课程英文译名：Theoretical Mechanics

适用专业：土木、水利、水电、机械、热动、水文水资源、给排水等专业

开课学期：1、2学期

学时：4-10

编者：张宏志

理论力学是一门理论性较强的技术基础课，是各门力学的基础，在许多工程技术领域中有着广泛的应用。为了激发学生学习理论力学课程的兴趣、加深理解该门课程的许多理论概念、培养学生理论联系实际的良好作风，我们开设了运动学、振动、理论力学创新与应用等三个单元的实验课。

理论力学实验中所运用的实验模型，贴近生活实际，十分形象生动，可以很强的吸引学生的注意力；理论力学实验内容涵盖信号发生、功放、驱动、传感、放大与分析处理，机、电概念覆盖范围广、信息量大，操作性强，便于培养学生综合运用理论知识的能力，便于学生产生较强的学习激情，对本课程的学习有很大的促进作用。

一、 实验内容

1、共振法测试系统固有频率及系统质量与刚度改变对固有频率的影响

（1）了解共振产生时的现象及用共振现象测试系统固有频率的仪器组成方法。

（2）了解影响系统固有频率的因素，针对实验系统，可用几种方法改变悬臂梁系统的固有频率。

（3）通过实验测试出原系统、质量改变系统、刚度改变系统的固有频率。

（4）了解系统满足那些条件时可简化为理想的单自由度振动模型，画出本实验系统的弹簧质量模型，并计算出悬臂梁的固有频率，将实测固有频率与计算固有频率进行比较。

2、单自由度系统自由衰减振动波形及阻尼系数的测定

（1）了解单自由度系统自由衰减振动的阻尼、衰减振动周期、减幅系数等有关概念。

（2）学会用计算机、振动测试软件、测振仪器等组成的测试系统记录自由衰减振动的波形。

（3）学会根据自由衰减振动波形确定系统的固有频率fn和阻尼系数n 的方法。

（4）掌握如何用初始干扰法激励系统振动。

3、幅---频特性曲线的测量

（1）掌握测试系统幅---频特性曲线的方法

（2）通过绘制幅---频特性曲线，进一步理解强迫振动的运动规律，理解强迫振动的振幅随干扰力频率变化的规律。

（3）学会根据幅---频特性曲线确定系统的固有频率fn和阻尼比ξ

4、相---频特性曲线的测量

（1）掌握系统在共振前、共振、共振后，干扰力信号与强迫振动信号之间相位差的特点，进一步巩固强迫振动的有关理论知识。

（2）依据相---频特性快速判断未知系统固有频率所处区间的方法。

（3）绘制实测得出的共振前、共振、共振后三个阶段的干扰力信号与强迫振动信号之间相位的特征波形图。

5、阻尼对共振振幅的影响

（1）当系统处于共振区时，增加系统阻尼，观察阻尼对振动位移的影响。

（2）当系统处于非共振区时，增加系统阻尼，观察阻尼对振动位移的影响。

（3）通过实验理解阻尼振动的特点：阻尼对系统非共振振幅的影响不大、但可以十分有效的抑制系统共振振幅。

运动学实验

1、机构运动实验

（1）观察机构的名称及各部分所受约束，并驱动机构运动。

（2）观察机构各部件运动传递次序、相对运动轨迹及绝对运动轨迹。

（3）绘制3个以上机构的运动学简图。

2、复杂机构运动学的动画演示

（1）观察10种左右机构的运动学轨迹的动画演示。

（2）体会动点、动系不同选择时，运动轨迹的变化。

理论力学创新与应用实验

创新实验总体按理论力学课程体系即静力学、运动学和动力学三部分编排，注重培养学生应用基础理论进行分析、开拓思维的能力。实验题材来源于贴近生活实际与工程实际的理论力学问题。采用展示、讲解、动手、思考提问等形式巩固学生学到的理论力学基本概念和原理。实验学时可以依据实验内容的取舍定为2～6学时。

动手实验

1、 等效法测试非匀质复杂物体的转动惯量。

2、 悬吊法（力平衡原理）、称量法（合力矩定理）测试复杂形体的重心。

3、 拳击机及标定------动力学普遍定理的综合应用实验。

4、 四种剃须刀构造演化的理论力学原理实验。

5、 测试渐加荷栽、突加荷栽、冲击荷栽、振动荷栽的力与时间关系曲线。

6、 不同压力下材料的静、动干摩擦与润滑摩擦时程曲线的测试。

7、 动平衡的四个问题实验。

8、 八音琴原理与构造-------单自由度振动产生优美动听的音乐。

9、 输电导线振动模拟-------单自由度自激振动、自由振动、强迫振动的区别。

10、不可见轴问题转速测定。

11、主动隔振实验。

12、动力减振实验。

13、圆盘与悬臂梁一、二、三阶主振型的测试实验。

14、拍振实验。

15、连杆、凸轮、齿条、槽轮、滑块所组成机构的运动学特性实验。

讲解与观摩实验

1、 桑塔那汽车用千斤顶受力分析与自锁条件。

2、 膨胀螺钉的应用技术与约束反力分析。

3、 螺旋压榨机与螺旋拔销爪

4、 桁架在拱桥、桁架结构桥、悬索桥、斜张桥、公路桥中的应用与计算。

5、 翻倒问题与起重机的稳定度（三峡工程塔吊倒塌的事故分析）。

6、 计算机驱动器变角速度的控制。

7、 转动惯量理论在高科技上的拓宽应用。

8、 复摆应用在“小爬虫”上使一个贫困村致富。

9、 扭振减振器控制曲轴振动。

10、振动电机及其在工程中的应用。

11、汽车振动两自由度模型。

12、多功能万花机------刚体作平面运动时、其上的每一个点的运动轨迹都不同。

13、悬浮平衡与气流速度测试仪。

14、推土机的机构运动分析

15、减摩抗磨技术在三峡闸门设计中的应用。

二、使用教材及参考书

三、实验报告和成果要求

振动与运动学两门实验课均编有实验指导书，指导书就实验提要、实验装置与仪器组成、实验原理、实验步骤等项作了较强细的说明。学生在做实验之前应仔细阅读实验指导书，明确每一个实验的具体运作步骤。

学生在做实验时要严格按照仪器操作规程操作仪器，仔细观察并记录实验现象，登记原始实验数据。做完一个实验之后，综合分析记录结果，看是否与理论结论一致，如有差别要报告指导教师，并重做实验。

用工整的文字、清晰的图表提交实验报告。浏览指导书中所提思考题，如有疑问，与指导教师进行交流。

四、实验设备与实验所需装置

振动实验所用实验设备与实验所需装置：

（1） 信号发生器

（2） 激振器

（3） 脉冲锤

运动学实验所用装置与仪器：

（1） 曲柄连杆机构、间歇运动机构、简谐运动机构、齿轮系传动机构等运动机构12种。

（2） 计算机与运动学动画软件。