力 175
第5 章
结构分析 188
本章任务 189
5. 1 简单桁架 189
5. 2 节点法 191
5. 3 零杆 197
5. 4 截面法 203
5. 5 构架与机械 211
第6 章
重心、形心与惯性矩 229
本章任务 230
6. 1 物体的重心、质心与形心 230
6. 2 组合体 239
6. 3 分布载荷的合力 246
6. 4 面积的惯性矩 253
6. 5 面积的平行轴定理 255
6. 6 组合面积的惯性矩 260
材料力学
第7 章
应力与应变 269
本章任务 270
7. 1 引言 270
7. 2 内力的合力 270
7. 3 应力 281
7. 4 轴向载荷作用下构件横截面上均匀分布的
正应力 283
7. 5 平均切应力 289
7. 6 许用应力 300
7. 7 简单连接件的设计 301
7. 8 变形 311
7. 9 应变 311
第8 章
材料的力学性能 325
本章任务 326
8. 1 拉伸与压缩试验 326
8. 2 应力- 应变图 327
8. 3 韧性材料与脆性材料的应力- 应变
行为 330
8. 4 胡克定律 333
8. 5 应变能 334
8. 6 泊松比 342
8. 7 切应力- 切应变图 343
第9 章
轴向载荷 353
本章任务 354
9. 1 圣维南原理 354
9. 2 轴向承载构件的弹性变形 355
9. 3 叠加原理 366
9. 4 轴向载荷作用下构件的超静定问题 367
9. 5 轴向承载构件的力法分析 373
9. 6 热应力 378
9. 7 应力集中 384
第10 章
扭转 392
本章任务 393
10. 1 圆轴的扭转变形 393
10. 2 扭转公式 395
10. 3 功率传递 401
10. 4 扭转角 407
10. 5 扭转超静定问题 420
. 10. 6 非圆实心截面轴 427
10. 7 应力集中 432
第11 章
弯曲 438
本章任务 439
11. 1 剪力图与弯矩图 439
11. 2 绘制剪力图与弯矩图的图解法 446
11. 3 直杆的弯曲变形 462
11. 4 弯曲公式 464
11. 5 非对称弯曲 476
11. 6 应力集中 484
第12 章
横向剪切 491
本章任务 492
12. 1 直梁的剪切 492
12. 2 切应力公式 493
12. 3 构件的剪力流 507
第13 章
组合受力 519
本章任务 520
13. 1 薄壁压力容器 520
13. 2 由组合受力引起的应力状态 525
第14 章
应力变换和应变变换 544
本章任务 545
14. 1 平面应力变换 545
14. 2 平面应力变换的一般表达式 548
14. 3 主应力和面内最大切应力 551
14. 4 平面应力状态的莫尔圆 562
14. 5 单元体内最大切应力 572
14. 6 平面应变 579
14. 7 平面应变变换的一般表达式 580
. 14. 8 莫尔圆———平面应变 587
14. 9 应变花 595
14. 10 材料常数间的关系 597
第15 章
梁与轴的设计 611
本章任务 612
15. 1 梁的设计基础 612
15. 2 等直梁的设计 614
. 15. 3 等强度梁 627
目录 Ⅺ
第16 章
梁与轴的挠度 632
本章任务 633
16. 1 弹性曲线 633
16. 2 确定转角与挠度的积分法 636
. 16. 3 阶跃函数 648
16. 4 叠加法 656
16. 5 叠加法求解超静定梁和轴 662
第17 章
柱( 压杆) 稳定 674
本章任务 675
17. 1 临界载荷 675
17. 2 两端铰支的理想柱( 压杆) 677
17. 3 不同类型支承的柱( 压杆) 681
. 17. 4 正割公式 691
. 17. 5 非弹性屈曲 696
附录 705
附录A 数学知识回顾及相关表达式 705
附录B 常见形状的几何性质 709
附录C 工字钢截面的几何参数 710
附录D 梁的转角与挠度 713
基础题部分解题过程及答案 715
习题答案 744
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