材料力學(xué)發(fā)展史[課堂使用]

1、材料力學(xué)簡(jiǎn)史材料力學(xué)簡(jiǎn)史 材料力學(xué)的萌芽期（17世紀(jì)初） 及發(fā)展期（19世紀(jì)初） 新世紀(jì)（19世紀(jì)末現(xiàn)在）材料 力學(xué)面臨的新挑戰(zhàn) 材料力學(xué)是固體力學(xué)中最早發(fā)展起來的一 個(gè)分支，它研究材料在外力作用下的力學(xué) 性能、變形狀態(tài)和破壞規(guī)律，為工程設(shè)計(jì) 中選用材料和選擇構(gòu)件尺寸提供依據(jù)。 在固體力學(xué)各分支中，材料力學(xué)的分析和 計(jì)算方法一般說來最為簡(jiǎn)單，但材料力學(xué) 對(duì)于其他分支學(xué)科的發(fā)展起著啟蒙和奠基 作用。 材料力學(xué)材料力學(xué)(mechanics of materials)(mechanics of materials)作為作為 機(jī)械、土木、采礦、航空航天、石油工程、機(jī)械、土木、采礦、航空航天、石油工程、

2、 地質(zhì)勘探、海洋工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，地質(zhì)勘探、海洋工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科， 在設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新、增產(chǎn)措在設(shè)計(jì)、制造與生產(chǎn)、技術(shù)創(chuàng)新、增產(chǎn)措 施等方面具有重要的作用，是理工科大專施等方面具有重要的作用，是理工科大專 院校相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。院校相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。 材料力學(xué)是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁和材料力學(xué)是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁和 紐帶，起到承上啟下的作用，是幾乎所有紐帶，起到承上啟下的作用，是幾乎所有 工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程 。更是力學(xué)專業(yè)的學(xué)。更是力學(xué)專業(yè)的學(xué) 生和力學(xué)科學(xué)工作者的基礎(chǔ)。生和力學(xué)科學(xué)工作者的基礎(chǔ)。 1638年，舉世聞名

3、的年，舉世聞名的 意大利數(shù)學(xué)家，天文意大利數(shù)學(xué)家，天文 學(xué)家，力學(xué)家伽里略學(xué)家，力學(xué)家伽里略 15641642在荷蘭萊在荷蘭萊 登，出版了世界上第登，出版了世界上第 一本材料力學(xué)教本一本材料力學(xué)教本 兩種新的科學(xué)兩種新的科學(xué)首首 先提出了材料的力學(xué)先提出了材料的力學(xué) 性質(zhì)和強(qiáng)度計(jì)算的方性質(zhì)和強(qiáng)度計(jì)算的方 法。人們認(rèn)為，材料法。人們認(rèn)為，材料 力學(xué)作為一門學(xué)科，力學(xué)作為一門學(xué)科， 就從這里開始。就從這里開始。 材料力學(xué)的發(fā)展材料力學(xué)的發(fā)展 但是，任何一門科學(xué)都不可能是個(gè)別人在短期內(nèi)創(chuàng)造出來但是，任何一門科學(xué)都不可能是個(gè)別人在短期內(nèi)創(chuàng)造出來 的，而是在幾代人經(jīng)常艱苦探索和創(chuàng)造而逐漸形成的。在的，而

4、是在幾代人經(jīng)常艱苦探索和創(chuàng)造而逐漸形成的。在 科學(xué)巨匠達(dá)芬科學(xué)巨匠達(dá)芬奇、伽利略、惠更斯、庫倫、麥克斯韋、奇、伽利略、惠更斯、庫倫、麥克斯韋、 歐拉、柯西、湯姆斯歐拉、柯西、湯姆斯楊、伯努利、納維葉、圣維南等人楊、伯努利、納維葉、圣維南等人 的努力下，形成了一門系統(tǒng)的科學(xué)。的努力下，形成了一門系統(tǒng)的科學(xué)。 泊松泊松圣維南圣維南納維葉納維葉歐拉歐拉 在古代建筑中，盡管在古代建筑中，盡管 還沒有嚴(yán)格的科學(xué)理還沒有嚴(yán)格的科學(xué)理 論，但人們從長(zhǎng)期生論，但人們從長(zhǎng)期生 產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)構(gòu)件的產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)構(gòu)件的 承力情況已有一些定承力情況已有一些定 性或較粗淺的定量認(rèn)性或較粗淺的定量認(rèn) 識(shí)。例如，從圓木中識(shí)。

5、例如，從圓木中 截取矩形截面的木粱，截取矩形截面的木粱， 當(dāng)高寬比為當(dāng)高寬比為3：2時(shí)最時(shí)最 為經(jīng)濟(jì)，這大體上符為經(jīng)濟(jì)，這大體上符 合現(xiàn)代材料力學(xué)的基合現(xiàn)代材料力學(xué)的基 本原理。本原理。 早期的材料力學(xué)是以木材、石頭等脆性材早期的材料力學(xué)是以木材、石頭等脆性材 料為研究主題，由于其變形很小，所以不料為研究主題，由于其變形很小，所以不 可避免地具有很大的局限性。隨著工業(yè)的可避免地具有很大的局限性。隨著工業(yè)的 發(fā)展，在車輛、船舶、機(jī)械和大型建筑工發(fā)展，在車輛、船舶、機(jī)械和大型建筑工 程的建造中所碰到的問題日益復(fù)雜，單憑程的建造中所碰到的問題日益復(fù)雜，單憑 經(jīng)驗(yàn)已無法解決，這樣，在對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度和經(jīng)驗(yàn)已

6、無法解決，這樣，在對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度和 剛度長(zhǎng)期定量研究的基礎(chǔ)上逐漸形成了材剛度長(zhǎng)期定量研究的基礎(chǔ)上逐漸形成了材 料力學(xué)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外流行的材料力學(xué)是在料力學(xué)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外流行的材料力學(xué)是在 20世紀(jì)世紀(jì)50年代引用前蘇聯(lián)的教材和教學(xué)模年代引用前蘇聯(lián)的教材和教學(xué)模 式的基礎(chǔ)上建立起來的。式的基礎(chǔ)上建立起來的。 材料力學(xué)是一門古老的學(xué)科，在材料力學(xué)是一門古老的學(xué)科，在19世紀(jì)中葉材世紀(jì)中葉材 料力學(xué)發(fā)展到了鼎盛時(shí)期，有關(guān)材料力學(xué)中的料力學(xué)發(fā)展到了鼎盛時(shí)期，有關(guān)材料力學(xué)中的 幾個(gè)重要的問題和概念也在這段時(shí)期提出的。幾個(gè)重要的問題和概念也在這段時(shí)期提出的。 彎曲彎曲 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定穩(wěn)定 強(qiáng)度強(qiáng)度 拉伸拉伸 材料力

7、學(xué)材料力學(xué) 1 桿件的拉伸問題桿件的拉伸問題 意大利科學(xué)家伽利略（Galileo）在關(guān)于 力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)的兩門新科學(xué)的對(duì)話和數(shù)學(xué) 證明的書中嘗試用科學(xué)的解析方法確定構(gòu) 件的尺寸，討論的第一問題是直桿軸向拉伸 問題，得到承載能力與橫截面積成正比而與 長(zhǎng)度無關(guān)的正確結(jié)論。 2 梁的彎曲問題梁的彎曲問題 在關(guān)于力學(xué)和局部運(yùn)動(dòng)的兩門新科學(xué)的 對(duì)話和數(shù)學(xué)證明一書中，伽利略討論的第二 個(gè)問題是梁的彎曲強(qiáng)度問題。對(duì)于空心梁承載 能力，他說，空心梁“能大大提高強(qiáng)度而無需 增加重量，所以在技術(shù)上得到廣泛的應(yīng)用。在 自然界就更為普遍了。這樣的例子在鳥類的骨 骼和各種蘆葦中可以看到，它們既輕巧，而又 對(duì)彎曲和斷裂具

8、有相當(dāng)高的抵抗能力”。 1826年納維（Navier，C. L. M. H）才在 他的材料力學(xué)講義中給出正確的結(jié)論：中性層過橫 截面的形心。 平截面假設(shè)是材料力學(xué)計(jì)算理論的重要基礎(chǔ)之 一。雅科布伯努利于1695年提出了梁彎曲的平截面 假設(shè)，由此可以證明梁（中性層）的曲率和彎矩成 正比。此外他還得到了梁的撓曲線微分方程。 梁的變形計(jì)算問題，早在13世紀(jì)納莫爾 （Nemore J de）已經(jīng)提出。 俄羅斯鐵路工程師儒拉夫斯基于1855年得 到橫力彎曲時(shí)的切應(yīng)力公式。30年后，他的 同胞別斯帕羅夫開始使用彎矩圖，被認(rèn)為是 歷史上第一個(gè)使用彎矩圖的人。 3 關(guān)于桿件扭轉(zhuǎn)問題關(guān)于桿件扭轉(zhuǎn)問題 對(duì)于圓軸扭

9、轉(zhuǎn)問題，可以認(rèn)為法國(guó)科學(xué)家 庫侖（Coulomb C A de）分別于1777年和 1784年發(fā)表的兩篇論文是具有開創(chuàng)意義的工 作。法國(guó)力學(xué)家圣維南（Saint-Venant B de） 于19世紀(jì)中葉運(yùn)用彈性力學(xué)方法奠定了柱體 扭轉(zhuǎn)理論研究的基礎(chǔ)，因而學(xué)術(shù)界習(xí)慣將柱 體扭轉(zhuǎn)問題稱為圣維南問題。 4 關(guān)于壓桿穩(wěn)定問題關(guān)于壓桿穩(wěn)定問題 壓桿在工程實(shí)際中到處可見，早在文藝復(fù) 興時(shí)期，偉大的藝術(shù)家、科學(xué)家和工程師 達(dá)芬奇對(duì)壓桿做了一些開拓性的研究工作。 眾所周知，細(xì)長(zhǎng)桿壓曲載荷公式是數(shù)學(xué)家 歐拉首先導(dǎo)出的。 5 疲勞強(qiáng)度問題疲勞強(qiáng)度問題 隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力，稱為交變應(yīng) 力。構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下

10、，經(jīng)一定循環(huán)次 數(shù)發(fā)生的破壞，稱為疲勞破壞。1839年巴黎 大學(xué)教授龐賽洛特（Pancelet J U）在講課中 首先使用了金屬疲勞的概念。 在歷史上那些偉大的科學(xué)家的貢獻(xiàn)之上，近 代材料力學(xué)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 起源于德國(guó)的哥廷根學(xué)派，在克萊因（Klein, F.）和希爾伯特（Hilber, D.）的推動(dòng)下，形 成了以普朗特（Prandtl, L.）為首的近代應(yīng)用 力學(xué)學(xué)派。在哥廷根大學(xué)，普朗特培養(yǎng)出了 一大批的力學(xué)大師，如馮 卡門、鐵摩辛柯、 希爾、德魯克、普拉格、那戴、鄧哈托等都 是哥廷根學(xué)派的杰出代表。 而在華裔力學(xué)家中，也有大量的杰出人物，例如應(yīng)用而在華裔力學(xué)家中，也有大量的杰出人

11、物，例如應(yīng)用 數(shù)學(xué)家林家翹、被譽(yù)為數(shù)學(xué)家林家翹、被譽(yù)為“生物力學(xué)之父生物力學(xué)之父”的馮元楨、的馮元楨、 計(jì)算力學(xué)家卞學(xué)璜、流體力學(xué)家吳耀祖、計(jì)算力學(xué)家卞學(xué)璜、流體力學(xué)家吳耀祖、“預(yù)應(yīng)力之預(yù)應(yīng)力之 父父”林同炎等。我國(guó)的應(yīng)用力學(xué)的源頭也在哥廷根，林同炎等。我國(guó)的應(yīng)用力學(xué)的源頭也在哥廷根， 其代表人物有錢學(xué)森、錢偉長(zhǎng)、周培源、郭永懷、張其代表人物有錢學(xué)森、錢偉長(zhǎng)、周培源、郭永懷、張 維、錢令希、胡海昌、陸士嘉等。維、錢令希、胡海昌、陸士嘉等。 周培源錢偉長(zhǎng)錢學(xué)森 材料力學(xué)面臨的新挑戰(zhàn)材料力學(xué)面臨的新挑戰(zhàn) 自20世紀(jì)50年代以來，大量的新材料不斷 從軍工與高科技領(lǐng)域擴(kuò)展到許多工業(yè)部門。 這些材料，例

12、如復(fù)合材料、高分子材料、結(jié) 構(gòu)陶瓷、智能材料等大量使用，大大減輕了 結(jié)構(gòu)的重量，提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命。 但是經(jīng)典的基于胡克定律的線彈性小變形本構(gòu)關(guān)系已 經(jīng)無法描述上述材料的響應(yīng)，例如：航空領(lǐng)域大量采 用的纖維或者顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料本身為各向異性；工 程中大量含有裂紋的材料已非均勻連續(xù)；高分子材料 的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是與時(shí)間相關(guān)的，且大都為非線性； 新型的“軟物質(zhì)”材料是介于固體與流體之間的特殊 的“復(fù)雜流體”，還沒有恰當(dāng)?shù)谋緲?gòu)關(guān)系；碳納米管 （CNT）和其它生物材料具有反常的“負(fù)泊松比”效 應(yīng)；生物體中的某些材料其“零應(yīng)力”點(diǎn)并非為其初 始狀態(tài)；細(xì)胞粘附時(shí)需要考慮其它的“非經(jīng)典力”， 如毛細(xì)力、范

13、德華力的影響。這些現(xiàn)象都說明，新的 材料力學(xué)教材必須包含以上各種新的現(xiàn)象，例如非均 勻、各向異性、非線性、時(shí)間相關(guān)等因素。 材料力學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐材料力學(xué)與生產(chǎn)實(shí)踐 人類歷史有多久，力學(xué)的歷史就有多久。人類歷史有多久，力學(xué)的歷史就有多久。 “力力”是人類對(duì)自然的省悟。是人類對(duì)自然的省悟。 公元卅一年，即公元卅一年，即 東漢建武七年，東漢建武七年， 杜詩創(chuàng)作了水排，杜詩創(chuàng)作了水排， 表明人們已經(jīng)很表明人們已經(jīng)很 清楚地知道如何清楚地知道如何 用拉壓桿、彎曲用拉壓桿、彎曲 梁、扭轉(zhuǎn)軸等構(gòu)梁、扭轉(zhuǎn)軸等構(gòu) 件才能創(chuàng)造出一件才能創(chuàng)造出一 個(gè)完整的工程結(jié)個(gè)完整的工程結(jié) 構(gòu)。構(gòu)。 在我國(guó)，有關(guān)材料力學(xué)的生產(chǎn)實(shí)踐

14、活動(dòng)更是源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。 早在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，人們已經(jīng)知道怎樣建造大型的建筑 工程和水利工程。雄偉壯觀的萬里長(zhǎng)城，顯示了中華民 族的智慧和魄力。馳名中外的都江堰至今仍造福于川西 人民； 公元600年前后，隋大 業(yè)年間，出色的工匠李 春利用石料耐壓不耐拉 的特性，主持建造了跨 長(zhǎng)37.37米，拱圈矢高 為7.23米的拱橋，跨越 河北趙縣的洨河上，稱 為安濟(jì)橋，俗稱趙州橋。 在國(guó)際橋梁史上，它的 設(shè)計(jì)與工藝之新為當(dāng)時(shí) 世界之冠。主拱上的小 拱不僅便于排水，而且 表明工匠李春對(duì)節(jié)省材 料，減輕自身重量的效 應(yīng)已有清楚的認(rèn)識(shí)。 趙州橋趙州橋 10561056年用純木結(jié)構(gòu)建造的山西應(yīng)縣木塔年用純木結(jié)構(gòu)建造的山西應(yīng)縣木塔 巧奪天工的梁柱結(jié)構(gòu)巧奪天工的梁柱結(jié)構(gòu)這是北這是北 京天壇的祈年殿京天壇的祈年殿 水立方（采用薄膜結(jié)構(gòu)，空間鋼架的結(jié)構(gòu)水立方（采用薄膜結(jié)構(gòu)，空間鋼架的結(jié)構(gòu) ） 國(guó)家體育館國(guó)家體育館鳥鳥 巢（鋼結(jié)構(gòu)主體）巢（鋼結(jié)構(gòu)主體） 神舟七號(hào)及其宇航服神舟七號(hào)及其宇航服 （國(guó)產(chǎn)）大飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)（國(guó)產(chǎn)）大飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī) 一直發(fā)展至今，材料力學(xué)承擔(dān)著：將工程結(jié) 構(gòu)和機(jī)械中的簡(jiǎn)單構(gòu)件簡(jiǎn)化為一維桿件，計(jì) 算桿中的應(yīng)力、變形并研究桿的穩(wěn)定性，以 保證結(jié)構(gòu)能承受預(yù)定的載荷；選擇適當(dāng)?shù)牟?料、截面形狀和尺寸，以便設(shè)計(jì)出既安全又 經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和機(jī)械零件的基本任務(wù)。對(duì) 社會(huì)發(fā)展有著不可忽略的作用