本文關(guān)鍵詞：工程力學(xué)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

工程力學(xué)[技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科] - 發(fā)展簡史

工程力學(xué)

力學(xué)知識最早起源于對自然現(xiàn)象的觀察和在生產(chǎn)勞動中的經(jīng)驗。人們在建筑、灌溉等勞動中使用杠桿、斜面、汲水等器具，逐漸積累起對平衡物體受力情況的認(rèn)識。古希臘的阿基米德對杠桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統(tǒng)研究，確定它們的基本規(guī)律，初步奠定了靜力學(xué)即平衡理論的基礎(chǔ)。

古代人還從對日、月運行的觀察和弓箭、車輪等的使用中，了解一些簡單的運動規(guī)律，如勻速的移動和轉(zhuǎn)動。但是對力和運動之間的關(guān)系，只是在歐洲 文藝復(fù)興時期以后才逐漸有了正確的認(rèn)識。

伽利略在實驗研究和理論分析的基礎(chǔ)上，最早闡明自由落體運動的規(guī)律，提出加速度的概念。牛頓繼承和發(fā)展前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律)，提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓運動定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。

此后，力學(xué)的研究對象由單個的自由質(zhì)點，轉(zhuǎn)向受約束的質(zhì)點和受約束的質(zhì)點系。這方面的標(biāo)志是達(dá)朗貝爾提出的達(dá)朗貝爾原理，和拉格朗日建立的分析力學(xué)。其后，歐拉又進(jìn)一步把牛頓運動定律用于剛體和理想流體的運動方程，這看作是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的開端。

運動定律和物性定律這兩者的結(jié)合，促使彈性固體力學(xué)基本理論和粘性流體力學(xué)基本理論孿生于世，在這方面作出貢獻(xiàn)的是納維、柯西、泊松、斯托克斯等人。彈性力學(xué)和流體力學(xué)基本方程的建立，使得力學(xué)逐漸脫離物理學(xué)而成為獨立學(xué)科。

從牛頓到漢密爾頓的理論體系組成了物理學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)。在彈性和流體基本方程建立后，所給出的方程一時難于求解，工程技術(shù)中許多應(yīng)用力學(xué)問題還須依靠經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法解決。這使得19世紀(jì)后半葉，在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)同彈性力學(xué)之間，水力學(xué)和水動力學(xué)之間一直存在著風(fēng)格上的顯著差別。

20世紀(jì)初，隨著新的數(shù)學(xué)理論和方法的出現(xiàn)，力學(xué)研究又蓬勃發(fā)展起來，創(chuàng)立了許多新的理論，同時也解決了工程技術(shù)中大量的關(guān)鍵性問題，如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題等。

這時的先導(dǎo)者是普朗特和卡門，他們在力學(xué)研究工作中善于從復(fù)雜的現(xiàn)象中洞察事物本質(zhì)，又能尋找合適的解決問題的數(shù)學(xué)途徑，逐漸形成一套特有的方法。從20世紀(jì)60年代起，計算機的應(yīng)用日益廣泛，力學(xué)無論在應(yīng)用上或理論上都有了新的進(jìn)展。

力學(xué)在中國的發(fā)展經(jīng)歷了一個特殊的過程。與古希臘幾乎同時，中國古代對平衡和簡單的運動形式就已具備相當(dāng)水平的力學(xué)知識，所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統(tǒng)。

在文藝復(fù)興前的約一千年時間內(nèi)，整個歐洲的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展緩慢，而中國科學(xué)技術(shù)的綜合性成果堪稱卓著，其中有些在當(dāng)時世界居于領(lǐng)先地位。這些成果反映出豐富的力學(xué)知識，但終未形成系統(tǒng)的力學(xué)理論。到明末清初，中國科學(xué)技術(shù)已顯著落后于歐洲。

人類對力學(xué)的一些基本原理的認(rèn)識，一直可以追溯到史前時代。在中國古代及古希臘的著作中，已有關(guān)于力學(xué)的敘述。但在中世紀(jì)以前的建筑物是靠經(jīng)驗建造的。1638年3月出版的伽利略的著作《關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明》被認(rèn)為是世界上第一本材料力學(xué)著作，但他對于梁內(nèi)應(yīng)力分布的研究還是很不成熟的。C.-L.-M.-H.納維于1819年提出了關(guān)于梁的強度及撓度的完整解法。1821年5月14日，納維在巴黎科學(xué)院宣讀的論文《在一物體的表面及其內(nèi)部各點均應(yīng)成立的平衡及運動的一般方程式》被認(rèn)為是彈性理論的創(chuàng)始。其后，1870年A.J.C.B.de圣維南又發(fā)表了關(guān)于塑性理論的論文。

工程力學(xué)

水力學(xué)也是一門古老的學(xué)科。早在中國春秋戰(zhàn)國時期(公元前5～前4世紀(jì))，墨翟就在《墨經(jīng)》中敘述過物體所受浮力與其排開的液體體積之間的關(guān)系。L.歐拉提出了理想流體的運動方程式。物體流變學(xué)是研究較廣義的力學(xué)運動的一個新學(xué)科。1928年，美國的E.C.賓厄姆倡議設(shè)立流變學(xué)學(xué)會，這門學(xué)科才受到了普遍的重視。土力學(xué)在20世紀(jì)初期即逐漸形成，并在40年代以后獲得了迅速發(fā)展。在其形成以及發(fā)展的初期，K.泰爾扎吉（一譯太沙基）起了重要作用。巖體力學(xué)是一門年輕的學(xué)科，20世紀(jì)50年代開始組織專題學(xué)術(shù)討論，其后并已由對具有不連續(xù)面的硬巖性質(zhì)的研究擴展到對軟巖性質(zhì)的研究。巖體力學(xué)是以工程力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)兩門學(xué)科的融合而發(fā)展的。

從17世紀(jì)到20世紀(jì)前半期，連續(xù)體力學(xué)的特點是研究各個物體的性質(zhì)，如梁的剛度與強度，柱的穩(wěn)定性，變形與力的關(guān)系，彈性模量，粘性模量等。這一時期的連續(xù)體力學(xué)是從宏觀的角度，通過實驗分析與理論分析，研究物體的各種性質(zhì)。它是由質(zhì)點力學(xué)的定律推廣到連續(xù)體力學(xué)的定律，因而自然也出現(xiàn)一些矛盾。于是，基于20世紀(jì)前半期物理學(xué)的進(jìn)展并以現(xiàn)代數(shù)學(xué)（如張量、元、群、泛函、模、希爾伯特空間等）為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了一門新的學(xué)科──理性力學(xué)。1945年，M.賴納提出了關(guān)于粘性流體分析的論文，1948年，R.S.里夫林提出了關(guān)于彈性固體分析的論文，逐步奠定了所謂理性連續(xù)體力學(xué)的新體系。

隨著結(jié)構(gòu)工程技術(shù)的進(jìn)步，工程學(xué)家也同力學(xué)家和數(shù)學(xué)家一樣對工程力學(xué)的進(jìn)步做出了貢獻(xiàn)。如在桁架發(fā)展的初期并沒有分析方法，到1847年，美國的橋梁工程師S.惠普爾才發(fā)表了正確的桁架分析方法。電子計算機的應(yīng)用，現(xiàn)代化實驗設(shè)備的使用，新型材料的研究，新的施工技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)的應(yīng)用等，促使工程力學(xué)日新月異地發(fā)展。

工程力學(xué)[技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科] - 學(xué)科內(nèi)容

工程力學(xué)

物理科學(xué)的建立是從力學(xué)開始的。在物理科學(xué)中，人們曾用純粹力學(xué)理論解釋機械運動以外的各種形式的運動，如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運動等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機械(力學(xué))的自然觀而獲得健康發(fā)展時，力學(xué)則在工程技術(shù)的推動下按自身邏輯進(jìn)一步演化，逐漸從物理學(xué)中獨立出來。

20世紀(jì)初，相對論指出牛頓力學(xué)不適用于高速或宇宙尺度內(nèi)的物體運動；20年代，量子論指出牛頓力學(xué)不適用于微觀世界。這反映人們對力學(xué)認(rèn)識的深化，即認(rèn)識到物質(zhì)在不同層次上的機械運動規(guī)律是不同的。所以通常理解的力學(xué)，是指以宏觀的機械運動為研究內(nèi)容的物理學(xué)分支學(xué)科。許多帶“力學(xué)”名稱的學(xué)科，如熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、相對論力學(xué)、電動力學(xué)、量子力學(xué)等，在習(xí)慣上被認(rèn)為是物理學(xué)的其它分支，不屬于力學(xué)的范圍。

力學(xué)與數(shù)學(xué)在發(fā)展中始終相互推動，相互促進(jìn)。一種力學(xué)理論往往和相應(yīng)的一個數(shù)學(xué)分支相伴產(chǎn)生，如運動基本定律和微積分，運動方程的求解和常微分方程，彈性力學(xué)及流體力學(xué)和數(shù)學(xué)分析理論，天體力學(xué)中運動穩(wěn)定性和微分方程定性理論等，因此有人甚至認(rèn)為力學(xué)應(yīng)該也是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)。但是力學(xué)和其它物理學(xué)分支一樣，還有需要實驗基礎(chǔ)的一面，而數(shù)學(xué)尋求的是比力學(xué)更帶普遍性的數(shù)學(xué)關(guān)系，兩者有各自不同的研究對象。

力學(xué)不僅是一門基礎(chǔ)科學(xué)，同時也是一門技術(shù)科學(xué)，它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又在廣泛的應(yīng)用過程中不斷得到發(fā)展。當(dāng)工程學(xué)還只分民用工程學(xué)(即土木工程學(xué))和軍事工程學(xué)兩大分支時，力學(xué)在這兩個分支中就已經(jīng)起著舉足輕重的作用。工程學(xué)越分越細(xì)，各個分支中許多關(guān)鍵性的進(jìn)展，都有賴于力學(xué)中有關(guān)運動規(guī)律、強度、剛度等問題的解決。

力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合，促使了工程力學(xué)各個分支的形成和發(fā)展�，F(xiàn)在，無論是歷史較久的土木工程、建筑工程、水利工程、機械工程、船舶工程等，還是后起的航空工程、航天工程、核技術(shù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等，都或多或少有工程力學(xué)的活動場地。

質(zhì)點、質(zhì)點系及剛體力學(xué)是理論力學(xué)的研究對象。所謂剛體是指一種理想化的固體，其大小及形狀是固定的，不因外來作用而改變，即質(zhì)點系各點之間的距離是絕對不變的。理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)是牛頓定律，它是研究工程技術(shù)科學(xué)的力學(xué)基礎(chǔ)。

在理論物理學(xué)里，常把理論力學(xué)的重要分支如振動理論、運動穩(wěn)定性理論、陀螺儀理論等統(tǒng)稱為一般力學(xué)，而把固體及流體力學(xué)統(tǒng)稱為變形體力學(xué)，假定物體是連續(xù)的，這樣來綜合研究變形體的一般運動規(guī)律，小變形理論，大變形理論等。范圍較變形體力學(xué)更大的一個學(xué)科是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，其研究對象包括所有基本上連續(xù)分布的物質(zhì)。

固體力學(xué)包括材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)以及斷裂力學(xué)等。尤其是前三門力學(xué)在土木建筑工程上的應(yīng)用廣泛，習(xí)慣上把這三門學(xué)科統(tǒng)稱為建筑力學(xué)，以表示這是一門用力學(xué)的一般原理，研究各種作用對各種形式的土木建（構(gòu)）筑物的影響的學(xué)科。

水力學(xué)及空氣力學(xué)都是流體力學(xué)的應(yīng)用�？諝饬W(xué)研究空氣和其他氣體的靜力及動力特性，氣體與在氣流中物體的力學(xué)相互作用�？諝饬W(xué)分為兩個分支：空氣靜力學(xué)及空氣動力學(xué)。為研究在流體中結(jié)構(gòu)的行為，需要將結(jié)構(gòu)力學(xué)與流體力學(xué)相結(jié)合，這就是流體彈性力學(xué)。它又分為水動力彈性力學(xué)和空氣動力彈性力學(xué)（例如橋梁受風(fēng)振動時的自激振動和強迫振動問題）。

流變學(xué)是研究物質(zhì)的變形、流動的科學(xué)。流變體與簡單的粘性流體不同，除粘滯性以外，還要從微觀的角度來研究問題。對可塑性物體、巖土、生物細(xì)胞等種種物質(zhì)的粘性、彈性、塑性、搖溶性等性質(zhì)，，要用超出物理學(xué)、高分子化學(xué)等的邊緣學(xué)科加以綜合研究。在研究蠕變、滯后、阻尼等現(xiàn)象時，除材料的固體性質(zhì)外，還要考慮粘性性質(zhì)，即在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中引入時間的因素，這些問題的研究，就要用到流變學(xué)的理論。

土力學(xué)和巖體力學(xué)，雖然也利用到彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流變學(xué)等，但土的本構(gòu)關(guān)系，巖體的力學(xué)介質(zhì)模型都很復(fù)雜。因此，這兩個學(xué)科的基本體系與固體力學(xué)不同。

在20世紀(jì)50年代后期，隨著電子計算機和有限元法的出現(xiàn)，逐漸形成了一門交叉學(xué)科即計算力學(xué)。計算力學(xué)又分為基礎(chǔ)計算力學(xué)及工程計算力學(xué)兩個分支。后者應(yīng)用于建筑力學(xué)時，它的四大支柱是建筑力學(xué)、離散化技術(shù)、數(shù)值分析和計算機軟件；其任務(wù)是利用離散化技術(shù)和數(shù)值分析方法，研究結(jié)構(gòu)分析的計算機程序化方法，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和結(jié)構(gòu)分析圖像顯示等。

如按作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應(yīng)的性質(zhì)分類，工程力學(xué)的許多分支都可以分為靜力學(xué)與動力學(xué)。例如結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與結(jié)構(gòu)動力學(xué)，后者主要包括：結(jié)構(gòu)振動理論、波動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性理論。

由于施加在結(jié)構(gòu)上的外力幾乎都是隨機的，而材料強度在本質(zhì)上也具有非確定性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，20世紀(jì)50年代以來，概率統(tǒng)計理論在工程力學(xué)上的應(yīng)用愈益廣泛和深入，并且逐漸形成了新的分支和方法，如可靠性力學(xué)、概率有限元法等。

工程力學(xué)[技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科] - 研究方法

表2

工程力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識論的基本法則：實踐——理論——實踐。工程力學(xué)家們根據(jù)對自然現(xiàn)象的觀察，特別是定量觀測的結(jié)果，根據(jù)生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，或者根據(jù)為特定目的而設(shè)計的科學(xué)實驗的結(jié)果，提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(guān)系。為了使這種關(guān)系反映事物的本質(zhì)，工程力學(xué)家要善于抓住起主要作用的因素，屏棄或暫時屏棄一些次要因素。

表2

工程力學(xué)中把這種過程稱為建立模型。質(zhì)點、質(zhì)點系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續(xù)介質(zhì)等是各種不同的模型。在模型的基礎(chǔ)上可以運用已知的力學(xué)或物理學(xué)的規(guī)律，以及合適的數(shù)學(xué)工具，進(jìn)行理論上的演繹工作，導(dǎo)出新的結(jié)論。

表3

依據(jù)所得理論建立的模型是否合理，有待于新的觀測、工程實踐或者科學(xué)實驗等加以驗證。在理論演繹中，為了使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性，往往采用一些無量綱參數(shù)如雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、泊松比等。這些參數(shù)既反映物理本質(zhì)，又是單純的數(shù)字，不受尺寸、單位制、工程性質(zhì)、實驗裝置類型的牽制。

從局部看來，工程力學(xué)研究工作方式是多樣的：有些只是純數(shù)學(xué)的推理，甚至著眼于理論體系在邏輯上的完善化；有些著重數(shù)值方法和近似計算；有些著重實驗技術(shù)等等。而更大量的則是著重在運用現(xiàn)有力學(xué)知識，解決工程技術(shù)中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。

現(xiàn)代的工程力學(xué)實驗設(shè)備，諸如大型的風(fēng)洞、水洞，它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學(xué)技術(shù)項目，需要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究更需要對應(yīng)用對象的工藝過程、材料性質(zhì)、技術(shù)關(guān)鍵等有清楚的了解。在力學(xué)研究中既有細(xì)致的、獨立的分工，又有綜合的、全面的協(xié)作。

分實驗研究和理論分析與計算兩個方面。但兩者往往是綜合運用，互相促進(jìn)。

實驗研究包括實驗力學(xué)，結(jié)構(gòu)檢驗，結(jié)構(gòu)試驗分析。模型試驗分部分模型和整體模型試驗。結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗及整體結(jié)構(gòu)的試驗。實驗研究是驗證和發(fā)展理論分析和計算方法的主要手段。結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試還有其他的目的：①驗證結(jié)構(gòu)的機能與安全性是否符合結(jié)構(gòu)的計劃、設(shè)計與施工的要求；②對結(jié)構(gòu)在使用階段中的健全性的鑒定，并得到維修及加固的資料。

理論分析與計算結(jié)構(gòu)理論分析的步驟是首先確定計算模型，然后選擇計算方法，如表1：

結(jié)構(gòu)分析方法的主要途徑有二：利用力的平衡條件和能量法。固體力學(xué)的普遍的指導(dǎo)原理是變分原理，在計算方法上則可分為解析法和直接解法，如表2：

由于電子計算機的發(fā)展，數(shù)值解法得到很大進(jìn)展。一般有三種解法，主要項目如下表3：

工程力學(xué)[技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科] - 專業(yè)內(nèi)容

業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)：

業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)：本專業(yè)培養(yǎng)具備力學(xué)基礎(chǔ)理論知識、計算和試驗?zāi)芰�，能在各種工程(如機械、土建、材料、能源、交通、航空、船舶、水利、化工等)中從事與力學(xué)有關(guān)的科研、技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計和力學(xué)教學(xué)工作的高級工程科學(xué)技術(shù)人才。

業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求：本專業(yè)主要學(xué)習(xí)力學(xué)、數(shù)學(xué)基本理論和知識，受到必要的工程技能訓(xùn)練，具有應(yīng)用計算機和現(xiàn)代實驗技術(shù)手段解決與力學(xué)有關(guān)的工程問題的基本能力。

畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識與能力：

1．具有較扎實的自然科學(xué)基礎(chǔ)，較好的人文、藝術(shù)和社會科學(xué)基礎(chǔ)及正確運用本國語言、文字的表達(dá)能力；

2．較系統(tǒng)地掌握本專業(yè)領(lǐng)域?qū)拸V的技術(shù)理論基礎(chǔ)知識，主要包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、電工與電子技術(shù)、市場經(jīng)濟(jì)及企業(yè)管理等基礎(chǔ)知識；

3．具有較強的解決與力學(xué)有關(guān)的工程技術(shù)問題的理論分析能力與實驗技能；

4．具有較強的計算機和外語應(yīng)用能力；

5．具有較強的自學(xué)能力、創(chuàng)新意識和較高的綜合素質(zhì)。

主干學(xué)科：力學(xué)

主要課程：理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)、振動力學(xué)、計算力學(xué)、實驗力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電工與電子技術(shù)、計算機基礎(chǔ)知識及程序設(shè)計。

主要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)：包括金工、電工、電子實習(xí)，認(rèn)識實習(xí)，生產(chǎn)實習(xí)，社會實踐，課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計(論文)等，一般應(yīng)安排40周以上。

修業(yè)年限：四年

授予學(xué)位：工學(xué)學(xué)士

相近專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)、工程力學(xué)、地球信息科學(xué)與技術(shù)工程、造價、工程結(jié)構(gòu)分析、歷史建筑保護(hù)、工程給排水科學(xué)與工程糧食工程。

工程力學(xué)[技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科] - 相關(guān)詞條

社會學(xué)

教育學(xué)

學(xué)前教育

體育教育

工程管理

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