工程力學第1章

1、第1章 緒論,內(nèi)容提要1.1 什么是工程力學 1.2 力學發(fā)展的簡要回顧1.3 工程力學的研究方法1.4 工程力學的基本研究主線,1.1 什么是工程力學,力學是研究力與運動的科學。大到宇宙，小到基本粒子，力與運動無所不在。,1.1 什么是工程力學,力學的地位,力學橫跨自然科學與工程技術(shù)。,1.1 什么是工程力學,,力的作用與物質(zhì)的運動是自然界和人類活動最基本的現(xiàn)象，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)，這奠定了力學在科學體系中的基礎(chǔ)

2、（科學）地位。力學以工程和自然界的真實介質(zhì)和系統(tǒng)為研究對象，絕大多數(shù)科學技術(shù)和工程領(lǐng)域不斷提出大量新的力學問題急需解決，力學植根于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個門類。這又奠定了力學的工程技術(shù)地位。,1.1 什么是工程力學,工程力學是力學學科的一個分支,工程力學是研究實際工程中的力學問題，并將力學原理應用于工程技術(shù)領(lǐng)域的科學。,1.1 什么是工程力學,工程力學課程的主要內(nèi)容,靜力學材料力學,1.1 什么是工程力學,什么是靜力學？,靜力學又稱

3、剛體靜力學，主要是研究剛性物體在平衡狀態(tài)時的受力問題。剛性物體是假定物體不變形的一種理想化狀態(tài)。平衡狀態(tài)是一種特殊的運動狀態(tài)。,1.1 什么是工程力學,什么是材料力學？,材料力學以變形固體為研究對象，主要研究變形固體的受力、變形、破壞的一門科學。,1.1 什么是工程力學,如何確保施工中的橋梁面板正確對接？,橋梁面板如何受力？橋梁面板如何變形？如何確保橋梁安全服役？（長期服役不破壞是最基本的要求）,1.1 什么是工程力學,,這就需

4、要研究拉索、橋梁面板的受力、變形和破壞時的安全余量。,1.1 什么是工程力學,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,力學是人類科學歷史上起源最早的學科之一，來源于人類早期的生產(chǎn)實踐。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,雅典女神廟,建于438B.C.,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,古羅馬的農(nóng)神廟,The Forum. Examples of early Roman column construction can be seen

5、in the 39 ft. 4 in. granite columns of the Temple of Saturn (AD 284, left foreground) and the 48 ft. 5 in. high columns of the Temple of Castor and Pollux (AD 6, right background). (Rome, Italy),1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,1.2 力學發(fā)展的簡要

6、回顧,有關(guān)力學最早的文字敘述,墨翟(di)（公元前468～382）在他所著的《墨經(jīng)》里，已對力和運動，下了適當?shù)亩x： “力，形之所以奮也?！?書中論述了杠桿的平衡問題。指出，杠桿的平衡不但取決于加在兩端的重量，還與“本”（重臂）、“標”（力臂）的長短有關(guān)，進而得出“長、重者下，短、輕者上”的結(jié)論。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,希臘哲學家亞里斯多德Aristotle,384B.C.－322B.C. 也提出了杠桿平衡(equilibri

7、um of levers )問題。 同時還提出了影響今后近2千年的力學觀點。如地心說、物體下落說等唯象說。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,阿基米德（公元前 287～212） 古希臘偉大的數(shù)學家、力學家。生于西西里島的敘拉古，卒于同地。他和I.牛頓、C.F.高斯并列為有史以來三個貢獻最大的數(shù)學家。在他的兩本著作里，《論平面圖形的平衡》、《論浮體》用了明確而普遍的方式.建立了杠桿平衡學說(Relationships for

8、 the equilibrium of levers ) ，奠定了幾何靜力學(Statics for geometry)、重心靜力學(Statics for barycenter)。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,達. 芬奇（1452～1519）    萊昂納多.達.芬奇是意大利文藝復興時期的第一位畫家，也是整個歐洲文藝復興時期最杰出的代表人物之一。他是一位思想深邃、學識淵博、多才多藝的藝術(shù)大師、

9、科學巨匠、文藝理論家、大哲學家、詩人、音樂家、工程師和發(fā)明家。他在幾乎每個領(lǐng)域都做出了巨大的貢獻。后代的學者稱他是“文藝復興時代最完美的代表”，是“第一流的學者”，是一位“曠世奇才”。所有的以及更多的贊譽他都當之無愧。 提出了力矩(moment)的概念、自由落體(falling bodies)經(jīng)驗公式等,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,芬蘭史蒂芬（1548～1620）由斜面問題的研究，得出了力的合成(composition o

10、f forces)與力的分解（Decompose of forces)定律，即力的平行四邊形原理；,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,法國科學家法利農(nóng)（1654一1722）提出了力矩moment定理；潘索（1777～1859）提出了力偶couple of moment的概念及有關(guān)的理論， 使得靜力學的理論得到了進一步的發(fā)展。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,靜力學通過兩千年的發(fā)展，到19世紀已形成了一門相對完整的學問。為當時社會的簡單工具、土木

11、建筑、橋梁、交通工具等發(fā)展作出了重要貢獻。,舉例如下：,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,河北趙縣趙州橋,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,古羅馬的拱橋,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,意大利比薩斜塔,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,鄭和下西洋仿古寶船在南京落成,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,自然科學隨同文藝復興以及社會的巨大變革開始發(fā)展起來。力學通過漫長的停滯后在動力學方面得到了迅速發(fā)展。,由于社會變革，當時從行會手工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鍪止I(yè)生產(chǎn)。,研究機械

12、的運動和尋找它的規(guī)律的任務被提了出來；,航海需要天文學（天體力學）的幫助；,在戰(zhàn)爭中廣泛利用火炮，提出了彈道學這一中心同題。,隨著上述任務的需求，動力學首先得到了發(fā)展。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,哥白尼(1473～1543) 偉大的波蘭天文學家，日心說的創(chuàng)立者，近代天文學的奠基人 他的《天體運行論》的太陽中心學說 ，在科學界引起了宇宙觀的大革命；,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,開普勒（1571～163

13、0）根據(jù)哥白尼的學說以其他天文學家的觀測資料，得出了行星運動三大定律，成為牛頓萬有引力(universal gravitation)的基礎(chǔ)。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,伽利略(Glileo,1564－1642)伽利略(Glileo,1564，2，15－1642，1，8) 伽利略在科學史上是一位難得的天才，是意大利文藝復興后期，偉大的力學家、天文學家、哲學家。近代實驗物理學的開拓者，被譽為“近代科學之父”。后人稱他為“科學實驗之父”。

14、,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,伽利略觀測到的科學事實推動了哥白尼學說的傳播，因而引起了宗教勢力的恐懼。1616年3月5日，天主教宣布哥白尼的《天體運行論》為禁書。1624－1630年，伽利略花了很大的精力寫出了巨著《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》， 并于1632年出版。這本書的出版更加激怒了教會，1633年2月宗教法庭把伽利略傳到羅馬，并于1633年3月12日審判。宗教法庭強迫年近古稀的伽利略認錯，責令他居住在被指定的佛羅倫

15、薩郊區(qū)，不得離開，并且不許他寫的《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》流傳。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,宗教法庭對伽利略的審判與迫害，是整個人類歷史上黑暗勢力迫害科學發(fā)展的典型。隨著科學的發(fā)展，越來越證明這種迫害的荒唐。在判決伽利略359年后的1983年，羅馬教廷才宣布“給伽利略定罪的法官犯了錯誤”。經(jīng)過這個委員會13年的調(diào)查研究，羅馬教皇終于在1992年作出了對伽利略正式平反的決定。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,他在力學上的貢獻

16、簡述如下,認真研究動力學第一人；提出了慣性原理；發(fā)現(xiàn)了擺周期的等時性原理；材料力學及其實驗,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,落體運動的科學發(fā)現(xiàn),亞里士多德認為兩個物體以同一高度落下，重的比輕的先著地。（ 土、水、氣、火）伽利略的實驗：結(jié)論：物體從靜止降落，以勻加速運動，其所通過的各空間距離，與通過這各個距離所需的時間的平方成正比例。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,慣性定律：,物體保持靜止或繼續(xù)以恒定的速率沿直線運動，除非受到外界的作

17、用。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,亞里士多德信徒們的反駁,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,伽利略的實驗,1640年法國哲學家伽桑狄完成了這個實驗。,描述,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,伽利略是世界上第一個認真研究動力學的學者。伽利略對運動基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究并給出了嚴格的數(shù)學表達式。尤其是加速度概念的提出，在力學史上是一個里程碑。有了加速度的概念，力學中的動力學部分才能建立在科學基礎(chǔ)

18、之上，而在伽利略之前，只有靜力學部分有定量的描述。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,伽利略關(guān)于梁的試驗,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,在靜力學與梁等方面他對梁進行了最早的實驗研究。,伽利略在力學方面的成果集中反映在他的著作《關(guān)于兩種新科學的談話》中，他這里所說的兩種新科學指的是材料力學和動力學。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,惠更斯Christiaan Huygens1629－1695,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,兩個彈性球碰撞的問題，伽利略

19、以及他以前的學者就曾經(jīng)討論過，但是都沒有得到什么重要的結(jié)論?；莞乖谡撐摹墩撐矬w的碰撞運動》中對碰撞問題進行了系統(tǒng)的討論。他討論的前提是：慣性定律，碰撞是完全彈性的。在這樣的條件下他提出13個命題，得到了一些重要的定律。如：“兩個物體相互碰撞時，它們的質(zhì)量乘其速度平方之和在碰撞前后保持不變?！保?669年）,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,牛頓 (Isac ewton,1642，12，25－1727，3，20，84歲) 出生于一個中等農(nóng)

20、戶家中。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,牛頓對整個自然科學的最重要的貢獻是他的巨著《自然哲學的數(shù)學原理》。這本書出版于1687年，書中提出了萬有引力理論并且系統(tǒng)總結(jié)了前人對動力學的研究成果，后人將這本書所總結(jié)的經(jīng)典力學系統(tǒng)稱為牛頓力學。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,自然哲學的數(shù)學原理最早版本,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,在整個18、19世紀里，牛頓成為整個自然科學的偶像。牛頓與牛頓力學的影響所以這樣大，是由于：,1.2 力學發(fā)展的簡要

21、回顧,首先，牛頓力學最后證明了力學原理不僅能適用于地球上的石頭下落，也適用于天上的星球運動。它是普遍適用的。牛頓力學進一步支持了哥白尼學說，而且將它發(fā)展到新階段。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,科學總是以客觀規(guī)律取代神或人造的各種成見。牛頓在《原理》中的名言：“我不虛構(gòu)假設(shè)”，這是科學的宣言。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,其次，在科學的方法論上，是從實驗和觀察歸納總結(jié)出規(guī)律，然后依據(jù)這規(guī)律指導人們?nèi)フJ識新的現(xiàn)象。,1.2 力學發(fā)展的簡要回

22、顧,,在供奉國王和國王加冕的西敏寺，僅擺了兩位科學家的雕刻：牛頓；達爾文。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,經(jīng)典力學是從哥白尼提出的太陽中心學說開始，由伽利略奠基，而由牛頓總其成的。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,值得注意的是：,最偉大的科學家?guī)缀醵技性谶@一學科，如伽利略、惠更斯、牛頓、胡克、萊布尼茲、伯努利、拉格朗日、歐拉、達朗伯等。由于這些杰出科學家的努力，借助于當時取得的數(shù)學進展，使力學取得了十分輝煌的成就，在整個知識領(lǐng)域中起著支配

23、作用。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,進入19世紀后，歐洲各主要國家相繼完成了工業(yè)革命，大機器工業(yè)生產(chǎn)對力學提出了更高的要求。為適應當時土木建筑、機械制造和交通運輸?shù)陌l(fā)展，主要是材料力學、結(jié)構(gòu)力學和流體力學得到了發(fā)展和完善。建筑、機械中出現(xiàn)的大量強度和剛度問題，由材料力學或結(jié)構(gòu)力學計算。作為探索普遍規(guī)律而進行的基礎(chǔ)研究，彈性力學也取得了很大的進展。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,20世紀以來形成了近代力學,1900年直至1960年，力學隨

24、著航空航天的發(fā)展形成了近代力學。力學還解決了核爆炸中對猛烈炸藥爆轟的精密控制、強爆炸波的傳播、反應堆的熱應力等重要問題。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,近代力學的新時代：力學+計算機,20世紀60年代興起的有限元法，能夠?qū)⒁粋€復雜的結(jié)構(gòu)經(jīng)離散化處理為有限單元的組合后，計算機可以對這種復雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)迅速計算出結(jié)果。有限元法是力學、數(shù)學、與計算機的巧妙結(jié)合，她一出現(xiàn)，就顯示出無比的優(yōu)越性，被廣泛地應用于工程技術(shù)的各個領(lǐng)域，例如汽車碰撞、復雜

25、結(jié)構(gòu)的服役過程模擬等這類復雜的設(shè)計與計算，已成為現(xiàn)實。,舉例說明：,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,汽車碰撞護欄的計算機模擬,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,某載貨車前軸有限元分析（東風汽車工程研究院CAE室）,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,強風吹圓柱的速度模擬,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,核電站煙囪整體有限元模型,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,核電站豎直煙囪固定支架與煙囪連接局部,分析核電站豎直煙囪在龍卷風和地震作用下的受力、變形、破壞情況

26、。,1.2 力學發(fā)展的簡要回顧,,工程力學課程中所涉及兩部分內(nèi)容，是自然科學發(fā)展中長期積累的經(jīng)典內(nèi)容；是人類智慧的結(jié)晶；目前，仍是正確指導社會生產(chǎn)實際理論分析方法之一。,1.3 工程力學的研究方法,建立力學模型 歸納和演繹 力學性能實驗,a) 建立力學模型,,,1.3 工程力學的研究方法,,1.3 工程力學的研究方法,當將下列圓環(huán)視為剛體時，力具有可傳性。,1.3 工程力學的研究方法,,通過合理簡化以建立力學模型，是進行理論分析計算

27、的基礎(chǔ)。在今后的學習中，我們不僅要掌握一些基本的典型的力學模型的建立方法，而且要善于將較復雜的研究對象合理簡化為分析模型，這將有助于提高我們的抽象思維和創(chuàng)新思維能力。,1.3 工程力學的研究方法,力的可傳性不適用于變形體,1.3 工程力學的研究方法,關(guān)于力的可傳性及其限制，在后續(xù)課程中將會介紹。,b) 歸納和演繹,演繹：利用一般的定理、定律和公式，對一個具體的問題進行演繹分析計算，獲得結(jié)果；（熟悉）歸納：對具體物體的研究成果進行總結(jié)

28、提煉，尋找出具有普遍性的規(guī)律和結(jié)論，并獲得觸類旁通分析方法。（不熟悉）,1.3 工程力學的研究方法,c) 力學性能實驗,對理論學習知識進行實驗驗證，進一步深刻理解理論知識；掌握力學實驗的現(xiàn)代測試方法 ，提高實際操作技能和解決實際問題的能力，為今后的工程結(jié)構(gòu)實驗打下堅實的基礎(chǔ)。,1.3 工程力學的研究方法,1.4 工程力學的基本研究主線,受力分析及靜力平衡條件 變形的幾何相容條件 力與變形間的物理關(guān)系 上述三條既是基本的

29、研究主線，也是本課程學習的重點。,受力分析及靜力平衡條件,研究物體受到什么力的作用；而對于處于平衡狀態(tài)的物體，則物體或其中任何一部分的受力，應當滿足一定的條件使其滿足靜力平衡。,1.4 工程力學的基本研究主線,變形的幾何相容條件,連續(xù)性假設(shè)，固體不僅在受力前是均勻連續(xù)的，受力后只要未發(fā)生破壞，仍然應當是均勻連續(xù)的。根據(jù)連續(xù)性假設(shè)， 研究固體在受力狀態(tài)下的幾何關(guān)系。,1.4 工程力學的基本研究主線,力與變形間的物理關(guān)系,現(xiàn)象：物體一受