工程力學(xué)第1章

1、第1章 緒論,內(nèi)容提要1.1 什么是工程力學(xué) 1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧1.3 工程力學(xué)的研究方法1.4 工程力學(xué)的基本研究主線,1.1 什么是工程力學(xué),力學(xué)是研究力與運(yùn)動(dòng)的科學(xué)。大到宇宙，小到基本粒子，力與運(yùn)動(dòng)無(wú)所不在。,1.1 什么是工程力學(xué),力學(xué)的地位,力學(xué)橫跨自然科學(xué)與工程技術(shù)。,1.1 什么是工程力學(xué),,力的作用與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是自然界和人類活動(dòng)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(xué)在科學(xué)體系中的基礎(chǔ)

2、（科學(xué)）地位。力學(xué)以工程和自然界的真實(shí)介質(zhì)和系統(tǒng)為研究對(duì)象，絕大多數(shù)科學(xué)技術(shù)和工程領(lǐng)域不斷提出大量新的力學(xué)問題急需解決，力學(xué)植根于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的各個(gè)門類。這又奠定了力學(xué)的工程技術(shù)地位。,1.1 什么是工程力學(xué),工程力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個(gè)分支,工程力學(xué)是研究實(shí)際工程中的力學(xué)問題，并將力學(xué)原理應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)。,1.1 什么是工程力學(xué),工程力學(xué)課程的主要內(nèi)容,靜力學(xué)材料力學(xué),1.1 什么是工程力學(xué),什么是靜力學(xué)？,靜力學(xué)又稱

3、剛體靜力學(xué)，主要是研究剛性物體在平衡狀態(tài)時(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。,1.1 什么是工程力學(xué),什么是材料力學(xué)？,材料力學(xué)以變形固體為研究對(duì)象，主要研究變形固體的受力、變形、破壞的一門科學(xué)。,1.1 什么是工程力學(xué),如何確保施工中的橋梁面板正確對(duì)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(zhǎng)期服役不破壞是最基本的要求）,1.1 什么是工程力學(xué),,這就需

4、要研究拉索、橋梁面板的受力、變形和破壞時(shí)的安全余量。,1.1 什么是工程力學(xué),1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,力學(xué)是人類科學(xué)歷史上起源最早的學(xué)科之一，來(lái)源于人類早期的生產(chǎn)實(shí)踐。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,雅典女神廟,建于438B.C.,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)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(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要

6、回顧,有關(guān)力學(xué)最早的文字?jǐn)⑹?墨翟(di)（公元前468～382）在他所著的《墨經(jīng)》里，已對(duì)力和運(yùn)動(dòng)，下了適當(dāng)?shù)亩x： “力，形之所以?shī)^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(biāo)”（力臂）的長(zhǎng)短有關(guān)，進(jìn)而得出“長(zhǎng)、重者下，短、輕者上”的結(jié)論。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,希臘哲學(xué)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(shí)還提出了影響今后近2千年的力學(xué)觀點(diǎn)。如地心說、物體下落說等唯象說。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,阿基米德（公元前 287～212） 古希臘偉大的數(shù)學(xué)家、力學(xué)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(lái)三個(gè)貢獻(xiàn)最大的數(shù)學(xué)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(xué)說(Relationships for

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

9、科學(xué)巨匠、文藝?yán)碚摷?、大哲學(xué)家、詩(shī)人、音樂家、工程師和發(fā)明家。他在幾乎每個(gè)領(lǐng)域都做出了巨大的貢獻(xiàn)。后代的學(xué)者稱他是“文藝復(fù)興時(shí)代最完美的代表”，是“第一流的學(xué)者”，是一位“曠世奇才”。所有的以及更多的贊譽(yù)他都當(dāng)之無(wú)愧。 提出了力矩(moment)的概念、自由落體(falling bodies)經(jīng)驗(yàn)公式等,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)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(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,法國(guó)科學(xué)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(xué)的理論得到了進(jìn)一步的發(fā)展。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,靜力學(xué)通過兩千年的發(fā)展，到19世紀(jì)已形成了一門相對(duì)完整的學(xué)問。為當(dāng)時(shí)社會(huì)的簡(jiǎn)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(xiàn)。,舉例如下：,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,河北趙縣趙州橋,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,古羅馬的拱橋,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,意大利比薩斜塔,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,鄭和下西洋仿古寶船在南京落成,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,自然科學(xué)隨同文藝復(fù)興以及社會(huì)的巨大變革開始發(fā)展起來(lái)。力學(xué)通過漫長(zhǎng)的停滯后在動(dòng)力學(xué)方面得到了迅速發(fā)展。,由于社會(huì)變革，當(dāng)時(shí)從行會(huì)手工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣?chǎng)手工業(yè)生產(chǎn)。,研究機(jī)械

12、的運(yùn)動(dòng)和尋找它的規(guī)律的任務(wù)被提了出來(lái)；,航海需要天文學(xué)（天體力學(xué)）的幫助；,在戰(zhàn)爭(zhēng)中廣泛利用火炮，提出了彈道學(xué)這一中心同題。,隨著上述任務(wù)的需求，動(dòng)力學(xué)首先得到了發(fā)展。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,哥白尼(1473～1543) 偉大的波蘭天文學(xué)家，日心說的創(chuàng)立者，近代天文學(xué)的奠基人 他的《天體運(yùn)行論》的太陽(yáng)中心學(xué)說 ，在科學(xué)界引起了宇宙觀的大革命；,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,開普勒（1571～163

13、0）根據(jù)哥白尼的學(xué)說以其他天文學(xué)家的觀測(cè)資料，得出了行星運(yùn)動(dòng)三大定律，成為牛頓萬(wàn)有引力(universal gravitation)的基礎(chǔ)。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)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(xué)史上是一位難得的天才，是意大利文藝復(fù)興后期，偉大的力學(xué)家、天文學(xué)家、哲學(xué)家。近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的開拓者，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。后人稱他為“科學(xué)實(shí)驗(yàn)之父”。

14、,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略觀測(cè)到的科學(xué)事實(shí)推動(dòng)了哥白尼學(xué)說的傳播，因而引起了宗教勢(shì)力的恐懼。1616年3月5日，天主教宣布哥白尼的《天體運(yùn)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(duì)話》， 并于1632年出版。這本書的出版更加激怒了教會(huì)，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(qiáng)迫年近古稀的伽利略認(rèn)錯(cuò)，責(zé)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(duì)話》流傳。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,宗教法庭對(duì)伽利略的審判與迫害，是整個(gè)人類歷史上黑暗勢(shì)力迫害科學(xué)發(fā)展的典型。隨著科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)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(cuò)誤”。經(jīng)過這個(gè)委員會(huì)13年的調(diào)查研究，羅馬教皇終于在1992年作出了對(duì)伽利略正式平反的決定。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,他在力學(xué)上的貢獻(xiàn)

16、簡(jiǎn)述如下,認(rèn)真研究動(dòng)力學(xué)第一人；提出了慣性原理；發(fā)現(xiàn)了擺周期的等時(shí)性原理；材料力學(xué)及其實(shí)驗(yàn),1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,落體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)發(fā)現(xiàn),亞里士多德認(rèn)為兩個(gè)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(shí)驗(yàn)：結(jié)論：物體從靜止降落，以勻加速運(yùn)動(dòng)，其所通過的各空間距離，與通過這各個(gè)距離所需的時(shí)間的平方成正比例。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)，除非受到外界的作

17、用。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,亞里士多德信徒們的反駁,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,伽利略的實(shí)驗(yàn),1640年法國(guó)哲學(xué)家伽桑狄完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。,描述,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,,伽利略是世界上第一個(gè)認(rèn)真研究動(dòng)力學(xué)的學(xué)者。伽利略對(duì)運(yùn)動(dòng)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(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式。尤其是加速度概念的提出，在力學(xué)史上是一個(gè)里程碑。有了加速度的概念，力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)部分才能建立在科學(xué)基礎(chǔ)

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

19、以及他以前的學(xué)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(yùn)動(dòng)》中對(duì)碰撞問題進(jìn)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(gè)命題，得到了一些重要的定律。如：“兩個(gè)物體相互碰撞時(shí)，它們的質(zhì)量乘其速度平方之和在碰撞前后保持不變。”（1669年）,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,牛頓 (Isac ewton,1642，12，25－1727，3，20，84歲) 出生于一個(gè)中等農(nóng)

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

21、回顧,首先，牛頓力學(xué)最后證明了力學(xué)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(yùn)動(dòng)。它是普遍適用的。牛頓力學(xué)進(jìn)一步支持了哥白尼學(xué)說，而且將它發(fā)展到新階段。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,科學(xué)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(xué)的宣言。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,其次，在科學(xué)的方法論上，是從實(shí)驗(yàn)和觀察歸納總結(jié)出規(guī)律，然后依據(jù)這規(guī)律指導(dǎo)人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)新的現(xiàn)象。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回

22、顧,,在供奉國(guó)王和國(guó)王加冕的西敏寺，僅擺了兩位科學(xué)家的雕刻：牛頓；達(dá)爾文。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,,經(jīng)典力學(xué)是從哥白尼提出的太陽(yáng)中心學(xué)說開始，由伽利略奠基，而由牛頓總其成的。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,值得注意的是：,最偉大的科學(xué)家?guī)缀醵技性谶@一學(xué)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(dá)朗伯等。由于這些杰出科學(xué)家的努力，借助于當(dāng)時(shí)取得的數(shù)學(xué)進(jìn)展，使力學(xué)取得了十分輝煌的成就，在整個(gè)知識(shí)領(lǐng)域中起著支配

23、作用。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,,進(jìn)入19世紀(jì)后，歐洲各主要國(guó)家相繼完成了工業(yè)革命，大機(jī)器工業(yè)生產(chǎn)對(duì)力學(xué)提出了更高的要求。為適應(yīng)當(dāng)時(shí)土木建筑、機(jī)械制造和交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，主要是材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)得到了發(fā)展和完善。建筑、機(jī)械中出現(xiàn)的大量強(qiáng)度和剛度問題，由材料力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。作為探索普遍規(guī)律而進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，彈性力學(xué)也取得了很大的進(jìn)展。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,20世紀(jì)以來(lái)形成了近代力學(xué),1900年直至1960年，力學(xué)隨

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

25、結(jié)構(gòu)的服役過程模擬等這類復(fù)雜的設(shè)計(jì)與計(jì)算，已成為現(xiàn)實(shí)。,舉例說明：,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,汽車碰撞護(hù)欄的計(jì)算機(jī)模擬,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,某載貨車前軸有限元分析（東風(fēng)汽車工程研究院CAE室）,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,,強(qiáng)風(fēng)吹圓柱的速度模擬,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,核電站煙囪整體有限元模型,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)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(fēng)和地震作用下的受力、變形、破壞情況

26、。,1.2 力學(xué)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧,,工程力學(xué)課程中所涉及兩部分內(nèi)容，是自然科學(xué)發(fā)展中長(zhǎng)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(dǎo)社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際理論分析方法之一。,1.3 工程力學(xué)的研究方法,建立力學(xué)模型 歸納和演繹 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),a) 建立力學(xué)模型,,,1.3 工程力學(xué)的研究方法,,1.3 工程力學(xué)的研究方法,當(dāng)將下列圓環(huán)視為剛體時(shí)，力具有可傳性。,1.3 工程力學(xué)的研究方法,,通過合理簡(jiǎn)化以建立力學(xué)模型，是進(jìn)行理論分析計(jì)算

27、的基礎(chǔ)。在今后的學(xué)習(xí)中，我們不僅要掌握一些基本的典型的力學(xué)模型的建立方法，而且要善于將較復(fù)雜的研究對(duì)象合理簡(jiǎn)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(xué)的研究方法,力的可傳性不適用于變形體,1.3 工程力學(xué)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(huì)介紹。,b) 歸納和演繹,演繹：利用一般的定理、定律和公式，對(duì)一個(gè)具體的問題進(jìn)行演繹分析計(jì)算，獲得結(jié)果；（熟悉）歸納：對(duì)具體物體的研究成果進(jìn)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(xué)的研究方法,c) 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn),對(duì)理論學(xué)習(xí)知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步深刻理解理論知識(shí)；掌握力學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代測(cè)試方法 ，提高實(shí)際操作技能和解決實(shí)際問題的能力，為今后的工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,1.3 工程力學(xué)的研究方法,1.4 工程力學(xué)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(xué)習(xí)的重點(diǎn)。,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(duì)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(yīng)當(dāng)滿足一定的條件使其滿足靜力平衡。,1.4 工程力學(xué)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(yīng)當(dāng)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(xué)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