工程力学[技术基础学科]

发布时间：2016-04-16 09:13

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工程力学[技术基础学科] - 发展简史

工程力学

力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。

古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲 文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。

伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。

此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。

运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。

从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。

20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等。

这时的先导者是普朗特和卡门，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。从20世纪60年代起，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。

力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时，中国古代对平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像阿基米德那样的理论系统。

在文艺复兴前的约一千年时间内，整个欧洲的科学技术进展缓慢，而中国科学技术的综合性成果堪称卓著，其中有些在当时世界居于领先地位。这些成果反映出丰富的力学知识，但终未形成系统的力学理论。到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。

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。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。1638年3月出版的伽利略的著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》被认为是世界上第一本材料力学著作，但他对于梁内应力分布的研究还是很不成熟的。C.-L.-M.-H.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》被认为是弹性理论的创始。其后，1870年A.J.C.B.de圣维南又发表了关于塑性理论的论文。

工程力学

水力学也是一门古老的学科。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。L.欧拉提出了理想流体的运动方程式。物体流变学是研究较广义的力学运动的一个新学科。1928年，美国的E.C.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。土力学在20世纪初期即逐渐形成，并在40年代以后获得了迅速发展。在其形成以及发展的初期，K.泰尔扎吉（一译太沙基）起了重要作用。岩体力学是一门年轻的学科，20世纪50年代开始组织专题学术讨论，其后并已由对具有不连续面的硬岩性质的研究扩展到对软岩性质的研究。岩体力学是以工程力学与工程地质学两门学科的融合而发展的。

从17世纪到20世纪前半期，连续体力学的特点是研究各个物体的性质，如梁的刚度与强度，柱的稳定性，变形与力的关系，弹性模量，粘性模量等。这一时期的连续体力学是从宏观的角度，通过实验分析与理论分析，研究物体的各种性质。它是由质点力学的定律推广到连续体力学的定律，因而自然也出现一些矛盾。于是，基于20世纪前半期物理学的进展并以现代数学（如张量、元、群、泛函、模、希尔伯特空间等）为基础，出现了一门新的学科──理性力学。1945年，M.赖纳提出了关于粘性流体分析的论文，1948年，R.S.里夫林提出了关于弹性固体分析的论文，逐步奠定了所谓理性连续体力学的新体系。

随着结构工程技术的进步，工程学家也同力学家和数学家一样对工程力学的进步做出了贡献。如在桁架发展的初期并没有分析方法，到1847年，美国的桥梁工程师S.惠普尔才发表了正确的桁架分析方法。电子计算机的应用，现代化实验设备的使用，新型材料的研究，新的施工技术和现代数学的应用等，促使工程力学日新月异地发展。

工程力学[技术基础学科] - 学科内容

工程力学

物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。当物理学摆脱了这种机械(力学)的自然观而获得健康发展时，力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化，逐渐从物理学中独立出来。

20世纪初，相对论指出牛顿力学不适用于高速或宇宙尺度内的物体运动；20年代，量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映人们对力学认识的深化，即认识到物质在不同层次上的机械运动规律是不同的。所以通常理解的力学，是指以宏观的机械运动为研究内容的物理学分支学科。许多带“力学”名称的学科，如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等，在习惯上被认为是物理学的其它分支，不属于力学的范围。

力学与数学在发展中始终相互推动，相互促进。一种力学理论往往和相应的一个数学分支相伴产生，如运动基本定律和微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等，因此有人甚至认为力学应该也是一门应用数学。但是力学和其它物理学分支一样，还有需要实验基础的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系，两者有各自不同的研究对象。

力学不仅是一门基础科学，同时也是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学(即土木工程学)和军事工程学两大分支时，力学在这两个分支中就已经起着举足轻重的作用。工程学越分越细，各个分支中许多关键性的进展，都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。

力学和工程学的结合，促使了工程力学各个分支的形成和发展。现在，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等，还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等，都或多或少有工程力学的活动场地。

质点、质点系及刚体力学是理论力学的研究对象。所谓刚体是指一种理想化的固体，其大小及形状是固定的，不因外来作用而改变，即质点系各点之间的距离是绝对不变的。理论力学的理论基础是牛顿定律，它是研究工程技术科学的力学基础。

在理论物理学里，常把理论力学的重要分支如振动理论、运动稳定性理论、陀螺仪理论等统称为一般力学，而把固体及流体力学统称为变形体力学，假定物体是连续的，这样来综合研究变形体的一般运动规律，小变形理论，大变形理论等。范围较变形体力学更大的一个学科是连续介质力学，其研究对象包括所有基本上连续分布的物质。

固体力学包括材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、复合材料力学以及断裂力学等。尤其是前三门力学在土木建筑工程上的应用广泛，习惯上把这三门学科统称为建筑力学，以表示这是一门用力学的一般原理，研究各种作用对各种形式的土木建（构）筑物的影响的学科。

水力学及空气力学都是流体力学的应用。空气力学研究空气和其他气体的静力及动力特性，气体与在气流中物体的力学相互作用。空气力学分为两个分支：空气静力学及空气动力学。为研究在流体中结构的行为，需要将结构力学与流体力学相结合，这就是流体弹性力学。它又分为水动力弹性力学和空气动力弹性力学（例如桥梁受风振动时的自激振动和强迫振动问题）。

流变学是研究物质的变形、流动的科学。流变体与简单的粘性流体不同，除粘滞性以外，还要从微观的角度来研究问题。对可塑性物体、岩土、生物细胞等种种物质的粘性、弹性、塑性、摇溶性等性质，，要用超出物理学、高分子化学等的边缘学科加以综合研究。在研究蠕变、滞后、阻尼等现象时，除材料的固体性质外，还要考虑粘性性质，即在应力-应变关系中引入时间的因素，这些问题的研究，就要用到流变学的理论。

土力学和岩体力学，虽然也利用到弹性力学、塑性力学、流变学等，但土的本构关系，岩体的力学介质模型都很复杂。因此，这两个学科的基本体系与固体力学不同。

在20世纪50年代后期，随着电子计算机和有限元法的出现，逐渐形成了一门交叉学科即计算力学。计算力学又分为基础计算力学及工程计算力学两个分支。后者应用于建筑力学时，它的四大支柱是建筑力学、离散化技术、数值分析和计算机软件；其任务是利用离散化技术和数值分析方法，研究结构分析的计算机程序化方法，结构优化方法和结构分析图像显示等。

如按作用使结构产生反应的性质分类，工程力学的许多分支都可以分为静力学与动力学。例如结构静力学与结构动力学，后者主要包括：结构振动理论、波动力学、结构动力稳定性理论。

由于施加在结构上的外力几乎都是随机的，而材料强度在本质上也具有非确定性。随着科学技术的进步，20世纪50年代以来，概率统计理论在工程力学上的应用愈益广泛和深入，并且逐渐形成了新的分支和方法，如可靠性力学、概率有限元法等。

工程力学[技术基础学科] - 研究方法

表2

工程力学研究方法遵循认识论的基本法则：实践——理论——实践。工程力学家们根据对自然现象的观察，特别是定量观测的结果，根据生产过程中积累的经验和数据，或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果，提炼出量与量之间的定性的或数量的关系。为了使这种关系反映事物的本质，工程力学家要善于抓住起主要作用的因素，屏弃或暂时屏弃一些次要因素。

表2

工程力学中把这种过程称为建立模型。质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是各种不同的模型。在模型的基础上可以运用已知的力学或物理学的规律，以及合适的数学工具，进行理论上的演绎工作，导出新的结论。

表3

依据所得理论建立的模型是否合理，有待于新的观测、工程实践或者科学实验等加以验证。在理论演绎中，为了使理论具有更高的概括性和更广泛的适用性，往往采用一些无量纲参数如雷诺数、马赫数、泊松比等。这些参数既反映物理本质，又是单纯的数字，不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。

从局部看来，工程力学研究工作方式是多样的：有些只是纯数学的推理，甚至着眼于理论体系在逻辑上的完善化；有些着重数值方法和近似计算；有些着重实验技术等等。而更大量的则是着重在运用现有力学知识，解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。

现代的工程力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。应用研究更需要对应用对象的工艺过程、材料性质、技术关键等有清楚的了解。在力学研究中既有细致的、独立的分工，又有综合的、全面的协作。

分实验研究和理论分析与计算两个方面。但两者往往是综合运用，互相促进。

实验研究包括实验力学，结构检验，结构试验分析。模型试验分部分模型和整体模型试验。结构的现场测试包括结构构件的试验及整体结构的试验。实验研究是验证和发展理论分析和计算方法的主要手段。结构的现场测试还有其他的目的：①验证结构的机能与安全性是否符合结构的计划、设计与施工的要求；②对结构在使用阶段中的健全性的鉴定，并得到维修及加固的资料。

理论分析与计算结构理论分析的步骤是首先确定计算模型，然后选择计算方法，如表1：

结构分析方法的主要途径有二：利用力的平衡条件和能量法。固体力学的普遍的指导原理是变分原理，在计算方法上则可分为解析法和直接解法，如表2：

由于电子计算机的发展，数值解法得到很大进展。一般有三种解法，主要项目如下表3：

工程力学[技术基础学科] - 专业内容

业务培养目标：

业务培养目标：本专业培养具备力学基础理论知识、计算和试验能力，能在各种工程(如机械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等)中从事与力学有关的科研、技术开发、工程设计和力学教学工作的高级工程科学技术人才。

业务培养要求：本专业主要学习力学、数学基本理论和知识，受到必要的工程技能训练，具有应用计算机和现代实验技术手段解决与力学有关的工程问题的基本能力。

毕业生应获得以下几方面的知识与能力：

1．具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力；

2．较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括固体力学、流体力学、电工与电子技术、市场经济及企业管理等基础知识；

3．具有较强的解决与力学有关的工程技术问题的理论分析能力与实验技能；

4．具有较强的计算机和外语应用能力；

5．具有较强的自学能力、创新意识和较高的综合素质。

主干学科：力学

主要课程：理论力学、材料力学、弹性力学、流体力学、振动力学、计算力学、实验力学、结构力学、电工与电子技术、计算机基础知识及程序设计。

主要实践性教学环节：包括金工、电工、电子实习，认识实习，生产实习，社会实践，课程设计，毕业设计(论文)等，一般应安排40周以上。

修业年限：四年

授予学位：工学学士

相近专业：应用物理学、工程力学、地球信息科学与技术工程、造价、工程结构分析、历史建筑保护、工程给排水科学与工程粮食工程。

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