工程力學(xué)概論工程力學(xué)是一門(mén)研究物體在外力作用下運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律的學(xué)科。它是工程技術(shù)的基礎(chǔ)，對(duì)解決實(shí)際工程問(wèn)題至關(guān)重要。力學(xué)的定義物理學(xué)分支力學(xué)是研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支。研究對(duì)象主要研究物體在外力作用下的運(yùn)動(dòng)和變形。基本概念包括力、質(zhì)量、時(shí)間和空間等基本概念。力學(xué)的發(fā)展歷程1古代亞里士多德提出自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的概念。2中世紀(jì)伽利略發(fā)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3近代牛頓建立經(jīng)典力學(xué)體系，奠定現(xiàn)代力學(xué)基礎(chǔ)。4現(xiàn)代愛(ài)因斯坦相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，拓展力學(xué)研究范圍。力學(xué)的研究對(duì)象機(jī)械系統(tǒng)研究各種機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和受力情況。建筑結(jié)構(gòu)分析建筑物在各種載荷下的受力狀態(tài)。航空航天探討飛行器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。力學(xué)的研究?jī)?nèi)容靜力學(xué)研究物體在靜止?fàn)顟B(tài)下的力平衡條件。運(yùn)動(dòng)學(xué)研究物體運(yùn)動(dòng)的幾何特性，不考慮引起運(yùn)動(dòng)的原因。動(dòng)力學(xué)研究物體運(yùn)動(dòng)與作用力之間的關(guān)系。材料力學(xué)研究材料在外力作用下的內(nèi)力分布和變形規(guī)律。力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域力學(xué)的研究方法理論分析建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)力學(xué)定律。實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，獲取數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算。工程應(yīng)用將力學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題。基本概念(1)：力定義力是物體間的相互作用，可以改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或形狀。特征力是矢量，具有大小、方向和作用點(diǎn)。單位國(guó)際單位制中，力的單位是牛頓(N)。基本概念(2)：力的組成1合力2分力3力偶4力矩力可以分解為多個(gè)分力，也可以合成為一個(gè)合力。力偶是兩個(gè)大小相等、方向相反、不共線(xiàn)的平行力。力矩是力對(duì)點(diǎn)或軸的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)。基本概念(3)：力的平衡靜力平衡物體在多個(gè)力作用下保持靜止?fàn)顟B(tài)。動(dòng)力平衡物體在多個(gè)力作用下保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。力矩平衡物體受到的所有力矩的代數(shù)和為零。基本概念(4)：力的傳遞接觸力通過(guò)物體間的直接接觸傳遞。遠(yuǎn)程力如重力、電磁力等，可以隔空傳遞。內(nèi)力在物體內(nèi)部各部分之間傳遞。基本概念(5)：力的釋放1彈性變形物體受力后發(fā)生形變，卸載后恢復(fù)原狀。2塑性變形物體受力后發(fā)生永久變形，無(wú)法完全恢復(fù)。3斷裂物體受力超過(guò)極限強(qiáng)度后發(fā)生破壞。基本概念(6)：應(yīng)變與應(yīng)力應(yīng)變物體在外力作用下的相對(duì)變形量。可分為正應(yīng)變、剪應(yīng)變等。應(yīng)力物體內(nèi)部單位面積上的內(nèi)力。包括正應(yīng)力、剪應(yīng)力等。基本概念(7)：剛體與變形體剛體理想化模型，假設(shè)物體在外力作用下不發(fā)生變形。變形體考慮物體在外力作用下的變形，更接近實(shí)際情況。應(yīng)用剛體用于簡(jiǎn)化分析，變形體用于精確計(jì)算。基本概念(8)：內(nèi)力與外力外力作用在物體表面的力，如重力、壓力等。內(nèi)力物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力。平衡關(guān)系外力與內(nèi)力在任何截面上都保持平衡。基本概念(9)：靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)靜力學(xué)研究物體在靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力平衡問(wèn)題。動(dòng)力學(xué)研究物體運(yùn)動(dòng)與作用力之間的關(guān)系，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。基本概念(10)：理想化與簡(jiǎn)化1實(shí)際問(wèn)題2物理模型3數(shù)學(xué)模型4計(jì)算結(jié)果力學(xué)研究中常需要對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行理想化和簡(jiǎn)化，建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型，以便進(jìn)行分析和計(jì)算。基本概念(11)：?jiǎn)挝恢婆c標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)際單位制(SI)力學(xué)中常用的基本單位包括米(m)、千克(kg)、秒(s)等。工程單位如噸(t)、牛頓(N)、帕斯卡(Pa)等。標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)單位和符號(hào)，便于交流和計(jì)算。力學(xué)的基本定律(1)：牛頓運(yùn)動(dòng)定律1慣性定律物體保持靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非受到外力作用。2加速度定律物體加速度與所受合外力成正比，與質(zhì)量成反比。3作用力與反作用力兩個(gè)物體之間的作用力總是成對(duì)出現(xiàn)，大小相等，方向相反。力學(xué)的基本定律(2)：能量守恒定律定義在孤立系統(tǒng)中，能量的總量保持不變，只能在不同形式間轉(zhuǎn)化。形式包括動(dòng)能、勢(shì)能、熱能、電磁能等。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。力學(xué)的基本定律(3)：動(dòng)量守恒定律定義在沒(méi)有外力作用時(shí)，系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。公式動(dòng)量=質(zhì)量×速度碰撞在完全彈性碰撞中，動(dòng)量和動(dòng)能都守恒。力學(xué)的基本定律(4)：角動(dòng)量守恒定律定義在沒(méi)有外力矩作用時(shí)，系統(tǒng)的總角動(dòng)量保持不變。公式角動(dòng)量=轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×角速度應(yīng)用如陀螺儀、冰上旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。力學(xué)研究的一般步驟1問(wèn)題分析明確研究對(duì)象、條件和目標(biāo)。2模型建立建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型。3理論分析應(yīng)用力學(xué)原理和方法進(jìn)行推導(dǎo)。4數(shù)值計(jì)算利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論結(jié)果的準(zhǔn)確性。力學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)建模微分方程描述物體運(yùn)動(dòng)或變形的基本數(shù)學(xué)模型。邊界條件反映物體與周?chē)h(huán)境的相互作用。初始條件描述物體的初始狀態(tài)。力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算分析解析法通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到問(wèn)題的精確解。數(shù)值法利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行近似計(jì)算，如有限元法。圖解法通過(guò)繪制圖形來(lái)直觀(guān)地解決力學(xué)問(wèn)題。力學(xué)問(wèn)題的誤差分析1模型誤差由物理模型簡(jiǎn)化引起的誤差。2計(jì)算誤差數(shù)值計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。3測(cè)量誤差實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)量誤差。4系統(tǒng)誤差由設(shè)備、環(huán)境等因素引起的系統(tǒng)性誤差。力學(xué)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型試驗(yàn)在縮小或放大的模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如風(fēng)洞試驗(yàn)。原型試驗(yàn)在實(shí)際工程對(duì)象上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如橋梁荷載試驗(yàn)。數(shù)據(jù)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證理論結(jié)果。力學(xué)問(wèn)題的應(yīng)用實(shí)例力學(xué)知識(shí)的繼承與創(chuàng)新經(jīng)典理論牢固掌握經(jīng)典力學(xué)理論。新興領(lǐng)域關(guān)注跨學(xué)科研究和新興應(yīng)用。計(jì)算方法開(kāi)發(fā)先進(jìn)的數(shù)