工程案例力學原理的整理及提煉

張應遷 付 磊 文華斌 李 良 羅云蓉

（四川理工學院機械工程學院，四川 自貢643000）

0 引言

力學是最早產生并獲得發展的科學之一。人們在生成勞動中，創造了一些簡單的工具和機械(如斜面、杠桿等)，并在不斷使用和改進這些工具和機械中，積累了不少經驗，從經驗里獲得知識，形成了力學規律的起點。我國古代在“墨經”、“考工記”、“論衡”、“天工開物”等書籍中，對于力的概念、杠桿原理、滾動摩擦、材料的強度等方面的知識都有相當多的記載。

19世紀以前，力學是物理學的主導。從19世紀末開始，力學與物理學有了明確的分工，力學研究宏觀現象，物理研究微觀或宇觀現象。物理為基礎學科，力學帶有技術的性質。當然，隨著科學的發展，兩者必有融合之處。

20世紀以來，與航空工業及其他技術的發展緊密相關，力學的許多專門分支如彈塑性理論、流體與氣體動力學、非線性振動理論、自動控制、運動穩定性理論、陀螺儀理論、變質量力學和飛行力學等各方面都取得了迅速發展和巨大成就。20世紀力學發展的特點是出現了大批新的邊緣學科，力學正在越來越多地滲入其它有關學科中。

1997年錢學森首次提出“工程力學走過了從工程設計的輔助手段到中心主要手段的過程，不是唱配角而是唱主角了”這樣振奮人心的口號。

力學是必須理論聯系實際的；一方面是精深的力學理論,另一方面是工程實際急待解決的問題。必須以理論去解決實際問題，要得到在生產第一線工作的工程師的歡迎。萬萬不可只發表論文，不解決實際問題，讓工程師們覺得有你沒有你一個樣!怎樣做到理論聯系實際?必須深入實際。但到了現場，實際就在眼前，你也可能抓不到問題的要害。原因何在?缺少分析洞察問題的能力!怎樣培養分析洞察問題的能力?

知識是能力的基礎、能力是知識的運用。力學主要培養以及鍛煉人的觀察能力、建模能力以及提煉問題能力。

1 案例收集

人們常說“處處留心皆學問，人情練達即文章”，主要是強調要留心周圍的事物。其實力學并不遙遠，力學就在身邊。大到宇宙、星系，小到細部、粒子；遠至古代文物，近至家長里短；深奧到衛星原理和星系演化，優雅到詩畫欣賞。可以說無一不涉及到力學[1]，而一旦涉及到力學又有相應的話題。案例收集可以從以下幾個方面來實現：

1.1 留心日常生活中的力學現象

要收集整理和力學相關的案例素材，一定要做生活的有心人，仔細留心周圍生活。從而才有可能發現其中和力學相關的現象。比如摩擦，提到摩擦，一般想到是阻礙物體運動，耗損結構的動能，大多想到摩擦是有害的。其實，摩擦又是和人類關系最密切的，一旦沒有了摩擦力，人類就無法行走，只能像溜冰一樣滑來滑去；又比如下雨、下雪天，汽車車輪容易打滑，轉彎的時候一般都要減速等等都是日常生活中和摩擦相關的問題。再比如日常生活中常見的開瓶器，開瓶器的基本原理就是利用自鎖原理，以很小的體積與力就可以拔起塞得很緊的瓶塞。通過對這一類問題的整理，可以從日常生活當中整理出大量實例，便于理論力學教學的展開[2]。

1.2 留心新聞報道

2013年6月4日上午，國航一架執飛成都—廣州航班的波音757飛機在起飛后不久，飛機機載雷達罩在數千米高空被撞出一個大凹洞，機組隨后立即決定返航，在半個小時后航班安全回到成都雙流機場，事件未造成人員傷亡。該實例生動形象的闡明了“鳥撞”問題，通過該實例不但可以說明碰撞的巨大破壞力，還能引申解釋為什么機場周圍不能養鳥以及機場為何有專門的驅鳥部門等；2007年8月12日，在位于陜西南路和南昌路交叉路口的上海地鐵10號線建設工地，一輛正在作業的吊車突然側翻，一名工人被砸傷。這名傷者在被送往醫院途中因失血過多死亡。該實例說明吊車操作人員必須要懂得必要的力學知識，否則吊裝過程中的安全事故就不可避免。工程施工中在起吊重物時，有嚴格的操作過程，通常有“十八不吊”的安全要求，特別是在起吊大型構件應進行力學的平衡計算，否則釀成吊車的翻倒事故。通過每天大量的新聞瀏覽和閱讀，可以收集整理大量的和力學相關的工程案例。對于理論和實踐相結合的課程案例教學是相當有裨益的。

2 案例力學模型的提煉

有了大量的貼近生活、工程的力學案例，怎樣提煉其中的力學模型，這也對從事力學教學的教師提出了更高的要求。比如液壓汽車起重機吊臂的受力簡化，將油壓缸筒簡化為二力桿，汽車底盤簡化為鉸支座。如果忽略吊臂自重的情況下，這樣吊臂的受力就可簡化為三力匯交平衡。通過列平衡方程或者采用力的三角形都能比較容易的得到油壓缸筒以及汽車底盤的受力，從而可以指導起重機吊臂的設計和制造。通過分析還可以研究油壓缸筒在升舉過程中，得到汽車底盤受力與油壓缸筒長度關系的曲線，從而可以優化汽車底盤的受力。另外，還可以研究吊臂采用的截面型鋼與吊臂受力變形等的關系，以及油壓缸筒可能會發生的屈曲、后屈曲等工程問題。可見，哪怕是針對一個常見的工程實例，要提煉其中的力學模型也不是一件容易的事。它涉及到很多基本的概念，包括約束的抽象、受力的簡化等。而工程實際的約束問題要根據結構的運動來抽象簡化，它沒有一成不變的[3]。比如內燃機活塞連桿，可能在xoy面內，兩端的約束要簡化成鉸支；而在yoz面內，有一端的約束又要簡化成平面的固定端，另一端簡化成鉸支。又比如集中力，嚴格說不存在真正意義上的集中力，如果有的話，該點的應力就會變得無窮大。而實際上，很多工程上的載荷又經常簡化成集中載荷。只有當這些載荷所在的幾何尺寸相比于整個結構的尺寸而言小得多的情況下，這種簡化假設才是合理、可行的。在比如剛體，絕對不變形的物體是找不到的。只有當物體的變形相比于它原來的幾何尺寸小得多的情況下，才可以把這種物體簡化為剛體；當物體的變形不能忽略的情況下，剛體假設不在適應，這時要考慮引入變形體的概念。

3 結語

工程案例力學原理的整理及提煉可以說一項比較浩大的工程，需要長時間的積累和凝煉，需要耗費較多的人力和物力，不是一朝一夕能夠速成的。但是這又是一件很有意思的事情。通過工程案例的整理和提煉，可以提高力學教師的業務能力和授課質量，還可以開闊視野，增強綜合能力；對學生而言，可以提高學生的綜合素質，鍛煉學生的動手和動腦能力，增強學生的社會責任感，自覺推動和維護社會正能量[4]。

［1］武際可.拉家常ffamp;說力學[M].北京,高等教育出版社,2008.

［2］陳文.理論力學課程教學改革的實踐與體會[J].河南科技,2014(8)：274-275.

［3］金春花,曹小建,許薇.緊跟時代步伐的理論力學教學改革研究[J].中國電力教育,2014(14)：140-141.

［4］孔祥清,翟城,等.淺談普通二本高等院校理論力學的教學改革[J].力學課程報告論壇,2014(7)：81-82.