工程力學(xué)-1-緒論課件

工程力學(xué)--1-緒論課件第一頁，共69頁。1.1什么是工程力學(xué)力學(xué)是研究力與運動的科學(xué)。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(xué)第二頁，共69頁。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)第三頁，共69頁。力的作用與物質(zhì)的運動是自然界和人類活動最基本的現(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)（科學(xué)）地位。力學(xué)以工程和自然界的真實介質(zhì)和系統(tǒng)為研究對象，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)植根于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個門類。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)第四頁，共69頁。工程力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個分支工程力學(xué)是研究實際工程中的力學(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)第五頁，共69頁。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)第六頁，共69頁。什么是靜力學(xué)？靜力學(xué)又稱剛體靜力學(xué)，主要是研究剛性物體在平衡狀態(tài)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(tài)。平衡狀態(tài)是一種特殊的運動狀態(tài)。1.1什么是工程力學(xué)第七頁，共69頁。什么是材料力學(xué)？材料力學(xué)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(xué)。1.1什么是工程力學(xué)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(xué)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(xué)第十頁，共69頁。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧力學(xué)是人類科學(xué)歷史上起源最早的學(xué)科之一，來源于人類早期的生產(chǎn)實踐。第十一頁，共69頁。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第十二頁，共69頁。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第十三頁，共69頁。帕特農(nóng)神廟建于438B.C.1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第十四頁，共69頁。古羅馬的農(nóng)神廟TheForum.ExamplesofearlyRomancolumnconstructioncanbeseeninthe39ft.4in.granitecolumnsoftheTempleofSaturn(AD284,leftforeground)andthe48ft.5in.highcolumnsoftheTempleofCastorandPollux(AD6,rightbackground).(Rome,Italy)1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第十五頁，共69頁。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧金字塔第十六頁，共69頁。有關(guān)力學(xué)最早的文字?jǐn)⑹?/p>

墨翟(di)（公元前468～382）在他所著的《墨經(jīng)》里，已對力和運動，下了適當(dāng)?shù)亩x：“力，形之所以奮也?！睍姓撌隽烁軛U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）的長短有關(guān)，進而得出“長、重者下，短、輕者上”的結(jié)論。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第十七頁，共69頁。希臘哲學(xué)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(xué)觀點。如地心說、物體下落說等唯象說。1.2力學(xué)發(fā)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(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三個貢獻最大的數(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(Relationshipsfortheequilibriumoflevers)

，奠定了幾何靜力學(xué)(Staticsforgeometry)、重心靜力學(xué)(Staticsforbarycenter)。1.2力學(xué)發(fā)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(fù)興時期的第一位畫家，也是整個歐洲文藝復(fù)興時期最杰出的代表人物之一。他是一位思想深邃、學(xué)識淵博、多才多藝的藝術(shù)大師、科學(xué)巨匠、文藝?yán)碚摷?、大哲學(xué)家、詩人、音樂家、工程師和發(fā)明家。他在幾乎每個領(lǐng)域都做出了巨大的貢獻。后代的學(xué)者稱他是“文藝復(fù)興時代最完美的代表”，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他都當(dāng)之無愧。

提出了力矩(moment)的概念、自由落體(fallingbodies)經(jīng)驗公式等1.2力學(xué)發(fā)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(xué)發(fā)展的簡要回顧第二十一頁，共69頁。法國科學(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coupleofmoment的概念及有關(guān)的理論，使得靜力學(xué)的理論得到了進一步的發(fā)展。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第二十二頁，共69頁。

靜力學(xué)通過兩千年的發(fā)展，到19世紀(jì)已形成了一門相對完整的學(xué)問。為當(dāng)時社會的簡單工具、土木建筑、橋梁、交通工具等發(fā)展作出了重要貢獻。舉例如下：1.2力學(xué)發(fā)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(xué)發(fā)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(xué)發(fā)展的簡要回顧第二十五頁，共69頁。

自然科學(xué)隨同文藝復(fù)興以及社會的巨大變革開始發(fā)展起來。力學(xué)通過漫長的停滯后在動力學(xué)方面得到了迅速發(fā)展。

由于社會變革，當(dāng)時從行會手工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鍪止I(yè)生產(chǎn)。研究機械的運動和尋找它的規(guī)律的任務(wù)被提了出來；航海需要天文學(xué)（天體力學(xué)）的幫助；在戰(zhàn)爭中廣泛利用火炮，提出了彈道學(xué)這一中心同題。隨著上述任務(wù)的需求，動力學(xué)首先得到了發(fā)展。1.2力學(xué)發(fā)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(xué)家，日心說的創(chuàng)立者，近代天文學(xué)的奠基人他的《天體運行論》的太陽中心學(xué)說，在科學(xué)界引起了宇宙觀的大革命；1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第二十七頁，共69頁。開普勒（1571～1630）根據(jù)哥白尼的學(xué)說以及其他天文學(xué)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(chǔ)。

1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第二十八頁，共69頁。伽利略(Glileo,1564－1642)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。近代實驗物理學(xué)的開拓者，被譽為“近代科學(xué)之父”。后人稱他為“科學(xué)實驗之父”。1.2力學(xué)發(fā)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(xué)的科學(xué)家，他利用實驗和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力學(xué)定律。1582年前后，他經(jīng)過長久的實驗觀察和數(shù)學(xué)推算，得到了擺的等時性定律。接著在1585年因家庭經(jīng)濟困難輟學(xué)。離開比薩大學(xué)期間，他深入研究古希臘學(xué)者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據(jù)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(zhì)并給出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)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(zhì)疑。1.2力學(xué)發(fā)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(xì)致的觀察。從實驗和理論上否定了統(tǒng)治千余年的亞里士多德關(guān)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(guān)。根據(jù)伽利略晚年的學(xué)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(xué)發(fā)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(yán)格的數(shù)學(xué)表達式。尤其是加速度概念的提出，在力學(xué)史上是一個里程碑。有了加速度的概念，力學(xué)中的動力學(xué)部分才能建立在科學(xué)基礎(chǔ)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)展的簡要回顧第三十二頁，共69頁。1.2力學(xué)發(fā)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(guī)律，這為牛頓正式提出運動第一、第二定律奠定了基礎(chǔ)。在經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立上，伽利略可說是牛頓的先驅(qū)。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(guī)律，并確立了伽利略相對性原理.伽利略在力學(xué)方面的貢獻是多方面的。這在他晚年寫出的力學(xué)著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》中有詳細(xì)的描述。在這本不朽著作中，除動力學(xué)外，還有不少關(guān)于材料力學(xué)的內(nèi)容。例如，他闡述了關(guān)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(xué)相似關(guān)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(yīng)注意的問題進行了分析，指出工程結(jié)構(gòu)的尺寸不能過大，因為它們會在自身重量作用下發(fā)生破壞。他根據(jù)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?！?.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第三十四頁，共69頁。伽利略關(guān)于梁的試驗1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第三十五頁，共69頁?；莞笴hristiaanHuygens

1629－16951.2力學(xué)發(fā)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(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的碰撞運動》中對碰撞問題進行了系統(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(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(nóng)戶家中。

1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第三十八頁，共69頁。牛頓對整個自然科學(xué)的最重要的貢獻是他的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。這本書出版于1687年，書中提出了萬有引力理論并且系統(tǒng)總結(jié)了前人對動力學(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)展的簡要回顧第三十九頁，共69頁。自然哲學(xué)的

數(shù)學(xué)原理

最早版本1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第四十頁，共69頁。在整個18、19世紀(jì)里，牛頓成為整個自然科學(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)展的簡要回顧第四十一頁，共69頁。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動。它是普遍適用的。牛頓力學(xué)進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)展的簡要回顧第四十二頁，共69頁?？茖W(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)展的簡要回顧第四十三頁，共69頁。其次，在科學(xué)的方法論上，是從實驗和觀察歸納總結(jié)出規(guī)律，然后依據(jù)這規(guī)律指導(dǎo)人們?nèi)フJ(rèn)識新的現(xiàn)象。1.2力學(xué)發(fā)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(xué)家的雕刻：牛頓；達爾文。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第四十五頁，共69頁。經(jīng)典力學(xué)是從哥白尼提出的太陽中心學(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)展的簡要回顧第四十六頁，共69頁。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、達朗伯等。由于這些杰出科學(xué)家的努力，借助于當(dāng)時取得的數(shù)學(xué)進展，使力學(xué)取得了十分輝煌的成就，在整個知識領(lǐng)域中起著支配作用。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第四十七頁，共69頁。進入19世紀(jì)后，歐洲各主要國家相繼完成了工業(yè)革命，大機器工業(yè)生產(chǎn)對力學(xué)提出了更高的要求。為適應(yīng)當(dāng)時土木建筑、機械制造和交通運輸?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、機械中出現(xiàn)的大量強度和剛度問題，由材料力學(xué)或結(jié)構(gòu)力學(xué)計算。作為探索普遍規(guī)律而進行的基礎(chǔ)研究，彈性力學(xué)也取得了很大的進展。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第四十八頁，共69頁。20世紀(jì)以來形成了近代力學(xué)1900年直至1960年，力學(xué)隨著航空航天的發(fā)展形成了近代力學(xué)。力學(xué)還解決了核爆炸中對猛烈炸藥爆轟的精密控制、強爆炸波的傳播、反應(yīng)堆的熱應(yīng)力等重要問題。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第四十九頁，共69頁。近代力學(xué)的新時代：力學(xué)+計算機20世紀(jì)60年代興起的有限元法，能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的結(jié)構(gòu)經(jīng)離散化處理為有限單元的組合后，計算機可以對這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)迅速計算出結(jié)果。有限元法是力學(xué)、數(shù)學(xué)、與計算機的巧妙結(jié)合，她一出現(xiàn)，就顯示出無比的優(yōu)越性，被廣泛地應(yīng)用于工程技術(shù)的各個領(lǐng)域，例如汽車碰撞、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的服役過程模擬等這類復(fù)雜的設(shè)計與計算，已成為現(xiàn)實。舉例說明：1.2力學(xué)發(fā)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(xué)發(fā)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(fēng)汽車工程研究院CAE室）1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第五十二頁，共69頁。強風(fēng)吹圓柱的速度模擬1.2力學(xué)發(fā)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(xué)發(fā)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(fēng)和地震作用下的受力、變形、破壞情況。1.2力學(xué)發(fā)展的簡要回顧第五十五頁，共69頁。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)社會生產(chǎn)實際理論分析方法之一。第五十六頁，共69頁。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)性能實驗第五十七頁，共69頁。a)建立力學(xué)模型F1F2q1.3工程力學(xué)的研究方法第五十八頁，共69頁。1.3工程力學(xué)的研究方法第五十九頁，共69頁。當(dāng)將下列圓環(huán)視為剛體時，力具有可傳性。1.3工程力學(xué)的研究方法第六十頁，共69頁。通過合理簡化以建立力學(xué)模型，是進行理論分析計算的基礎(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(chuàng)新思維能力。1.3工程力學(xué)的研