工程力學--1-緒論課件第一頁，共69頁。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第二頁，共69頁。力學的地位力學橫跨自然科學與工程技術。1.1什么是工程力學第三頁，共69頁。力的作用與物質的運動是自然界和人類活動最基本的現象，它所闡明的規律帶有普遍的性質，這奠定了力學在科學體系中的基礎（科學）地位。力學以工程和自然界的真實介質和系統為研究對象，絕大多數科學技術和工程領域不斷提出大量新的力學問題急需解決，力學植根于國民經濟和國防建設的各個門類。這又奠定了力學的工程技術地位。1.1什么是工程力學第四頁，共69頁。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領域的科學。1.1什么是工程力學第五頁，共69頁。工程力學課程的主要內容靜力學材料力學1.1什么是工程力學第六頁，共69頁。什么是靜力學？靜力學又稱剛體靜力學，主要是研究剛性物體在平衡狀態時的受力問題。剛性物體是假定物體不變形的一種理想化狀態。平衡狀態是一種特殊的運動狀態。1.1什么是工程力學第七頁，共69頁。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第八頁，共69頁。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第九頁，共69頁。這就需要研究拉索、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第十頁，共69頁。1.2力學發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實踐。第十一頁，共69頁。1.2力學發展的簡要回顧第十二頁，共69頁。1.2力學發展的簡要回顧第十三頁，共69頁。帕特農神廟建于438B.C.1.2力學發展的簡要回顧第十四頁，共69頁。古羅馬的農神廟TheForum.ExamplesofearlyRomancolumnconstructioncanbeseeninthe39ft.4in.granitecolumnsoftheTempleofSaturn(AD284,leftforeground)andthe48ft.5in.highcolumnsoftheTempleofCastorandPollux(AD6,rightbackground).(Rome,Italy)1.2力學發展的簡要回顧第十五頁，共69頁。1.2力學發展的簡要回顧金字塔第十六頁，共69頁。有關力學最早的文字敘述

墨翟(di)（公元前468～382）在他所著的《墨經》里，已對力和運動，下了適當的定義：“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，進而得出“長、重者下，短、輕者上”的結論。1.2力學發展的簡要回顧第十七頁，共69頁。希臘哲學家亞里斯多德Aristotle,384B.C.－322B.C.也提出了杠桿平衡(equilibriumoflevers)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力學發展的簡要回顧第十八頁，共69頁。阿基米德（公元前287～212）古希臘偉大的數學家、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(Relationshipsfortheequilibriumoflevers)

，奠定了幾何靜力學(Staticsforgeometry)、重心靜力學(Staticsforbarycenter)。1.2力學發展的簡要回顧第十九頁，共69頁。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、多才多藝的藝術大師、科學巨匠、文藝理論家、大哲學家、詩人、音樂家、工程師和發明家。他在幾乎每個領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(fallingbodies)經驗公式等1.2力學發展的簡要回顧第二十頁，共69頁。芬蘭史蒂芬（1548～1620）由斜面問題的研究，得出了力的合成(compositionofforces)與力的分解（Decomposeofforces)定律，即力的平行四邊形原理；FFyFxFF2F11.2力學發展的簡要回顧第二十一頁，共69頁。法國科學家法利農（1654一1722）提出了力矩moment定理；潘索（1777～1859）提出了力偶coupleofmoment的概念及有關的理論，使得靜力學的理論得到了進一步的發展。1.2力學發展的簡要回顧第二十二頁，共69頁。

靜力學通過兩千年的發展，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、土木建筑、橋梁、交通工具等發展作出了重要貢獻。舉例如下：1.2力學發展的簡要回顧第二十三頁，共69頁。河北趙縣趙州橋1.2力學發展的簡要回顧第二十四頁，共69頁。意大利比薩斜塔1.2力學發展的簡要回顧第二十五頁，共69頁。

自然科學隨同文藝復興以及社會的巨大變革開始發展起來。力學通過漫長的停滯后在動力學方面得到了迅速發展。

由于社會變革，當時從行會手工業生產轉變為工場手工業生產。研究機械的運動和尋找它的規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展。1.2力學發展的簡要回顧第二十六頁，共69頁。哥白尼(1473～1543)

偉大的波蘭天文學家，日心說的創立者，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力學發展的簡要回顧第二十七頁，共69頁。開普勒（1571～1630）根據哥白尼的學說以及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(universalgravitation)的基礎。

1.2力學發展的簡要回顧第二十八頁，共69頁。伽利略(Glileo,1564－1642)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”。1.2力學發展的簡要回顧第二十九頁，共69頁。伽利略是第一個把實驗引進力學的科學家，他利用實驗和數學相結合的方法確定了一些重要的力學定律。1582年前后，他經過長久的實驗觀察和數學推算，得到了擺的等時性定律。接著在1585年因家庭經濟困難輟學。離開比薩大學期間，他深入研究古希臘學者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據杠桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為《天平》的論文。不久又寫了論文《論重力》，第一次揭示了重力和重心的實質并給出準確的數學表達式，因此聲名大振。與此同時，他對亞里士多德的許多觀點提出質疑。1.2力學發展的簡要回顧第三十頁，共69頁。在1589～1591年間，伽利略對落體運動作了細致的觀察。從實驗和理論上否定了統治千余年的亞里士多德關于“落體運動法則”確立了正確的“自由落體定律”，即在忽略空氣阻力條件下，重量不同的球在下落時同時落地，下落的速度與重量無關。根據伽利略晚年的學生V.維維亞尼的記載，落體實驗是在比薩斜塔上公開進行的，但在伽利略的著作中并未明確說明實驗是在比薩斜塔上進行的。因此近年來對此存在爭議。1.2力學發展的簡要回顧第三十一頁，共69頁。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力學發展的簡要回顧第三十二頁，共69頁。1.2力學發展的簡要回顧利略曾非正式地提出過慣性定律（見牛頓運動定律）和外力作用下物體的運動規律，這為牛頓正式提出運動第一、第二定律奠定了基礎。在經典力學的創立上，伽利略可說是牛頓的先驅。第三十三頁，共69頁。伽利略還提出過合力定律，拋射體運動規律，并確立了伽利略相對性原理.伽利略在力學方面的貢獻是多方面的。這在他晚年寫出的力學著作《關于兩門新科學的談話和數學證明》中有詳細的描述。在這本不朽著作中，除動力學外，還有不少關于材料力學的內容。例如，他闡述了關于梁的彎曲試驗和理論分析，正確地斷定梁的抗彎能力和幾何尺寸的力學相似關系。他指出，對長度相似的圓柱形梁，抗彎力矩和半徑立方成比例。他還分析過受集中載荷的簡支梁，正確指出最大彎矩在載荷下，且與它到兩支點的距離之積成比例。伽利略還對梁彎曲理論用于實踐所應注意的問題進行了分析，指出工程結構的尺寸不能過大，因為它們會在自身重量作用下發生破壞。他根據實驗得出，動物形體尺寸減小時，軀體的強度并不按比例減小。他說：“一只小狗也許可以在它背上馱兩三只同樣大小的狗，但我相信一匹馬也許連一匹和它同樣大小的馬也馱不起。”1.2力學發展的簡要回顧第三十四頁，共69頁。伽利略關于梁的試驗1.2力學發展的簡要回顧第三十五頁，共69頁。惠更斯ChristiaanHuygens

1629－16951.2力學發展的簡要回顧第三十六頁，共69頁。兩個彈性球碰撞的問題，伽利略以及他以前的學者就曾經討論過，但是都沒有得到什么重要的結論。惠更斯在論文《論物體的碰撞運動》中對碰撞問題進行了系統的討論。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，它們的質量乘其速度平方之和在碰撞前后保持不變。”（1669年）1.2力學發展的簡要回顧第三十七頁，共69頁。牛頓(Isacewton,1642，12，25－1727，3，20，84歲)出生于一個中等農戶家中。

1.2力學發展的簡要回顧第三十八頁，共69頁。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總結了前人對動力學的研究成果，后人將這本書所總結的經典力學系統稱為牛頓力學。1.2力學發展的簡要回顧第三十九頁，共69頁。自然哲學的

數學原理

最早版本1.2力學發展的簡要回顧第四十頁，共69頁。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力學發展的簡要回顧第四十一頁，共69頁。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，而且將它發展到新階段。1.2力學發展的簡要回顧第四十二頁，共69頁。科學總是以客觀規律取代神或人造的各種成見。牛頓在《原理》中的名言：“我不虛構假設”，這是科學的宣言。1.2力學發展的簡要回顧第四十三頁，共69頁。其次，在科學的方法論上，是從實驗和觀察歸納總結出規律，然后依據這規律指導人們去認識新的現象。1.2力學發展的簡要回顧第四十四頁，共69頁。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力學發展的簡要回顧第四十五頁，共69頁。經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力學發展的簡要回顧第四十六頁，共69頁。值得注意的是：最偉大的科學家幾乎都集中在這一學科，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學進展，使力學取得了十分輝煌的成就，在整個知識領域中起著支配作用。1.2力學發展的簡要回顧第四十七頁，共69頁。進入19世紀后，歐洲各主要國家相繼完成了工業革命，大機器工業生產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的發展，主要是材料力學、結構力學和流體力學得到了發展和完善。建筑、機械中出現的大量強度和剛度問題，由材料力學或結構力學計算。作為探索普遍規律而進行的基礎研究，彈性力學也取得了很大的進展。1.2力學發展的簡要回顧第四十八頁，共69頁。20世紀以來形成了近代力學1900年直至1960年，力學隨著航空航天的發展形成了近代力學。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力學發展的簡要回顧第四十九頁，共69頁。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，能夠將一個復雜的結構經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構系統迅速計算出結果。有限元法是力學、數學、與計算機的巧妙結合，她一出現，就顯示出無比的優越性，被廣泛地應用于工程技術的各個領域，例如汽車碰撞、復雜結構的服役過程模擬等這類復雜的設計與計算，已成為現實。舉例說明：1.2力學發展的簡要回顧第五十頁，共69頁。汽車碰撞護欄的計算機模擬1.2力學發展的簡要回顧第五十一頁，共69頁。某載貨車前軸有限元分析（東風汽車工程研究院CAE室）1.2力學發展的簡要回顧第五十二頁，共69頁。強風吹圓柱的速度模擬1.2力學發展的簡要回顧第五十三頁，共69頁。核電站煙囪整體有限元模型1.2力學發展的簡要回顧第五十四頁，共69頁。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。1.2力學發展的簡要回顧第五十五頁，共69頁。工程力學課程中所涉及兩部分內容，是自然科學發展中長期積累的經典內容；是人類智慧的結晶；目前，仍是正確指導社會生產實際理論分析方法之一。第五十六頁，共69頁。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第五十七頁，共69頁。a)建立力學模型F1F2q1.3工程力學的研究方法第五十八頁，共69頁。1.3工程力學的研究方法第五十九頁，共69頁。當將下列圓環視為剛體時，力具有可傳性。1.3工程力學的研究方法第六十頁，共69頁。通過合理簡化以建立力學模型，是進行理論分析計算的基礎。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新思維能力。1.3工程力學的研