Chương 1. Những khái niệm cơ bản trong tĩnh học Trần Chí Thành 5 Giáo trình Lực học Chương 2. Hệ lực cân bằng – Tính toán phản lực liên kết - Phần 2. Sức bền vật liệu, gồm 5 chương: Chương 3.
Những khái niệm cơ bản Chương 4. Đặc trưng hình học của mặt cắt ngang Chương 5. Kéo nén đúng tâm Chương 6. Uốn ngang phẳng Chương 7.
Thanh chịu lực phức tạp - Phần 3. Cơ học kết cấu, gồm 1 chương: Chương 8. Kết cấu siêu tĩnh Sau mỗi chương đều có câu hỏi và bài tập dành cho học sinh thực hành, ôn tập kiến thức đã học. Để giúp học sinh tham khảo các giáo trình khác thuận lợi, ký hiệu phản lực ở Phần 2 vẫn sử dụng ký hiệu phản lực VA, HA của môn Sức bền vật liệu, khác với Phần 1 và Phần 3 ký hiệu là XA, YA, RA.
Tác giả đã cố gắng tham khảo nhiều tài liệu và cập nhật những kiến thức mới nhất giúp học sinh thuận lợi trong sử dụng giáo trình học tập, nghiên cứu. Nhân dịp này, tác giả xin gửi lời cám ơn tới Vụ Tổ chức cán bộ, Ban quản lý Trung ương dự án KHCN Nông nghiệp, vốn vay ADB (Bộ Nông nghiệp và PTNT) và nhiều đồng nghiệp đã khuyến khích, động viên, giúp đỡ tác giả hoàn thành giáo trình này. Do sự phát triển quá nhanh của khoa học, kỹ thuật, công nghệ, nên mặc dù đã có nhiều cố gắng, đồng thời là lần đầu tiên biên soạn giáo trình này nên chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp xây dựng của đồng nghiệp, của học sinh – sinh viên để lần xuất bản sau giáo trình sẽ hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cám ơn. TĨNH HỌC Tĩnh học là phần nghiên cứu trạng thái cân bằng của vật rắn (vật rắn tuyệt đối) dưới tác dụng của các lực. Hai vấn đề chính được nghiên cứu trong tĩnh học là: Trần Chí Thành 6 Giáo trình Lực học 1.Thu gọn hệ lực, tức biến đổi hệ lực đã cho thành một hệ lực khác tương đương với nó, nhưng đơn giản hơn. Thu gọn hệ lực về dạng đơn giản nhất được gọi là dạng tối giản của hệ lực.
Tập hợp các dạng tối giản khác nhau của các hệ lực được gọi là các dạng chuẩn của hệ lực. Thiết lập các điều kiện đối với hệ lực mà dưới tác dụng của nó vật rắn cân bằng, được gọi tắt là các điều kiện cân bằng của hệ lực. Để giải quyết hai vấn đề trên, trong tĩnh học sử dụng phương pháp tiên đề, là phương pháp dựa trên các khái niệm cơ bản và hệ tiên đề, nhờ các suy diễn logic để tìm các quy luật của đối tượng nghiên cứu. Các khái niệm cơ bản là những khái niệm nền tảng đầu tiên để xây dựng nội dung môn học, còn các tiên đề là những mệnh đề công nhận các tính chất của các khái niệm cơ bản.
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG TĨNH HỌC 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Những khái niệm cơ bản nhất của tĩnh học là vật rắn, lực và trạng thái cân bằng. Vật rắn tuyệt đối Vật rắn tuyệt đối là vật thể không bị biến dạng trong mọi trường hợp chịu lực, tức là trong suốt thời gian chịu lực tác dụng vật vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu, hay khoảng cách giữa hai điểm bất kỳ nào của vật cũng luôn luôn không thay đổi. Trong thực tế không có vật nào là rắn tuyệt đối, mọi vật khi chịu tác dụng của lực thì hoặc biến dạng ít hoặc biến dạng nhiều.
Người ta coi vật là vật rắn tuyệt đối vì nếu những biến dạng xảy ra trong vật rắn không lớn lắm thì với phép tính gần đúng có thể coi các biến dạng đó là không đáng kể, hơn nữa nếu coi vật là rắn tuyệt đối thì việc tính tóan trong quá trình khảo sát vật sẽ đơn giản hơn nhiều. Vì vậy, vật rắn tuyệt đối chính là vật thể đàn hồi được lý tưởng hóa bỏ qua biến dạng. Những trường hợp xem vật là rắn tuyệt đối không đủ để giải quyết vấn đề, khi đó phải kể đến biến dạng, và trở thành phạm vi nghiên cứu của giáo trình Sức bền vật liệu. Trần Chí Thành 7 Giáo trình Lực học Từ đây, nếu không có lưu ý gì, vật khảo sát được hiểu là vật rắn tuyệt đối, và gọi tắt là vật rắn.
Trạng thái cân bằng Mọi vật rắn nghiên cứu trong tĩnh học đều cân bằng. Vật rắn được gọi là cân bằng khi vị trí của nó không thay đổi so với vị trí của một vật nào đó được chọn làm chuẩn gọi là hệ quy chiếu. Trong tĩnh học, hệ quy chiếu được chọn là hệ quy chiếu trong đó tiên đề quán tính được thỏa mãn, nó được gọi là hệ quy chiếu quán tính. Vấn đề này được trình bày chi tiết trong các giáo trình phần Động lực học.
Cân bằng đối với hệ quy chiếu quán tính được gọi là cân bằng tuyệt đối. Vật lý học hiện đại đã chứng minh rằng không tồn tại hệ quy chiếu quán tính. Do vậy, chỉ có thể chọn các hệ quy chiếu gần đúng hệ quy chiếu quán tính. Trong kỹ thuật, hệ quy chiếu quán tính gần đúng đựơc chọn là trái đất.
Vật rắn được gọi là cân bằng đối với một hệ quy chiếu nếu nó đứng yên hay chuyển động thẳng đều đối với hệ quy chiếu đó. Có thể coi vật cân bằng là vật nằm yên hoặc chuyển động thẳng đều đối với trái đất. Định nghĩa về lực Trong thực tế, các vật thể luôn luôn tác động tương hỗ lẫn nhau. Vì thế khi khảo sát chuyển động của vật ta không thể bỏ qua ảnh hưởng của những vật xung quanh tác dụng lên vật đó.
Chẳng hạn trái đất hút mặt trăng làm cho mặt trăng chạy vòng quanh trái đất thì ngược lại mặt trăng cũng hút trái đất do đó có hiện tượng thủy triều; vật đặt trên bàn tác dụng lên bàn một sức ép, ngược lại bàn cũng đặt lên vật một lực đỡ giữ cho vật khỏi rơi. Chính tác dụng tương hỗ giữa các vật đó gọi là lực, nó là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc của vật (hay còn nói làm thay đổi trạng thái động học của vật). Như vậy có thể định nghĩa: Lực là tác dụng tương hỗ giữa các vật mà kết quả là gây nên sự thay đổi trạng thái động học của các vật đó. Nói gọn hơn: Tác dụng tương hỗ cơ học được gọi là lực.
Hay: Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng cơ học của vật thể này lên vật thể khác. Hay: Lực là bất cứ tác động nào có thể làm thay đổi trạng thái tĩnh hoặc động của một vật thể. Có thể nhận ra được sự tồn tại của một lực nhờ vào những tác động mà lực tạo ra. Người ta ứng dụng lực nhờ vào sự tiếp xúc trực tiếp về vật lý giữa các vật thể Trần Chí Thành 8 Giáo trình Lực học hoặc nhờ vào tác động từ xa.
Trọng lực, điện lực và lực từ trường đều được ứng dụng thông qua tác động từ xa, còn hầu hết những lực khác đều được ứng dụng nhờ vào sự tiếp xúc trực tiếp. Cũng cần lưu ý có những tác dụng tương hỗ gây nên các biến đổi động học không phải là dễ thấy, như quá trình điện từ, hóa học …Cơ học không nghiên cứu những tác dụng tương hỗ nói chung, mà chỉ nghiên cứu những tác dụng tương hỗ gây nên những biến đổi động học mà trong đó có sự chuyển dời vị trí. Các yếu tố của lực Thực nghiệm chứng minh rằng lực được đặc trưng bởi các yếu tố sau: - Điểm đặt của lực: Là điểm mà vật được truyền tác dụng tương hỗ cơ học từ vật khác. Ví dụ, theo hình 1.
khi lực đặt ở A, vật đi thẳng; khi lực đặt ở B vật vừa chuyển động vừa quay. Điểm đặt của lực tại A và B khác nhau - Phương chiều của lực: Là phương chiều chuyển động từ trạng thái yên nghỉ của chất điểm (vật có kích thước bé) chịu tác dụng của lực. Bất kỳ lực nào khi tác dụng vào một vật đều có phương chiều (hướng) nhất định. Ví dụ, lực ma sát ngược chiều phương 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 (còn gọi là giá) - Cường độ của lực (còn gọi là trị số của lực): Là số đo tác dụng mạnh yếu của lực so với lực được chọn làm chuẩn gọi là đơn vị lực. Đơn vị lực là Niutơn, ký hiệu là N. Theo Nghị định số 134/2007/NĐ-CP, ngày 15 tháng 8 năm 2007 của Chính phủ Quy định về đơn vị đo lường chính thức của nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam, thì dùng đơn vị kilogam lực, ký hiệu là kG. Trong phép tính gần đúng có thể chọn 1 kG ≈ 10 N.
Trần Chí Thành 9 Giáo trình Lực học - Cách biểu diễn lực: Lực không những được xác định về trị số mà cả về phương, chiều và điểm đặt. Như vậy, lực là một đại lượng véctơ. Người ta biểu diễn véctơ lực bằng một đoạn thẳng có hướng AB. Ký hiệu AB = F , gốc A là điểm đặt của lực, dấu mũi tên ngang chỉ phương chiều của lực, và độ lớn của AB chỉ trị số của véctơ lực theo một tỷ lệ xích được chọn.
- Phân loại lực: Lực có thể được sắp xếp thành các loại lực phân bố và lực tập trung; ngoại lực và nội lực. Lực phân bố được sử dụng như trên một tuyến đường, một diện tích hay xuyên suốt toàn bộ thể tích. Trọng lượng của một cái dầm có thể được coi như một lực phân bố trên chiều dài của nó. Lực tập trung là một lực lý tưởng trong đó lực được thừa nhận là tác động tại một điểm.
Một lực có thể được gọi là lực tập trung nếu diện tích đặt lực tương đối nhỏ bé so với toàn bộ diện tích bề mặt của vật thể. Một lực được gọi là ngoại lực nếu nó được một vật thể này tác động qua một vật thể khác. Dưới tác dụng của ngoại lực, vật hoặc kết cấu sinh ra các lực bên trong để làm vật hay hệ vật cân bằng, các lực sinh ra bên trong vật, hay một cấu kiện gọi là nội lực. Ví dụ, trọng lực của một cái dầm và phản lực ở 2 đầu dầm là những ngoại lực.
Lực sinh ra trong dầm cân bằng với ngoại lực gọi là nội lực. Khái niệm Tập hợp các lực cùng tác dụng vào một vật rắn nào đó gọi là một hệ lực. Ký hiệu của một hệ lực: ( F 1, F 2, F 3,…. , F n là các lực thành phần của hệ lực tác dụng lên vật.