工程力學(xué)發(fā)展簡史及基本研究方式

張麗

摘 要：本研究主要針對(duì)工程力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容作出深入探究，并思考當(dāng)代的工程力學(xué)的研究方式以及應(yīng)用方向。為了更好地為相關(guān)工程提供專業(yè)性的知識(shí)指導(dǎo)，應(yīng)該在了解工程力學(xué)概念的前提下對(duì)研究內(nèi)容作出相應(yīng)的應(yīng)用指導(dǎo)。只有提升工程力學(xué)的實(shí)際應(yīng)用能力，才能為人們的生產(chǎn)生活提供更好的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué) 發(fā)展簡史 研究方式

工程力學(xué)是一項(xiàng)物理技術(shù)科學(xué)，合理利用工程力學(xué)可以給人們的日常生產(chǎn)和生活提供便利。隨著我國社會(huì)的進(jìn)步，各式各樣的高科技技術(shù)已經(jīng)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而工程力學(xué)從被提出一直發(fā)展到今天，已經(jīng)經(jīng)歷了長久的研究過程，在技術(shù)被廣泛應(yīng)用的今天，工程力學(xué)也成為了人們研發(fā)新技術(shù)所離不開的一門學(xué)科。可見，研究工程力學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展是有一定促進(jìn)作用的。[1]

一、簡介工程力學(xué)

1.程力學(xué)概念

工程力學(xué)是研究有關(guān)物質(zhì)宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)。工程給力學(xué)是提出問題的，而力學(xué)的研究成果是改進(jìn)工程設(shè)計(jì)思想的。從工程上的應(yīng)用來說，工程力學(xué)包括：質(zhì)點(diǎn)及剛體力學(xué)，固體力學(xué)，流體力學(xué)，流變學(xué)，土力學(xué)，巖體力學(xué)等。其最基礎(chǔ)的部分包括靜力學(xué)和材料力學(xué)。人類對(duì)力學(xué)的一些基本原理的認(rèn)識(shí)，一直可以追溯到史前時(shí)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(yàn)建造的。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(duì)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(jì)算機(jī)的應(yīng)用，現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)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。[2]

在物理科學(xué)中，人們曾用純粹力學(xué)理論解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)以外的各種形式的運(yùn)動(dòng)，如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機(jī)械（力學(xué)）的自然觀而獲得健康發(fā)展時(shí)，力學(xué)則在工程技術(shù)的推動(dòng)下按自身邏輯進(jìn)一步演化，逐漸從物理學(xué)中獨(dú)立出來。

2.程力學(xué)發(fā)展簡史

1638年3月伽利略出版的著作《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(duì)于梁內(nèi)應(yīng)力分布的研究還是很不成熟的。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(yùn)動(dòng)三定律），提出物體運(yùn)動(dòng)三定律。伽利略、牛頓奠定了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。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)。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(dòng)力學(xué)之間一直存在著風(fēng)格上的顯著差別。

在20世紀(jì)50年代，出現(xiàn)了一些極端條件下的工程技術(shù)問題，所涉及的溫度高達(dá)幾千度到幾百萬度，壓力達(dá)幾萬到幾百萬大氣壓，應(yīng)變率達(dá)百萬分之一～億分之一秒等。從20世紀(jì)60年代起，計(jì)算機(jī)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。

工程力學(xué)之所以出現(xiàn)，一方面是迫切要求能有一種有效的手段，預(yù)知介質(zhì)和材料在極端條件下的性質(zhì)及其隨狀態(tài)參量變化的規(guī)律；另一方面是近代科學(xué)的發(fā)展，特別是原子分子物理和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的建立和發(fā)展，物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律已經(jīng)比較清楚，為從微觀狀態(tài)推算出宏觀特性提供了基礎(chǔ)和可能。

二、工程力學(xué)的研究方式

雖然工程力學(xué)引用了近代物理和近代化學(xué)的許多結(jié)果，但它并不完全是統(tǒng)計(jì)物理或者物理化學(xué)的一個(gè)分支，因?yàn)闊o論是近代物理還是近代化學(xué)，都不能完全解決工程技術(shù)里所提出的各種具體問題。近代工程技術(shù)和尖端科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，特別需要深入研究各種宏觀狀態(tài)下物體內(nèi)部原子、分子所處的微觀狀態(tài)和相互作用過程，從而認(rèn)識(shí)宏觀狀態(tài)參量擴(kuò)大后物體的宏觀性質(zhì)和變化規(guī)律。

工程力學(xué)雖然還處在萌芽階段，很不成熟，而且繼承有關(guān)老學(xué)科的地方較多，但作為力學(xué)的一個(gè)新分支，確有一些獨(dú)具的特點(diǎn)。工程力學(xué)主要研究平衡現(xiàn)象，如氣體、液體、固體的狀態(tài)方程，各種熱力學(xué)平衡性質(zhì)和化學(xué)平衡的研究等。對(duì)于這類問題，工程力學(xué)主要借助統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法。力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合，促使了工程力學(xué)各個(gè)分支的形成和發(fā)展。現(xiàn)在，無論是歷史較久的土木工程、建筑工程、水利工程、機(jī)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(dòng)場地。

工程力學(xué)包括實(shí)驗(yàn)力學(xué)、結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析。模型試驗(yàn)分部分模型和整體模型試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn)及整體結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究是驗(yàn)證和發(fā)展理論分析和計(jì)算方法的主要手段。[3]

三、工程力學(xué)的研究方向

現(xiàn)代的工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)綜合性的科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目，需要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究更需要對(duì)應(yīng)用對(duì)象的工藝過程、材料性質(zhì)、技術(shù)關(guān)鍵等有清楚的了解。工程力學(xué)家們根據(jù)對(duì)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(yàn)和數(shù)據(jù)，或者根據(jù)為特定目的而設(shè)計(jì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(guān)系。

工程力學(xué)的許多分支都可以再分為靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)。例如結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，后者主要包括：結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論、波動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)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(jī)的，而材料強(qiáng)度在本質(zhì)上也具有非確定性。

五、工程力學(xué)未來的發(fā)展趨勢

工程力學(xué)的建立和發(fā)展，不但可直接為工程技術(shù)提供所需介質(zhì)和材科的物性，也將為力學(xué)和其他學(xué)科的發(fā)展創(chuàng)造條件。我國工程力學(xué)在未來的應(yīng)用前景十分廣闊，近代工程技術(shù)和尖端科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，特別需要深入研究各種宏觀狀態(tài)下物體內(nèi)部原子、分子所處的微觀狀態(tài)和相互作用過程，從而認(rèn)識(shí)宏觀狀態(tài)參量擴(kuò)大后物體的宏觀性質(zhì)和變化規(guī)律。

結(jié)語

通過上文的論述，使讀者深入了解了目前我國工程力學(xué)的發(fā)展簡史以及研究方式，同時(shí)對(duì)工程力學(xué)有了更深層次的理解。對(duì)我國未來工程力學(xué)的發(fā)展研究有了更明確的認(rèn)知。只有提升了工程力學(xué)的專業(yè)性，才能更好地為相關(guān)工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王長連；土木工程力學(xué)發(fā)展簡史與基本研究方法簡介[A]；第二屆全國力學(xué)史與方法論學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]；2005年

[2]莊表中、王惠明編著，理論力學(xué)工程應(yīng)用新實(shí)例，高等教育出版社，2009.7

[3][英]季天健、AdrianBeii著，武岳、孫曉穎、李強(qiáng)譯，感知結(jié)構(gòu)概念（Seeingand Touching Structural Concepts），高等教育出版社，2009.10