物理力學原理在土木工程中的應用探析

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(鄭州市第一中學)

對物理力學進行了簡單介紹，從摩擦力、壓力、合力以及重力幾個方面，對物理力學原理在土木工程的應用展開了深入的分析探討，希望能給高中生在物理力學學習方面一定的參考，并使其在學習物理的過程中也對物理力學知識在土木工程中的應用具備一定的認識。

土木工程 高中物理 力學原理

土木工程是國家建設的基礎行業，而力學作為一種從初中便開始學習的知識，在物理學科中的內容所占比例較大，同時，力學原理和知識在土木工程中也有十分廣泛的應用，甚至可以說是土木工程的基礎?；诖?，文章以筆者在物理力學學習過程中獲得的相關知識為基礎，就物理力學在土木工程中的應用展開詳細探究。

一、物理力學的概述

力學其本質就是物體與物體之間的相互作用，當一個物體受到一個作用力時，說明此時還有一個施加該作用力的物體，前者為受力物體，后者為施力物體。從力學的效果和性質出發則可以將力分為兩類，其中效果力包括支持力、壓力以及阻力、動力、支持力以及拉力等；性質力則主要包括電磁力、摩擦力、分子力以及重力等。在高中物理中的力學原理就是研究力的分解、合成以及平衡，該部分內容是物理力學的基礎，也貫穿于整個物理力學中。

物理力學原理在土木工程中的應用則主要體現在建筑力學上。建筑力學可以進一步分為結構力學、材料力學和理論力學三部分。其中材料力學主要是對土木工程結構的傳力和受力的研究，核心內容為如何實現建筑結構的優化；材料力學則是對土木工程中材料在各種外力作用下所產生的各種應力、強度以及剛度等內容的研究，核心內容為土木工程中使用何種材料以保障質量；理論力學則是主要研究土木工程中各個物體在作用力下的平衡問題，核心內容為如何保障建筑物的穩定。但無論是材料力學、結構力學還是理論力學都是在物理力學原理的基礎上發展出來的，屬于力學原理的一個具體應用。

二、力學原理在土木工程的具體應用

(一)摩擦力的應用

摩擦力是物理力學中最為常見的一種力的類型，而在我們的日常生活中，摩擦力則是存在于生活的各個方面，甚至可以說這個世界上如果沒有了摩擦力，整個世界都不可能繼續運轉。在土木工程中力學原理的應用，摩擦力則是最為廣泛的部分。例如，施工人員在施工中使用滑輪將土木施工中材料吊起的動力，就是摩擦力轉變而來。此外，在土木工程的施工中，摩擦力的應用也具體體現在提升建筑物的穩定性上，通過將建筑中各個接觸面的壓力增大，繼而產生更大的重力和摩擦力作用，達到建筑工程穩定性提升的效果。對于土木工程而言，將摩擦力充分合理地應用其中，是工程建設水平提升的一個標志，可有效減少對施工材料的磨損，并確保施工效果，同時也可提升建筑的安全穩定性，因此，摩擦力在土木工程中起著不可取代的作用。

(二)壓力的應用

壓力是高中物理力學中另一種最為常見的一個類型的力，而我們所學習的壓力、重力等多種形式的力，則是現代土木工程建設的理論基礎所在，也是不斷推進土木工程發展的基礎性知識。物理力學中的壓力原理在土木工程的應用和摩擦力有很大的相似，也是用于對建筑物穩定性的提升，同時還有助于工程施工范圍的拓展。例如，在橋梁架設工程中，施工人員便需要通過對橋梁和橋墩受到壓力的情況進行測量，來判斷橋梁的穩定性。在橋梁建設完成后，施工人員還需要通過對壓力的測量以判斷建設質量。

(三)重力的應用

重力是物理力學中基礎的力之一，其原理也是在土木工程中應用最多的物理學原理之一。基于對重力的計算，可幫助施工人員確定在土木施工的過程中各個階段施工材料的不同作用。同時重力作為土木工程中評斷施工質量的一個重要的指標，在具體的土木工程建設也中也可結合壓力，對建筑質量進行測量。例如在土木工程施工材料的運輸上，便可以利用對重力和反作用力的結合計算，調節材料運輸的無用功率和有用功率之間的關系，繼而起到節約運輸成本的目的。

(四)合力的應用

能量守恒是物理力學原理中的基礎，同時也是物理力學原理在土木工程中利用的主要體現所在。例如，可通過對建筑物不同結構合力的計算來判斷建筑的穩定性，選擇最為經濟合理的材料。以下通過一個實際案例，就物理力學中合力在土木工程的應用進行介紹：

拱橋在我國具有很長的存在歷史，同時也是我國在世界上的名片之一，而拱橋作為我國最古老土木工程的代表作之一，如何將幾塊石塊疊在一起，保障其平衡和穩定，則是充分將物理力學原理應用于其中。如圖1所示為一簡單的拱橋結構的示意圖，假設該拱橋由四塊石塊拼接而成。對第一塊石塊進行受力分析，假設第一塊石塊的重力為G1，其受到兩個壓力和一個重力保持平衡，兩個壓力分別為底座的支持力F0和第二塊石塊的壓力F21，通過正交分解進行計算，可知F0=1.15G1、F21=0.67G1。然后，對其第二塊石塊進行分析，如圖3所示為其受力分析圖，其受到第一塊石塊的和第三塊石塊的壓力F12、F32和自己的重力G2，基于受力平衡通過正交分解對其進行計算得知F12=1.2G2、F32=7.13G2。第三塊和第四塊與第一塊和第二塊對稱受力情況相似。通過以上對每一塊石塊受力情況的分析，便可以選擇最大受力值作為承載力的最小設計值。此處沒有將車輛和行人的重力考慮其中，但原理一致，因此也可用于對橋梁最大載重的計算。這些都是物理力學中力學原理在其中的具體應用。

三、結論

綜上所述，高中物理力學原理是建筑力學理論的基礎，而高中物理力學中摩擦力、壓力、重力以及合力都在土木工程建設中具有十分重要的應用，是土木工程建設的理論基礎。筆者從高中生角度，以自身所學習到的高中物理力學知識和了解到的土木工程知識出發，提出了一些自己的觀點和看法，希望能給和我一樣的高中生在物理力學學習方面提供參考，并在未來工作后能夠將學到的相關力學原理更好地應用到土木工程中，為我國的基礎設施建設提升做出自己的貢獻。

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