1953 力学实验指导书 青岛理工大学力学实验室编 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
内容简介 本书是为适应加强实践教学，培养创新人才的新世纪力学实验教学改革要求，根据教育部关于建设国家实验教 学示范中心的指导思想编写的非力学类专业工程力学实验教材，该书从一般高校的实验教学现状和改革要求出发， 贯穿内容先进，思想前瞻，投入小，受益而大的编写原则，不仅包含了原材料力学教学大纲规定的全部教学内容， 纳入了理论力学实验，还推出了极具特色和创新的综合设计实验。 全书按照实验性质和实验方法划分为八章，依次是：绪论：实验数据的统计处理：理论力学实验；材料力学性 质检测实验：电测应力分析实验；光测力学实验；综合设计实验：材料力学性质检测设备等，介绍的实验项目共计 30余个。其中，理论力学包括轿车千斤顶、与着力点无关的磅秤、自动套鞋机、动荷载等4个演示实验和摩擦因数 测定、微型电机效率测定、等效方法求转动惯量、自激振动等4个验证型实验：材料力学性质检测实验有金属材料 拉伸、压缩、扭转、剪切弹性模量测定、冲击、疲劳等6个实验：电测法实验有弹性模量和泊松比测定、纯弯曲正 应力、等强度梁、弯扭组合、偏心拉伸、压杆稳定等6个实验；综合设计实验有静定桁架结构设计与应力分析、超 静定桁架结构设计与应力分析、刚架组合设计与应力分析和薄壁构件拉伸等4个实验。光测力学除介绍了属于传统 光弹的三个演示实验及基本原理外，还介绍了云纹干涉、电子散斑干涉、剪切电子散斑干涉、二维数字散斑相关测 量等最新的实验技术和有关实验。书中还介绍了电测法的基本原理和仪器，并按新老兼顾的原则，介绍了拉压、扭 转、疲劳等大型耐用设备的组成原理和操作使用。 本书可作为普通高校非力学专业大学本科生的工程力学实验教学用书，也可作为力学专业本科生、工程实验技 术人员和实验教师的的参考书。 This document is produced by trial version of Print2Flash. Visit www.print2flash.com for more information
序 涵盖理论力学与材料力学内容的工程力学，对于相当多的工科专业来说，它是一门专业基础课 学习它的意义在于 工程应用的角度对于初学者建立一个从质点、刚体到简单杆系变形体的静力、 动力等力学问题基本概念和基本规律的基酣 通过工程力学课程，预期达到的热本目标是： 】、使学生把握工程力学研究问题的理论和实验方法，学会处理工程问题的技能 2、他学生学会将来工作就能够决、刘府、稳定、劳等问颗的且体做法 3 使学生莫定为了深造后续裸程所需要相应知识结构的基利 概言之，这门课程的学习在于它的基础性和实用性。基础性在于它弥补了大学物理中力学部分 所没有涉及的内容，尤其是对于工程零件、构件乃至简单结构运动学，动力学和简单变形体力学的 描述，因而为学生在后续相关课程的学习建立了重要的基础。实用性在于它当中的很多内容，已经 在工程中获得了直接的应用 王漠源教授等老师们的这本工程力学实验教程，酷准工程力学课程预期的基本目标， 兼顺它的 基础性和实用性 从实验的角度，若实 一番苦功夫，体现了凡是兼具基础性和实用性两个特点 的工程力学老师们务必注意到的如下五点： 1、恰当地处理好这两个特性的平衡，“平街的支点”如果选取不当。给学生物领的该学科的知 识结构将是不稳定的。 2、悉心，外理理论学与实验数学的比例一者比例若信重干一方学牛会丁程力学应 生误解，以为它是纯理论的学科或纯实验的学科，更失去了理论联系实际的机会 3、课程的归纳与演绎的本质认识，众所周知，理论力学主体上是演绎法体系，材料力学主体 上是归纳法体系，二者的有机的结合将展示给学生一个全面的逻辑系统。 4、实验对于滨绎体系为主的课程，多为验证和演示理论推演的结论，起到实验检验理论的作 用：对于归纳体系为主的课程，多为借助实验得到创建理论所需的基础出发点，通常是实验导致假 定的形态，起到基于 实验探索理论的作用 5、基础性与应用性兼具给我们带来的知识、能力、素质三要素的思考， 基础性课性的讲授 知识为载体，表现能力的生动作用，并使学生看到能力在知识发生的创新过程的活力，使他们的素 质也得到熏陶，这一点体现在基础性，似乎毋庸置疑，而在课程的实用性方面，往往使我们因为知 只的好用，而拖盖了对于能力与素质的重视」 如果我们注意了上述五个方面，就会发现对于培养能力和熏陶素质，工程力学具有其他课程不 可替代的作用。 在这当中， 工程力学实验课程又有其理论课程无法实现的作用 王意源敦授长期带领团队从事工程力学的教学，进行了扎扎实实的工作，他们以工程力学果程 为背景，编写了工程力学实验教程。实际上，他们选择了一项富于挑战性的任务，原因在于： 1、理论力学通常很少实验项目，而本教程在这方面着实下了不少功夫，把庄表中教授的“理 论力学创新与应用演示敏学系统”细化和落实到可以且体操作的层面。 2、材料力学以简单杆系的变形现象为主，实验项目很多，如何进行精选和提高，本课程在这 方面又做了很多工作 3、在一本教程中如何把理论力学和材料力学权衡内容比重和融通两大实脸，又是本课程烦费 思虑的问题。 4、选用L3418T材料力学综合设计实验台”为电测实验和设计创新实验服务，能够设计出数 十种桁架、刚架，压杆组合等结构形式，有利培养学生的分析能力和创新精神 5、关于断老机器的取舍问题，本课程作者也大动了脑筋。从事材料力学实验的很多新机器 由于计算机自动化的程度很高，很多功能已经被黑箱式屏被了操作者，毫无疑问这是有利于工程实 用的，然而对于初学者则不利，由于只会使用“傻瓜式的机器，肯定不利于他们均衡地增长知识、 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
能力、素质三要素，不会发挥太多的正面作用。 王谦源教授等老师们为了适应21世纪实验和创新人才培养要的求，从加强实践教学入手，在 这本工程力学实验教程中做了三个方面的努力 1、教学思想具有先进性和前瞻性，强调实践教学在创新人才培养中的重要作用，强化实验环 节，反映新的实验规范、实验技术和实验方法： 2、由单纯的验证性、演示性实验扩展到设计性、综合性或研究性实验，常规实验重视基本原 理、方法和操作，综合设计实验要有特色，易推广，且能提供比较大的创新设计空间： 3,单独为实验教学设课，不再把实验教学单纯依附于理论教学，要求开设理论教学20%的学 时的实验误 为此，他们对于材料力学的实验教学内容有了较大的调整和更新，对于理论力学的实验教学内 容开展了积极的尝试。他们在这方面的教学任务可以概括为： 】、通过实验理察，验证了工程力学的一些重要理论和原理，深化对力学理论的认识： 2、掌握材料的力学性能常规测定的设备使用方法，了解材料的变形与破坏： 3、举握应力分析 的常规方法，了解有关设备仪器的原理和使用方法 4、力求设备投入少，做到一机多用： 5、通过剖析实验误差的原因，提高力学实验的分析能力： 6、培养学生观察和发现问题的能力，严谨的作风，实事求是的态度和分工协作精神。 王漠源教授等老师1的这本工程力学实验数程的内容，按层次分为三类：一类是基型实哈 滨示性等。 学内容 二类是提高型实验，包括综合性、设计性、应用性等实验 类指具有探索性质的创新型实验 依实验性质和实验方法进行划分，本教程内容划分为如下六个方面： 1、理论力学实验：动静滑动摩擦系数测定实验，不可见轴转速测试实验，功率、转速、扭矩 关系实验，单自由度振动实验，三线摆测转动惯量实验等内容。 2、材料性质检测实验：材料拉伸、材料压缩实验，扭转实验，材料冲击、疲劳实验等 3 电测法应力分析实验： 弹性模量测定、 尊正 应才 偏心拉 组合等实验 4、光测应力分析实验：光弹、云纹干涉、电子散斑以及数字散斑相关测量三种方法的实验， 既有演示型实验，也有提高或研究型实验。 5、设计型实验：利用材料力学综合设计实验台，开展桁架、刚架、压杆组合设计实验。 6、设名仪的质理和使用介 总之，本教程努力建立 套完整、系统和先进的工程力学实验课程体系：回顾了力学实验的科 学地位，梳理了工程力学实验教学的任务、内容和方法：按实验性质和实验方法划分章节的编样体 系：细致入微地介绍相关的背景知识或发展概况，努力拓宽读者的对于力学实验的认识空间：在把 握实验教学主线的同村，尽可能反应新思粗、新技术、新方法， 鉴于王谦源教授答老师们完成的工作具有上述提到的著多优点，而目在教学内容、教学学时和 使用设备上考虑一般院校的实际情况，有较好的普遍适应性，因此值得向教授和学习工程力学、理 论力学和材料力学相应实验课程的读者们推荐本教程 隋允康 1北京工业大学校学术秀员会剧主任兼移书长，力学学利负责人.工得力学部主任，力学博士后流 动站、博 点和硕士点负责人，国家级精品课程材料力学责任教授，国家级工程力学实验教学示范 中心主任，国家级力学教学团队负责人 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.printflash.com for more information
目 录 第1章绪论 1.1实验与力学实验的地位… 1.2工程力学实验教学的任务.… 1.3工程力学实验教学的内容.… 1.4工程力学实验教学的方法. 第2章实验数据的统计处理 21概述. 2.2数据记录与计算法则 。。。4。。。。 2.3误差分析. 2.4随机误差的统计分析方法.·。 2.5数据表示方法 第3章理论力学实验. … 31概述 3.2ZME-1多功能试验台简介，. … 3.3演示实验 3.3.1轿车千斤顶… 33.2与若力点无关的磅秤. 3.3.3自动套鞋机… 3.3.4动荷载… 3.4摩擦因数测定 3.5微型电机效率测定… … 3.6等效方法求转动惯量 … 3.7自激振动.… 第4章材料力学性质检测实验 41概述… 4.2拉伸实验… This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
43压缩实验 4.4扭转实验. 45剪切弹性模量G的测定实验… 46冲击实验… 47金属疲劳实验.… 第5章电测应力分析实验. 5.1概述… 5.2应变电测原理与技术 53弹性模量和泊松比测定实验 5.4梁的纯弯曲正应力实验 55等强度梁实验…… 5.6薄壁圆筒的弯扭组合变形实验. 5.7偏心拉伸实验 5.8压杆稳定实验.…… 第6章光测力学实验 6.1光测力学的发展。 6.2光弹实验原理… 6.3光弹性基本实验.… 6.4云纹干涉技术… 6.5电子散斑干涉技术实验 6.6剪切电子散干涉技术实验 6.7二维数字散斑相关测量实验… 第7章综合设计实验. 7.1概述… 7.2XL318T材料力学综合设计实验台简介… 。 7,3静定桁架结构设计与应力分析实验。… 7.4超静定桁架结构设计与应力分析实验. 7.5刚架组合设计与应力分析实验 7.6薄壁构件拉伸实验… 第8章材料力学性质检测设备… 81概述 This document is produced by trial version of Prin2Flash.Visit www.printflash.com for more information
82液压式万能材料试验机. 83电子万能试验机. 8.4扭转试验机.… 8.5电子扭转试验机.… 8.6微机控制高频劳试验机.…。 参考文献… This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2flash.com for more information
第一章绪 论 1.1实验与力学实验的地位 从力学的发展史看，力学实验是力学科学建立的基础和发展的基本方法。力学的许多重要理论 都直接或间接地和力学实验相联系，按照武际可先生的说法，“力学本质上是一门观察和实验科学” 众所周知，在17世纪以前的古代和中世纪，无论欧洲还是中国都已有关于杠杆平衡、重心、 浮力、强度和调度以及匀速直线和匀速圆周运动等一些力学概念的措述。古埃及金字塔，古罗马斗 兽场，中国的都江堰、赵洲桥等著名建筑也说明古人的力学经验积累已达到相当高的水平。但作为 力学理论却是在人们重视和采用力学实验方法之后才逐步形成和建立的。“实验”作 种科学 究方法最早由达·芬奇(Leonardo di ser Piero da Vinci,1452~l519)提出和运用，他因此在 自然科学方面作出了巨大的贡献，达·芬奇研究过杠杆平衡、斜抛体和自由落体的运动，以及摩擦 对物体运动的影响，还作过铁丝的拉伸强度试验等。伽利略(Ga1i1eoGa1i1ei,1564~1642)发展 了决·芬奇的实验征究方法，创立了对时物理现象讲行黔研究并把究验方法与数学方法，罗提论证 相结合的科学研究方法。 正是 由于伽利略善于观察和思考，善于设计和运用实验方法， 善于总结和 分析，才有了比萨斜塔落体实验、小球斜面滚动实验等著名实验，也才有了摆的定律、惯性定律 落体运动定律以及对相对性原理等重要理论的提出，从而奠定了经典力学的基础。他在晚年(1638 年)出版的历史巨著《关于两门新科学的谈话和数学证明》一书中，除了动力学外，还有不少关于 材料力学的内容。他讨论的第一个问题是直杆轴向拉伸问题，得到承载能力与横截面面积成正比， 而与长度无关的正确结论：讨论的第二个问题是关于梁的弯曲试验和理论分 正确地断定了梁的 抗弯能力和几何尺寸的 学相 关系。他 主意到空 能 大提高 度而无需增加重量”。因 此，该书不仅是动力学的第一部著作，还被看作是材料力学开始形成一门独立学科的标志。 在17世纪初一18世纪末的近两百年中，经典力学得以建立的一个重要原因是，伴随欧洲资本 主义生产方式陆续取代封建的生产关系，商业和航海迅速发展对科学技术的需要，由伽利略发展和 培根倡导的实验科学开始兴起，使得技术上的工匠传统和学者传统走向结合，17世纪中叶，欧洲 各国纷纷成立科学院，如英国皇家学 法国科学院、罗马科学 数学 ,柏林科 院等， 为加强学术交流创办科学期刊。好几个国家甚至为满足航海需要悬赏解决经度的测定问题，促进了 天文观测和对天体运行规律的研究，那是科学史上的一个灿烂时代，一大批科学家因为著名的实验 发明和发现而彪炳史册。在伽利略前后，有第谷(Tycho Brahe,1510~1601)的30年天文观测， 盖利克(Ouov0 n Guericke.16021682)的马德堡直空半球实验.胡克(Hooke robert.1635-1703) 的弹簧受力实验、重力实验，库仑(Charlse-Coulob,1736一1806)的扭称发现和扭 转实验，卡文迪什(Henry Cavendish,1731~1810)测量万有引力的扭秤实验等等 一时期 展的实验研究和积累的丰富观察资料，不仅促成了经典力学的建立，还对数学学科的发展产生了深 远影响，促进了技术进步。望远镜和摆钟就是这一时期分别由伽利略和患更斯 (Christiaan Buygens,,1629~1695)发明的.科学界也公认，如果没有I利咯、开普勒(Johannes Kep1er,1571一1630)、惠更斯、胡克等前人在惯性，引力、行星运动、加速度、摆的运动等方面 的研究和成果积累，就不会有牛(Sir Isaac Ne 1612 ~1727)三大力学定律的问世。牛顿 能够完成三大力学定律的总结工作，除了当时的资料积累已经相当丰富外，很大一个原因是牛倾善 于运用数学总结和分析。事实上，微积分就是牛顿在总结切线、求积、瞬时速度以及函数的极大、 极小值等与运动有关问题的数学方法过程中创立的。他运用自己创立的微积分论证力学定律，从而 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2fash.com for more information
把经典力学确立为立整而亚密的休系。即便是对微积分同样作出石大贡城的英布尼茨(G。ttfx1d Wi1he1 n von Leibniz,16461716)也有着非凡.的物理学成就背景，他在1684年发表的《固体 受力的新分析证明》一文中指出，纤维可以延伸，其张力与伸长成正比，因此他提出将胡克定律应 用于单根纤 这一假说后米在材料力学中被称为马里奥特 菜布尼茨理论 对于实验在力学学科发展中的作用，武际可先生分为三类： 一类指建立新领域起开创作用的实 验。如1883年雷诺关于管流转变为湍流的实验导致湍流理论的发展：二类指验证已有理论的验证 性实验。如1798年卡文油什(Henry cavendi sh,17311810)测定引力常数的实验：三类指通过 加光弹实验纯模拟实哈恭祖理诊配的求解问颗的实哈。工积力学屈干经典力学荒陆，经时200名年 的发展，力学早已脱胎于物理学 形成 理论力学 材料力学 ,弹性力学、 结构 塑性力 流体力学、断裂力学、振动理论等众多分支。特别是计算机的出现和计算科学的迅速发展，使得过 去无法求解的问题有了计算分析方法，在某种程度上也可取代传统实验，如光弹模拟实验等，但它 不能从根本上代替实验，也许永远不能，这是因为： 1.经典力学研究的是宏观和中观问题，进入细观和微观层面后，许多理论不再适应，需要根 据实验观察建立新的理论 于当今大量采用的复合材料，复杂结构材料，以及岩体类非均质各向异性材料，尚需通 过大量的实验研究，解决本构关系问题。 3.计算机解决工程问题至少要有两个先决条件，一是准确获得材料常致，二是力学模型反映 实际。前一个间题需要通过实验解决，对后一个间题，即使解决了本构关系，在边界条件处理上也 且难做到与际完全相符 与二十世纪以前的几个世纪相比 ,我们在当今航空航天、核能技术 大型桥梁水坝建筑、深井 开采等工程领域遇到的力学问题要更为复杂。这一方面使得力学实验规模日益扩大，如做流体力学 实验用的风洞、激波管、水洞、水池，做动态强度试验用的振动台、离心机、轻气炮等就需要复杂 的机器设备和精密的控制测量仪表，需要多种技术人员协同工作和强大的能源保证才能完成。另一 方面，力学实验进入工程现场，适时观测、遥测和预报正在成为质量监控预防灾害的重要手段，许 多重点攻关项目甚至直接微原位原型荷载实验 因此，面向21世纪的工程人才培养，加强力学实验教学仍然具有十分重要的意义 首先，实验方法是发展科技的基本方法。如果说经典力学的产生是依靠实验和数学两大方法的 话，现在则需要加上一个计算机，即实验、数学加计算机。无论是从事科学研究还是解决工程问题， 都需要有良好的实验能力和素养】 其次，经奥力学不仅是现代力学的基础，也还是目前工程设计和力学分析的基本方法和依据 只有理论学习和实验观察 与分析相结合才能把握其精髓，提高力学的理论与分析水平 第三，力学实验能力是工程人才的专业基本能力。由于工程结构的复杂性和设计要求的不断提 高，对力学实验的依赖性越发增强，工程技术人员需要了解和学握常规的力学检测和力学分析手段， 具有良好的实验分析和观察意识。 1,2工程力学实验教学的任务 工程力学实验数学的任务是由工程人才的培养要求和工得力学的数学内突决定的 虽然我国目前把工程力学划为力学下的一个二级学科，但作为教学课程，其内容却不是独立的 按照经典力学的划分，它应包括理论力学、材料力学、结构力学等分支以及近代固体力学和流体力 学分支的一些内容。这些力学分支作为误程单独开设时，币常不冠工程力学名称。工程力学一般作 为不单独开设分支力学课程的短学时力学课程名称，并且根据不同的专业要求有不同的内容组合和 This document is produced by trial version of PrintFlash.Visit www.print2flash.com for more information
教学侧重。在内容选取上以理论力学，特别是静力学和材料力学组合的居多。面向士建类专业，包 括部分结构力学内容的又多称建筑力学。 工程力学实验教学的情况则有所不同。过去在非力学专业的基础力学教学中，主要开设材料力 学和流体力学实验，并且主要是作为理论教学的一个辅助环节开设一些验证性、演示性实验，理论 力学和结构力学不开实验课。为适应21世纪的人才培养要求，我国提出了加强实践教学，培养创 新人才的教育思想。在这一思想指导下，实验教学的功能和地位得到加强，主要体现在三个方面： (1)改变重理论轻实践的教育教学思想，强调实验实践教学环节在创新人才培养中的重要 用： (2)实险数学由单纯的验证性、演示性实验扩展到设计性、综合性或研究性实验，培养学生 的实验和创新能力： (3)实验教学不再单纯依附于理论教学，要求独立组织或单独设课。学时也要求提高到理论 教学的206 在这一背景下 不仅材料力学的教学内容有了较大的更新和调整，纷纷进行综合、设计实验的 教学探索，而且积极开展了理论力学的实验教学尝试。在教学管理和组织上，力学实验室从逐步走 向独立，到整合相关资源成立校级力学实验中心，为实验教学某种程度的独立运行或独立设课创浩 了条件。因而，将理论教学分散组织的各分支力学实验课作为一个整体统一进行安排和组织成为可 能，形成了工程力学实验课的基本架构 简言之 工程力学实验理课并非是和工程力学理论课简单配套的实验教学环节，也不是科学研 究意义上的工程力学实验。实际上，它是非力学专业基础力学有关实验教学环节的总称。当然，就 像工程力学的内容组合有所不同一样，工程力学实验的内容也因各校的教学组织不同而有所不同。 本书以材料力学的实验为主，包括部分理论力学和结构力学实验内容，教学任务概括为： (1)通过实验观察，验证和了解工程力学的一些重要理论和原理，巩固力学知识，深化对力 学理论的认识： (2)掌握材料力学性质或常数的常规测定方法，了解材料的变形与破坏现象，了解材料的常 用检测设备和使用方法： (3)堂据应力分折的常规方法，了醒有光设备仪器的原理和使用方法。 (4)通过实验误差的原因分析，认识工程间问题的复杂性和力学简化模型的局限性，提高力学 分析和实验能力。 进行科学实验的基本训练，培养学生严谨认真的工作作风，实事求是的科学态度，分工协 作的团队精神，增强观察和发现、分析和解决工程实际问题的能力· .3工程力学实险致学的内容 工程力学实验教学的内容是根据其教学任务和目的设计安样的，与科学研究实验和工程服务实 验相比既有区别也有联系。“区别”指一些原理性、认识性或设计性实验，如弯曲正应力、偏心拉 伸、桁架设计等虽然是来自于工程的典型模型，但主要是为教学服务的，不具有具体的科研和应用 意义：“联系”指实验的方法，所用的设备仪器，以及涉及力学性质或常数测定的一些实验与科研 和工程应用密不可分 按照实验教学示范中心的评审标准，工程力实验教学的内容按层次分为三类：一类是基础型实 验，包括验证性、演示性等实验牧学内容；二类是提高型实验，包括综合性、设计性、应用性等实 验：三类指具有探索性质的创新型实验。本书采用按照实验性质和实验方法划分的方法，将工程力 学实脸内容划分为5类： (1)理论力学实验。主要包括动静滑动摩擦系数测定实验，不可见轴转速测试实验，功率、 This document is produced by trial version of Print2Flash.Visit www.print2fash.com for more information