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工 程 力 学Engineering Mechanics 绪 论 力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次,从宇观的宇宙体系,宏观的天体和常规物体,细观的颗粒、纤维、晶体,到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的互相渗透,有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。 力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲,后来虽又含有他义,但都同机械或运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语μηχανη──机械)。在英语中,mechanics是一个多义词,既可释作“力学”,也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种中,此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。 Mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时,译作“重学”,后来改译作“力学”,一直使用至今。“力学的”和“机械的” 在英语中同为Mechanical,而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围的差异,有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(Mechanical)自然观,其实指用力学解释自然的观点,而英语Mechanist是指机械师,不是指力学家。 力学是最古老的科学之一,它是社会生产和科学实践长期发展的产物。人类对力学的一些基本原理的认识,一直可以追溯到史前时代。随着古代建筑技术的发展,简单机械的应用,静力学逐渐发展完善。在中国古代及古希腊的著作中,已有关于力学的叙述。但在中世纪以前的建筑物是靠经验建造的。 公元前5~前 4世纪,在中国的《墨经》中已有关于水力学的叙述。 古希腊的数学家阿基米德(公元前 3世纪)提出了杠杆平衡公式(限于平行力)及重心公式,奠定了静力学基础。 荷兰学者S.斯蒂文(16世纪)解决了非平行力情况下的杠杆问题,发现了力的平行四边形法则。 力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分,静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学只考虑物体怎样运动,不讨论它与所受力的关系;动力学讨论物体运动和所受力的关系。 力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支,流体包括液体和气体;固体力学和流体力学可统称为连续介质力学,它们通常都采用连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后,余下的部分组成一般力学。 动力学的科学基础以及整个力学的奠定时期在17世纪。意大利物理学家伽利略创立了惯性定律,首次提出了加速度的概念。他应用了运动的合成原理,与静力学中力的平行四边形法则相对应,并把力学建立在科学实验的基础上。 英国物理学家牛顿推广了力的概念,引入了质量的概念,总结出了机械运动的三定律(1687年),奠定了经典力学的基础。他发现的万有引力定律,是天体力学的基础。以牛顿和德国人G.W.莱布尼兹所发明的微积分为工具,瑞士数学家L.欧拉系统地研究了质点动力学问题,并奠定了刚体力学的基础。 纳维于1819年提出了关于梁的强度及挠度的完整解法。1821年5月14日,纳维在巴黎科学院宣读的论文《在一物体的表面及其内部各点均应成立的平衡及运动的一般方程式》,这被认为是弹性理论的创始。其后,1870年圣维南又发表了关于塑性理论的论文水力学也是一门古老的学科。 物体流变学是研究较广义的力学运动的一个新学科。早在中国春秋战国时期(公元前5~前4世纪),墨翟就在《墨经》中叙述过物体所受浮力与其排开的液体体积之间的关系。欧拉提出了理想流体的运动方程式。 1929年,美国的宾厄姆倡议设立流变学学会,这门学科才受到了普遍的重视。 力学是物理学、天文学和许多工程学的基础,机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本据。机械运动是物质运动的最基本的形式。机械运动亦即力学运动。 在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。最突出的有: 以人类登月、建立空间站、航天飞机等为代表的航天技术;以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术;以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的机械工业,可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台;以排水量达5×105t的超大型运输船和航速可达30多节、深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业;可以安全运行的原子能反应堆;在地震多发区建造高层建筑;正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车,等等,甚至如核弹引爆的核心技术,也都是典型的力学问题。 工程力学在材料、化工和化学等专业课程体系中的地位 技术性专业基础课,讲述力学的基本原理、方法与知识,在专业课和基础课之间起到桥梁作用,为物体的机械运动分析及强度、刚度和稳定性计算提供必要的理论依据。 工程力学的知
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