工程力学1绪论课件.ppt

工 程 力 学,第1章 绪论,1.1 什么是工程力学 1.2 力学发展的简要回顾1.3 工程力学的研究方法1.4 工程力学的基本研究主线,1.1 什么是工程力学,力学是研究力与运动的科学。大到宇宙，小到基本粒子，力与运动无所不在。,1.1 什么是工程力学,力学的地位,力学横跨自然科学与工程技术。,1.1 什么是工程力学,力的作用与物质的运动是自然界和人类活动最基本的现象，它所阐明的规律带有普遍的性质，这奠定了力学在科学体系中的基础（科学）地位。力学以工程和自然界的真实介质和系统为研究对象，绝大多数科学技术和工程领域不断提出大量新的力学问题急需解决，力学植根于国民经济和国防建设的各个门类。这又奠定了力学的工程技术地位。,1.1 什么是工程力学,工程力学是力学学科的一个分支,工程力学是研究实际工程中的力学问题，并将力学原理应用于工程技术领域的科学。,1.1 什么是工程力学,工程力学课程的主要内容,静力学材料力学,1.1 什么是工程力学,什么是静力学？,静力学又称刚体静力学，主要是研究刚性物体在平衡状态时的受力问题。刚性物体是假定物体不变形的一种理想化状态。平衡状态是一种特殊的运动状态。,1.1 什么是工程力学,什么是材料力学？,材料力学以变形固体为研究对象，主要研究变形固体的受力、变形、破坏的一门科学。,1.1 什么是工程力学,如何确保施工中的桥梁面板正确对接？,桥梁面板如何受力？桥梁面板如何变形？如何确保桥梁安全服役？（长期服役不破坏是最基本的要求）,1.1 什么是工程力学,这就需要研究拉索、桥梁面板的受力、变形和破坏时的安全余量。,1.1 什么是工程力学,1.2 力学发展的简要回顾,力学是人类科学历史上起源最早的学科之一，来源于人类早期的生产实践。,1.2 力学发展的简要回顾,1.2 力学发展的简要回顾,帕特农神庙,建于438B.C.,1.2 力学发展的简要回顾,古罗马的农神庙,The Forum.Examples of early Roman column construction can be seen in the 39 ft.4 in.granite columns of the Temple of Saturn(AD 284,left foreground)and the 48 ft.5 in.high columns of the Temple of Castor and Pollux(AD 6,right background).(Rome,Italy),1.2 力学发展的简要回顾,1.2 力学发展的简要回顾,金字塔,有关力学最早的文字叙述,墨翟(di)（公元前468382）在他所著的墨经里，已对力和运动，下了适当的定义：“力，形之所以奋也。”书中论述了杠杆的平衡问题。指出，杠杆的平衡不但取决于加在两端的重量，还与“本”（重臂）、“标”（力臂）的长短有关，进而得出“长、重者下，短、轻者上”的结论。,1.2 力学发展的简要回顾,希腊哲学家亚里斯多德Aristotle,384B.C.322B.C.也提出了杠杆平衡(equilibrium of levers)问题。同时还提出了影响今后近2千年的力学观点。如地心说、物体下落说等唯象说。,1.2 力学发展的简要回顾,阿基米德（公元前 287212）古希腊伟大的数学家、力学家。生于西西里岛的叙拉古，卒于同地。他和I.牛顿、C.F.高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家。在他的两本著作里，论平面图形的平衡、论浮体用了明确而普遍的方式.建立了杠杆平衡学说(Relationships for the equilibrium of levers)，奠定了几何静力学(Statics for geometry)、重心静力学(Statics for barycenter)。,1.2 力学发展的简要回顾,达.芬奇（14521519）莱昂纳多.达.芬奇是意大利文艺复兴时期的第一位画家，也是整个欧洲文艺复兴时期最杰出的代表人物之一。他是一位思想深邃、学识渊博、多才多艺的艺术大师、科学巨匠、文艺理论家、大哲学家、诗人、音乐家、工程师和发明家。他在几乎每个领域都做出了巨大的贡献。后代的学者称他是“文艺复兴时代最完美的代表”，是“第一流的学者”，是一位“旷世奇才”。所有的以及更多的赞誉他都当之无愧。提出了力矩(moment)的概念、自由落体(falling bodies)经验公式等,1.2 力学发展的简要回顾,芬兰史蒂芬（15481620）由斜面问题的研究，得出了力的合成(composition of forces)与力的分解（Decompose of forces)定律，即力的平行四边形原理；,1.2 力学发展的简要回顾,法国科学家法利农（1654一1722）提出了力矩moment定理；潘索（17771859）提出了力偶couple of moment的概念及有关的理论，使得静力学的理论得到了进一步的发展。,1.2 力学发展的简要回顾,静力学通过两千年的发展，到19世纪已形成了一门相对完整的学问。为当时社会的简单工具、土木建筑、桥梁、交通工具等发展作出了重要贡献。,举例如下：,1.2 力学发展的简要回顾,河北赵县赵州桥,1.2 力学发展的简要回顾,意大利比萨斜塔,1.2 力学发展的简要回顾,自然科学随同文艺复兴以及社会的巨大变革开始发展起来。力学通过漫长的停滞后在动力学方面得到了迅速发展。,由于社会变革，当时从行会手工业生产转变为工场手工业生产。,研究机械的运动和寻找它的规律的任务被提了出来；,航海需要天文学（天体力学）的帮助；,在战争中广泛利用火炮，提出了弹道学这一中心同题。,随着上述任务的需求，动力学首先得到了发展。,1.2 力学发展的简要回顾,哥白尼(14731543)伟大的波兰天文学家，日心说的创立者，近代天文学的奠基人 他的天体运行论的太阳中心学说，在科学界引起了宇宙观的大革命；,1.2 力学发展的简要回顾,开普勒（15711630）根据哥白尼的学说以及其他天文学家的观测资料，得出了行星运动三大定律，成为牛顿万有引力(universal gravitation)的基础。,1.2 力学发展的简要回顾,伽利略(Glileo,15641642)在科学史上是一位难得的天才，是意大利文艺复兴后期，伟大的力学家、天文学家、哲学家。近代实验物理学的开拓者，被誉为“近代科学之父”。后人称他为“科学实验之父”。,1.2 力学发展的简要回顾,伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律。接着在1585年因家庭经济困难辍学。离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作。他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为天平的论文。不久又写了论文论重力，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。与此同时，他对亚里士多德的许多观点提出质疑。,1.2 力学发展的简要回顾,在15891591年间，伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。根据伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载，落体实验是在比萨斜塔上公开进行的，但在伽利略的著作中并未明确说明实验是在比萨斜塔上进行的。因此近年来对此存在争议。,1.2 力学发展的简要回顾,伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。,1.2 力学发展的简要回顾,1.2 力学发展的简要回顾,利略曾非正式地提出过惯性定律（见牛顿运动定律）和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。,伽利略还提出过合力定律，抛射体运动规律，并确立了伽利略相对性原理.伽利略在力学方面的贡献是多方面的。这在他晚年写出的力学著作关于两门新科学的谈话和数学证明中有详细的描述。在这本不朽著作中，除动力学外，还有不少关于材料力学的内容。例如，他阐述了关于梁的弯曲试验和理论分析，正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。他指出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。他还分析过受集中载荷的简支梁，正确指出最大弯矩在载荷下，且与它到两支点的距离之积成比例。伽利略还对梁弯曲理论用于实践所应注意的问题进行了分析，指出工程结构的尺寸不能过大，因为它们会在自身重量作用下发生破坏。他根据实验得出，动物形体尺寸减小时，躯体的强度并不按比例减小。他说：“一只小狗也许可以在它背上驮两三只同样大小的狗，但我相信一匹马也许连一匹和它同样大小的马也驮不起。”,1.2 力学发展的简要回顾,伽利略关于梁的试验,1.2 力学发展的简要回顾,惠更斯Christiaan Huygens16291695,1.2 力学发展的简要回顾,两个弹性球碰撞的问题，伽利略以及他以前的学者就曾经讨论过，但是都没有得到什么重要的结论。惠更斯在论文论物体的碰撞运动中对碰撞问题进行了系统的讨论。他讨论的前提是：惯性定律，碰撞是完全弹性的。在这样的条件下他提出13个命题，得到了一些重要的定律。如：“两个物体相互碰撞时，它们的质量乘其速度平方之和在碰撞前后保持不变。”（1669年）,1.2 力学发展的简要回顾,牛顿(Isac ewton,1642，12，251727，3，20，84岁)出生于一个中等农户家中。,1.2 力学发展的简要回顾,牛顿对整个自然科学的最重要的贡献是他的巨著自然哲学的数学原理。这本书出版于1687年，书中提出了万有引力理论并且系统总结了前人对动力学的研究成果，后人将这本书所总结的经典力学系统称为牛顿力学。,1.2 力学发展的简要回顾,自然哲学的数学原理最早版本,1.2 力学发展的简要回顾,在整个18、19世纪里，牛顿成为整个自然科学的偶像。牛顿与牛顿力学的影响所以这样大，是由于：,1.2 力学发展的简要回顾,首先，牛顿力学最后证明了力学原理不仅能适用于地球上的石头下落，也适用于天上的星球运动。它是普遍适用的。牛顿力学进一步支持了哥白尼学说，而且将它发展到新阶段。,1.2 力学发展的简要回顾,科学总是以客观规律取代神或人造的各种成见。牛顿在原理中的名言：“我不虚构假设”，这是科学的宣言。,1.2 力学发展的简要回顾,其次，在科学的方法论上，是从实验和观察归纳总结出规律，然后依据这规律指导人们去认识新的现象。,1.2 力学发展的简要回顾,在供奉国王和国王加冕的西敏寺，仅摆了两位科学家的雕刻：牛顿；达尔文。,1.2 力学发展的简要回顾,经典力学是从哥白尼提出的太阳中心学说开始，由伽利略奠基，而由牛顿总其成的。,1.2 力学发展的简要回顾,值得注意的是：,最伟大的科学家几乎都集中在这一学科，如伽利略、惠更斯、牛顿、胡克、莱布尼兹、伯努利、拉格朗日、欧拉、达朗伯等。由于这些杰出科学家的努力，借助于当时取得的数学进展，使力学取得了十分辉煌的成就，在整个知识领域中起着支配作用。,1.2 力学发展的简要回顾,进入19世纪后，欧洲各主要国家相继完成了工业革命，大机器工业生产对力学提出了更高的要求。为适应当时土木建筑、机械制造和交通运输的发展，主要是材料力学、结构力学和流体力学得到了发展和完善。建筑、机械中出现的大量强度和刚度问题，由材料力学或结构力学计算。作为探索普遍规律而进行的基础研究，弹性力学也取得了很大的进展。,1.2 力学发展的简要回顾,20世纪以来形成了近代力学,1900年直至1960年，力学随着航空航天的发展形成了近代力学。力学还解决了核爆炸中对猛烈炸药爆轰的精密控制、强爆炸波的传播、反应堆的热应力等重要问题。,1.2 力学发展的简要回顾,近代力学的新时代：力学+计算机,20世纪60年代兴起的有限元法，能够将一个复杂的结构经离散化处理为有限单元的组合后，计算机可以对这种复杂的结构系统迅速计算出结果。有限元法是力学、数学、与计算机的巧妙结合，她一出现，就显示出无比的优越性，被广泛地应用于工程技术的各个领域，例如汽车碰撞、复杂结构的服役过程模拟等这类复杂的设计与计算，已成为现实。,举例说明：,1.2 力学发展的简要回顾,汽车碰撞护栏的计算机模拟,1.2 力学发展的简要回顾,某载货车前轴有限元分析（东风汽车工程研究院CAE室）,1.2 力学发展的简要回顾,强风吹圆柱的速度模拟,1.2 力学发展的简要回顾,核电站烟囱整体有限元模型,1.2 力学发展的简要回顾,核电站竖直烟囱固定支架与烟囱连接局部,分析核电站竖直烟囱在龙卷风和地震作用下的受力、变形、破坏情况。,1.2 力学发展的简要回顾,工程力学课程中所涉及两部分内容，是自然科学发展中长期积累的经典内容；是人类智慧的结晶；目前，仍是正确指导社会生产实际理论分析方法之一。,1.3 工程力学的研究方法,建立力学模型 归纳和演绎 力学性能实验,a)建立力学模型,1.3 工程力学的研究方法,1.3 工程力学的研究方法,当将下列圆环视为刚体时，力具有可传性。,1.3 工程力学的研究方法,通过合理简化以建立力学模型，是进行理论分析计算的基础。在今后的学习中，我们不仅要掌握一些基本的典型的力学模型的建立方法，而且要善于将较复杂的研究对象合理简化为分析模型，这将有助于提高我们的抽象思维和创新思维能力。,1.3 工程力学的研究方法,力的可传性不适用于变形体,1.3 工程力学的研究方法,关于力的可传性及其限制，在后续课程中将会介绍。,b)归纳和演绎,演绎：利用一般的定理、定律和公式，对一个具体的问题进行演绎分析计算，获得结果；（熟悉）归纳：对具体物体的研究成果进行总结提炼，寻找出具有普遍性的规律和结论，并获得触类旁通分析方法。（不熟悉）,1.3 工程力学的研究方法,c)力学性能实验,对理论学习知识进行实验验证，进一步深刻理解理论知识；掌握力学实验的现代测试方法，提高实际操作技能和解决实际问题的能力，为今后的工程结构实验打下坚实的基础。,1.3 工程力学的研究方法,1.4 工程力学的基本研究主线,受力分析及静力平衡条件 变形的几何相容条件 力与变形间的物理关系 上述三条既是基本的研究主线，也是本课程学习的重点。,受力分析及静力平衡条件,研究物体受到什么力的作用；而对于处于平衡状态的物体，则物体或其中任何一部分的受力，应当满足一定的条件使其满足静力平衡。,1.4 工程力学的基本研究主线,变形的几何相容条件,连续性假设，固体不仅在受力前是均匀连续的，受力后只要未发生破坏，仍然应当是均匀连续的。根据连续性假设，研究固体在受力状态下的几何关系。,1.4 工程力学的基本研究主线,力与变形间的物理关系,现象：物体一受力就要发生变形；采用一种关系式表达力与变形间的关系；,1.4 工程力学的基本研究主线,思考题：,工程力学课程主要包含那些基本内容？力学的发展历史与这些内容有哪些关联？,