[科普中国]-工程力学

定义

工程力学是以构件为研究对象，运用力学的一般规律分析和求解构件受力的情况及平衡问题，建立构件安全工作的力学条件的一门学科。同时，为了使设计符合经济原则，又要求少用材料或用廉价材料。工程力学的任务就是合理地解决这一矛盾，为实现既安全又经济的设计提供理论依据和计算方法。2

研究内容工程力学包括理论力学（静力学部分）和材料力学两部分内容。

静力学部分主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件，同时也研究物体受力的分析方法以及力系的简化的方法等。此外，工程力学研究的是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学的范畴。理论力学所研究的是这种运动中最一般、最普通的规律，是各门力学分支的基础。静力学不仅是材料力学的基础，也是结构力学、弹性力学等许多课程的基础。

材料力学部分研究构件在外力作用下的变形与破坏（或失效）的规律，为合理设计构件提供有关强度、刚度与稳定性分析的基本理论与方法。工程构件失效或破坏的形式很多，但工程力学范畴内的实效通常分为三种：强度、刚度、稳定性。为保障构件正常工作，对构件设计提出如下要求：

（1）构件应具备足够的强度（即抵抗破坏的能力），以保证在规定的使用条件下不发生意外断裂或显著塑性变形；

（2）构件应具备足够的刚度（即抵抗变形的能力），以保证在规定的使用条件下不发生过大变形；

（3）构件应具备足够的稳定性（即保持原有平衡形式的能力），以保证在规定的使用条件下不失稳。3

研究方法任何正确的研究方法，一定要符合辩证唯物主义的认识论。工程力学也必须遵循这个正确的认识规律进行研究和发展。传统的力学研究方法有两种，即理论方法和试验方法。

在对事物观察和实验的基础上，经过抽象化建立力学模型，形成概念。客观事物都是具体的、复杂的。为找出其共同规律性，必须抓住主要因素，舍弃次要因素，建立抽象化的力学模型。例如：在研究物体受外力作用而平衡时，可以忽略物体形状的改变，采用刚体模型；但要分析物体内部的受力状态，必须考虑到物体的变形，建立弹性体的模型。这种抽象化、理想化的方法，不仅简化了所研究的问题，而且能够达到足够的计算精度，满足工程的需要。

工程力学成功地运用逻辑推理和|演绎的方法，由少量最基本的规律出发，得到了从多方面揭示机械运动规律的定理、定律和公式，建立了严密的完整的理论体系。数学方法在力学的发展中起到了重大的作用，近代计算机的发展和普及，不仅能完成力学问题中大量繁杂的数值计算，而且在逻辑推理、公式推导等方面也是极有效的工具。

将工程力学的理论用于实践，在解释世界、改造世界中不断得到了验证和发展。实践是检验真理的标准，实践中所遇到的新问题又是促进理论发展的源泉。力学解决问题没有完全依赖理论推导，而是充分发挥实践的作用。如由试验测得极限强度，加以技术处理，与构建的最大工作应力值加以比较，建立强度条件，确立了防止构建失效的机制，从而确保结构安全、正常、有效地工作。

在力学解决问题的过程中，既有理论又有实验，力学理论在现实生活和工程中，被大量实践验证为正确。如在实践中出现矛盾，必须修正原有的理论，建立新的概念，才能正确指导实践，改造世界，并进一步地发展力学理论。1

发展历史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。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，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。16世纪以前力学发展较慢;中国虽然有很多水利、桥梁、土木等等的伟大工程，却没有发表过力学方面的文献;力学与数学关系紧密、力学的发展与工程的需要密不可分;现将相关文献记载的力学的里程碑式记载罗列:

托勒密(100-170)在《大汇编》中建立了太阳系运行的托勒密体系。

希罗在《气体力学》中设计了真空、水与空气的压力、虹吸管、玩具和一种用蒸汽驱动的旋转机械。

1022年，怕普斯(300-350)在《数学汇编第八卷》中汇集了古希腊对力学研究的成果。

1533年，约旦努在《重物的论述》中讨论了物体的平衡问题，包含了虚功原理的萌芽。

1543年，哥白尼在《天体运行论》中提出了太阳系的哥白尼系统。

1619年，开普勒在《宇宙的和谐》中总结了行星运行的三大定律。

1586年，斯梯芬的《静力学原理》是静力学体系标志性著作。

1627年，默森的《宇宙的和谐》是最早关于声音、音乐和乐器的著作。

1627年， 登玉函王徽在《远西奇器图说》中最早介绍了西方力学知识。

1632年，伽利略在《关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话》中系统地论证了哥白尼系统，提出惯性运动的概念。

1638年，《关于两门新科学的对话》总结了材料强度、自由落体和抛物体的运动规律。

1644年，托里拆利在《论重物的运动》中证明了孔口出流的速度与液高的平方根成比例，还指出位置最低时得好，是平衡稳定性的最早提法。

1909年，波义耳在《关于空气的弹性及其效果的物理力学新实验》中给出了能量正定性的不等式。

1909年，索维菲的《对流动转变为湍流的解释》是对层流稳定性的较早研究，得到了非自共轭的 Orr-Sommerfeld 偏微分方程。

1913年，冯 . 米赛斯在《塑性变形固体的力学》中提出固体在一定应力状态下的一种屈服 ，被称为米赛斯条件。

1915年，迦辽金在《在某些杆与板平衡问题中的级数》中提出直接离散的近似方法，被称为伽辽金方法。

1918年，诺特在《变分问题的不变量》中给出了两个关于动力系统的不变量定理，对20世纪力学和物理的发展产生了深刻的影响。

1920年，格里菲斯《固体的流动与断裂现象》是断裂力学的最早文献。4