高中力學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展探析

文/高夢(mèng)釩 河北正定中學(xué) 河北石家莊 050000

決定建筑質(zhì)量好壞的最基本因素就是穩(wěn)定性，而在穩(wěn)定性方面，力學(xué)的作用極其關(guān)鍵。本文以高中力學(xué)為基礎(chǔ)，探討了高中力學(xué)與建筑力學(xué)之間存在的聯(lián)系以及土木工程中高中力學(xué)應(yīng)用與發(fā)展。

1、力學(xué)基本內(nèi)容

高中階段的物理學(xué)校中，力學(xué)是其中非常重要的一個(gè)板塊，物理學(xué)中對(duì)它的定義為物體之間的相互作用，一個(gè)物體在受到力的作用時(shí)，必然會(huì)有另一個(gè)物體在對(duì)該物體施加力。簡單來講就是有受力物就必然存在施力物，兩者之間缺一不可。除此以外，也可以根據(jù)性質(zhì)和作用效果來對(duì)力進(jìn)行分類，根據(jù)力的性質(zhì)可以將其分為：重力、摩擦力、彈力、分子力等各種不同性質(zhì)的力，根據(jù)力的作用效果可以將其分為：動(dòng)力、壓力、阻力、拉力等各種不同效果的力[1]。物理學(xué)的原理來自于我們的實(shí)際生活，每一個(gè)物理知識(shí)或原理在我們的生活中都可以得到應(yīng)用，力學(xué)同樣如此。力學(xué)問題在實(shí)際生活中都可以通過應(yīng)用力分析這種方法來進(jìn)行化簡，使其能夠用于解決實(shí)際問題。

2、高中力學(xué)與建筑力學(xué)的聯(lián)系

建筑力學(xué)中包括理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)這三個(gè)部分，作為土木工程應(yīng)用的基礎(chǔ)理論，也是依賴高中力學(xué)的基礎(chǔ)發(fā)展而來。在建筑力學(xué)中，理論力學(xué)研究的主要方向是分析物體受力以及在力的作用下，物體的平衡問題，是整個(gè)建筑力學(xué)中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，由此可見其重要性；材料力學(xué)研究的是在外力的作用下，各種物理材料自身的變化及其應(yīng)用的力學(xué)范圍等等；結(jié)構(gòu)力學(xué)則是主要研究土木工程中結(jié)構(gòu)部分的受力、傳力和優(yōu)化問題。在建筑力學(xué)中，以上三個(gè)部分各自發(fā)揮著重要的作用，并以高中力學(xué)為基礎(chǔ)，不斷進(jìn)行拓展和應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)高中力學(xué)知識(shí)加以補(bǔ)充和完善。簡單來講就是由于建筑力學(xué)在實(shí)際工程問題中的廣泛應(yīng)用，所以能夠總結(jié)出更多和更全面的力學(xué)原理和知識(shí)，從而不斷推動(dòng)高中力學(xué)的發(fā)展。由此可見，高中力學(xué)與建筑力學(xué)之間的聯(lián)系非常緊密，高中力學(xué)是建筑力學(xué)的基礎(chǔ)，建筑力學(xué)則通過實(shí)際運(yùn)用對(duì)高中力學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

3、力學(xué)在土木工程實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)例

在土木工程中，力學(xué)的主要作用是要保證建筑本身的穩(wěn)定性。石拱橋可以算是我國勞動(dòng)人民最主要的一項(xiàng)指揮結(jié)晶。石拱橋堆砌的方式看似簡單，然而其穩(wěn)定性和平衡性都需要依靠力學(xué)來實(shí)現(xiàn)。下文以一個(gè)簡單的石拱橋?qū)嵗齺韺?duì)土木工程中力學(xué)原理的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行介紹。

圖1 簡易石拱橋示意圖

如圖1所示，假設(shè)一座由4塊勢頭構(gòu)成的石拱橋，左右兩邊結(jié)構(gòu)對(duì)稱，石塊1和石塊4分別連接左右地基，石塊2、3分別連接石塊1、4，根據(jù)力的平衡原來對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，首先分別對(duì)組成石拱橋的1、2、3、4號(hào)石塊進(jìn)行受力分析，石塊1分別受到自身重力G1,橋基的反作用力F0以及石塊2的反作用力F21三種作用力的影響，運(yùn)用正交分解法即可列出相應(yīng)的方程。再對(duì)石塊2進(jìn)行同樣的受力分析，石塊2受自身重力G2，石塊1反作用力F12以及石塊3反作用力F32三種力的作用影響，同樣用正交分解法列出相應(yīng)方程。從結(jié)構(gòu)上來看，石塊3、4與石塊1、2對(duì)稱，可采用同樣的分析法，但需要注意方向相反，因此不需要再進(jìn)行受力分析。通過以上分析可以看出，運(yùn)用力的平衡原理分析每一塊構(gòu)成橋梁的石塊受力，以計(jì)算橋梁最大受力值，是保障橋梁安全性和穩(wěn)定性的主要手段。這里只是對(duì)橋梁本身的平衡性進(jìn)行了研究，橋梁在實(shí)際使用過程中的負(fù)載問題也可以采用同樣的方法進(jìn)行分析。

4、高中力學(xué)在土木工程領(lǐng)域的發(fā)展

在科技不斷進(jìn)步的影響下，高中力學(xué)在土木工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，并通過與建筑力學(xué)的融合，形成了如理論力學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)等多種力學(xué)理論。

理論力學(xué)中主要包括：靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)，可以說所有的力學(xué)分支都是在理論力學(xué)的基礎(chǔ)上建設(shè)而來，如果沒有這些理論作為基礎(chǔ)支撐，建筑力學(xué)的發(fā)展就是空中樓閣，由此可見理論力學(xué)在力學(xué)發(fā)展中的重要性。靜力力學(xué)主要研究的是：在力的作用下使物體保持平衡、建立力的平衡需要的條件和分析力的方法等內(nèi)容，研究過程中主要應(yīng)用的力學(xué)原理有合成、分解和平衡等，正交分解法、三角形法則以及平行四邊形法則等則是其主要的分析方法[2]。除此以外，無論是靜力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)都會(huì)應(yīng)用到萬有引力和牛頓運(yùn)動(dòng)定律等力學(xué)的原理，這些力學(xué)原理的基礎(chǔ)都是理論力學(xué)。

在土木工程中，固體力學(xué)的重要性同樣不可忽視，固體力學(xué)的主要研究對(duì)象為固體物質(zhì)，研究內(nèi)容為固體介質(zhì)受到外力、變形、溫度等因素的影響。以此同時(shí)，還可以將固體力學(xué)分解成為材料力學(xué)、塑性力學(xué)和彈性力學(xué)等，其中的材料力學(xué)是以力學(xué)的理論嚴(yán)厲作為基礎(chǔ)，對(duì)物體的分解、合成和平衡進(jìn)行計(jì)算；土木工程建筑領(lǐng)域同時(shí)還將彈性力學(xué)這門新的學(xué)科進(jìn)行了全面的應(yīng)用。除此以外，固體力學(xué)中的動(dòng)力學(xué)部分則是衍生于高中力學(xué)中的動(dòng)力和摩擦力等。隨著當(dāng)前科技的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了越來越廣泛的應(yīng)用，固體力學(xué)研究領(lǐng)域也開始全面應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)和方針技術(shù)，相信在計(jì)算機(jī)計(jì)算的帶動(dòng)下，固體力學(xué)的研究將會(huì)得到更加深入的發(fā)展。

關(guān)于流體力學(xué)的研究最終可以追溯到我國古代，由于其與人們的生產(chǎn)實(shí)踐練習(xí)比較緊密，因此關(guān)于流體力學(xué)的系統(tǒng)原理在很早以前就開始形成，早期的土建工程如大禹治水、都江堰等都在一定程度上對(duì)流體力學(xué)的應(yīng)用有所體現(xiàn)。進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)以后，能源需求越來越大，人們?yōu)榱藵M足對(duì)石油、天然氣的開發(fā)需求，重點(diǎn)對(duì)流體力學(xué)進(jìn)行研究和發(fā)展，并且地下流水對(duì)建筑物的影響也可以應(yīng)用流體力學(xué)的原理來測定。而流體力學(xué)的基礎(chǔ)就是液體平和理論和浮力，這也是高中力學(xué)的重要內(nèi)容。由此可以看出，流體力學(xué)在土木工程建設(shè)中重要性及其未來發(fā)展趨勢的實(shí)用性。

結(jié)語：

總而言之，整個(gè)土木建筑力學(xué)都是以高中力學(xué)為基礎(chǔ)，并通過生產(chǎn)實(shí)踐，不斷賭氣進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展，隨著當(dāng)今科技的不斷發(fā)展，高中力學(xué)也在不斷與各種先進(jìn)技術(shù)相融合以促進(jìn)建筑力學(xué)的發(fā)展，使其能夠土木建筑領(lǐng)域提供更好的幫助，增強(qiáng)現(xiàn)代建筑的安全性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。

[1]李凱凝.力學(xué)在建筑工程中的有效應(yīng)用分析[J].低碳世界,2016(22)：153-154.

[2]劉旭紅,董軍.力學(xué)在橋梁工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào) ,2000,20(3)：186-190.