力學(xué)能力的潛在研發(fā)與實踐應(yīng)用

蔣玲

摘要：力學(xué)既是一門基礎(chǔ)學(xué)科，又是一門技術(shù)學(xué)科，目前，已經(jīng)在廣泛的實踐應(yīng)用當(dāng)中得到了不斷的發(fā)展，它為溝通人類認(rèn)識自然與改造自然方面也做出了重要貢獻。本文首先從力學(xué)定義以及力學(xué)的分類這兩方面簡單介紹了有關(guān)力學(xué)的基本問題，然后從材料的力學(xué)性能以及有關(guān)力學(xué)性能的研究方法這兩方面介紹了力學(xué)能力的潛在研發(fā)，最后從力-熱-電-磁耦合效應(yīng)、航天航空方面的應(yīng)用、一般力學(xué)、環(huán)境力學(xué)以及生物力學(xué)介紹了有關(guān)力學(xué)能力的實踐應(yīng)用。不同的材料在不同的條件下所表現(xiàn)出來的特性是不同的，其研究的法則便是理論聯(lián)系實際，之后再將其應(yīng)用于實踐。

關(guān)鍵詞：力學(xué) 力學(xué)性能 實踐 應(yīng)用

中圖分類號：G42 ？ 文獻標(biāo)識碼：A？？文章編號：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

力學(xué)是物理學(xué)中最基礎(chǔ)最古老的一門學(xué)科，它的研究范圍包括從一般的物體的機械運動到天體的運動。小到基本粒子的碰撞、衰變、相互作用的軌跡，大到宇宙探測、航天、航空都屬于力學(xué)的問題。其應(yīng)用的范圍包括最早的土木工程、橋梁道路、水利工程、航海造船、機械冶金方面的應(yīng)用，到后來的航空航天、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)保能源、生物化工等領(lǐng)域。其應(yīng)用范圍之廣，令人吃驚。基于此，本文針對力學(xué)性能進行進一步深入的探究，并且介紹了有關(guān)力學(xué)能力的幾個實踐應(yīng)用。

1 力學(xué)簡介

1.1 力學(xué)定義

力學(xué)是一門獨立性較強的基礎(chǔ)學(xué)科，其主要研究的便是力和能量以及它們與液體、固體以及氣體間的平衡、變形以及運動的關(guān)系。力學(xué)不僅僅是一門基礎(chǔ)性較強的學(xué)科，而且其也是一門技術(shù)性較強的學(xué)科，其包含有很多有關(guān)工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，并且在廣泛的實踐應(yīng)用中不斷的壯大。力學(xué)在軍事工程以及土木工程方面都起著舉足輕重的作用。目前，工程學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)擁有多個分支，而這各個分支當(dāng)中很多重要的進展都十分依賴于力學(xué)有關(guān)的運動規(guī)律、強度以及剛度等等。力學(xué)與工程學(xué)之間的結(jié)合，促進了整個工程力學(xué)的形成與發(fā)展，現(xiàn)如今，不僅是歷史較為久遠的土木工程、水利工程、建筑工程等需要工程力學(xué)的貢獻，而且核技術(shù)工程以及航空航天工程等新興學(xué)科中工程力學(xué)也起著至關(guān)重要的作用。力學(xué)既是基礎(chǔ)學(xué)科又是技術(shù)學(xué)科的二重性使得其為溝通人類認(rèn)識與改造自然方面均做出了重要貢獻。

1.2 力學(xué)的分類

力學(xué)大致可以分為靜力學(xué)、動力學(xué)以及運動學(xué)這三部分，其中靜力學(xué)所研究的是物體所受的力在平衡狀態(tài)或者是物體在靜止?fàn)顟B(tài)下的問題；而動力學(xué)則討論的是物體在受力的作用下與物體運動之間的關(guān)系；運動學(xué)僅僅考慮物體是怎樣進行運動的，而對其與所受力之間的關(guān)系則不予討論。

根據(jù)研究對象的不同對力學(xué)進行分類，則可以分為固體力學(xué)、流體力學(xué)以及一般力學(xué)這三方面，其中流體不僅包括液體，而且還包括氣體，通常將固體力學(xué)和流體力學(xué)統(tǒng)稱為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，一般采用連續(xù)介質(zhì)的模型進行研究。而一般力學(xué)通常指的是以質(zhì)點、剛體、質(zhì)點系和剛體系為研究對象的力學(xué)，有時還會將抽象力學(xué)納入一般力學(xué)的范疇，一般力學(xué)不僅要研究離散系統(tǒng)的基本規(guī)律，還會研究一些與工程技術(shù)相關(guān)的新興學(xué)科的理論。固體力學(xué)、流體力學(xué)以及一般力學(xué)這三個力學(xué)分支在發(fā)展過程當(dāng)中，會根據(jù)對象以及模型的不同出現(xiàn)了不同的研究領(lǐng)域和分支學(xué)科。其中材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等均屬于固體力學(xué)；而水力學(xué)、水動力學(xué)、氣體動力學(xué)、空氣動力學(xué)、滲流力學(xué)、多相流體力學(xué)等均屬于流體力學(xué)；而理論力學(xué)、分析力學(xué)、振動理論、剛體動力學(xué)、運動穩(wěn)定性、陀螺力學(xué)等均屬于一般力學(xué)。而各個學(xué)科在交叉融合的過程當(dāng)中又產(chǎn)生了流變學(xué)、氣動彈性力學(xué)以及粘彈性力學(xué)等等。

力學(xué)在工程技術(shù)方面的實踐應(yīng)用結(jié)果形成了工程力學(xué)以及應(yīng)用力學(xué)的各個分支，例如巖石力學(xué)、土力學(xué)、爆炸力學(xué)、環(huán)境空氣動力等等。而力學(xué)在于其他基礎(chǔ)學(xué)科進行結(jié)合的同時也產(chǎn)生了一些交叉性的學(xué)科分支，例如與天文學(xué)相結(jié)合而形成的天體力學(xué)。

2 力學(xué)能力的潛在研發(fā)

2.1 材料的力學(xué)性能

材料在不同溫度、濕度以及介質(zhì)條件下，在受到扭轉(zhuǎn)、彎曲或者交變應(yīng)力的作用下，所表現(xiàn)出來的力學(xué)性能是不同的。

（1）脆性

脆性指的便是材料在受到外力作用下幾乎沒有發(fā)生塑性變形就遭受斷裂破壞的一種特性。材料的脆性與材料的韌性以及塑性是相反的。通常情況下，脆性材料是沒有屈服點的，但是其有斷裂強度以及極限強度，這兩者幾乎是一樣的，混凝土、鑄鐵以及陶瓷等均屬于脆性材料，脆性材料與其它工程材料相比，其在拉伸方面的性能較為脆弱，脆性材料一般情況下采用壓縮試驗來進行評定。

（2）塑性

塑性指的是材料在拉力或者沖擊力的作用下能穩(wěn)定地產(chǎn)生的永久變形而不被破壞其完整性能力。材料的塑性變形一般會發(fā)生在材料所承受的荷載超過其彈性極限之后，材料發(fā)生不可逆的形變。材料發(fā)生塑性形變之后，不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，在這一情況下，材料會保留一部分或者是全部荷載時的變形。

（3）強度

材料在外荷載的作用下，用以抵抗塑性變形以及斷裂的能力。可以根據(jù)外力作用的性質(zhì)進行分類，可以分為抗拉強度、屈服強度、抗壓強度以及抗彎強度等等，工程上經(jīng)常用到的是屈服強度以及抗拉強度，而這兩個強度一般可以通過拉伸試驗測得。強度是衡量材料承載能力的一個重要指標(biāo)。

（4）彈性

材料的彈性一般指的是其在外力作用下從而發(fā)生的一系列形變，而當(dāng)外力消除后能夠能夠恢復(fù)到原來的大小以及形狀的性質(zhì)。在一定的限度之外，在外力消除之后材料并不能恢復(fù)原來形狀，則這一限度稱為彈性限度，同一物體的彈性限度是并不是固定不變的，它會隨著溫度的升高而有所減小。

2.2 力學(xué)性能的研究方法

力學(xué)研究的方法所遵循的基本法則便是理論聯(lián)系實際，然后再將其應(yīng)用于實踐，應(yīng)該根據(jù)對自然現(xiàn)象的觀察，尤其是對定量觀測的結(jié)果進行分析，從而總結(jié)出一系列經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)，或者是為特定的目的從而設(shè)計的一系列科學(xué)實驗所測定的結(jié)果，從而得出量與量之間的定性以及數(shù)量的關(guān)系。這一過程便是模型建立的過程，質(zhì)點、質(zhì)點系、彈性體、剛體以及連續(xù)介質(zhì)等均是不同的力學(xué)模型，在建立模型的基礎(chǔ)上可以根據(jù)已知的一些力學(xué)以及物理學(xué)的規(guī)律，結(jié)合合適的數(shù)學(xué)工具，對其進行理論上的演繹工作，從而得出新的結(jié)論。對于所得理論所建立的模型是否合理，則應(yīng)該進行新一輪的觀測，并將其進行工程實踐或者進行科學(xué)的實驗進行論證，對于理論的演繹當(dāng)中，為了使得理論能夠更具概括性以及實用性，經(jīng)常會采用諸如雷諾數(shù)、泊松比等無量綱的參數(shù)，而這些參數(shù)不僅能夠?qū)ξ锢肀举|(zhì)進行很好的反應(yīng)，而且由于其是單純的數(shù)字，所以不會受尺寸、工程性質(zhì)以及實驗裝置等的牽制。現(xiàn)代的力學(xué)實驗設(shè)備，通常需要多工種、多學(xué)科間的協(xié)作，對物體力學(xué)能力的應(yīng)用研究不僅需要更為細致、獨立的分工，而且還需要進行更為綜合以及全面的協(xié)作。

3 力學(xué)能力的實踐應(yīng)用

3.1 力-熱-電-磁耦合效應(yīng)

在固體力學(xué)當(dāng)中，經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)將可能會被突破，而一些新的力學(xué)模型以及力學(xué)體系，將會能夠概括某些對宏觀力學(xué)行為起敏感作用的細觀以及微觀方面的因素，以及關(guān)于這些因素方面的演化，從而使得一些復(fù)合材料的韌化、強化以及功能化能夠產(chǎn)生量的提升和質(zhì)的飛躍。固體力學(xué)能夠?qū)⒘Α帷㈦娨约按诺刃?yīng)進行融合，目前，機械力與熱、電以及磁等效應(yīng)的相互轉(zhuǎn)化以及控制大都還局限于測量以及控制的元件之上，而這些效應(yīng)的結(jié)合將會帶來更大的用途，近年來出現(xiàn)的微電子元器件，已經(jīng)十分迫切的要求對這類力、熱、電的耦合效應(yīng)做更深入的研究，而以“Mechronics”為代表的微工藝、微控制以呈及微機械等方面的發(fā)展，會極大的推動對力、熱、電、磁耦合效應(yīng)的研究。

3.2 航空航天方面的應(yīng)用

流體力學(xué)的發(fā)展能夠推動航天飛機以及新一代的超聲速民航機的成功研制，目前，在對高溫空氣的有關(guān)熱動力學(xué)進行研究中，必須對原先的熱力學(xué)平衡的假定進行放棄，而且對超聲速流畢節(jié)層的控制、降噪以及減阻等也帶來了一些列新的問題。在流體力學(xué)的指導(dǎo)下，所取得的工程技術(shù)成就不勝枚舉，最突出的便有人類登月、在月球建立空間站、航天飛機等為代表的航天技術(shù)，以速度超過5倍聲速的軍用飛機、起飛重量超過300t、尺寸達到大半個足球場的民航機為代表的航天技術(shù)都是力學(xué)能力在航天航空方面的實踐應(yīng)用。

3.3 一般力學(xué)

目前，關(guān)于一般力學(xué)的研究已經(jīng)開始進入了對生物體運動問題的研究，開始研究了人以及動物的行走以及奔跑當(dāng)中所產(chǎn)生的一系列力學(xué)問題，而且有關(guān)這一方面的研究，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列新的結(jié)果，對于這一方面的研究，不僅能夠?qū)ι锏倪M化方向產(chǎn)生一系列的理性認(rèn)識，而且也可以為人類進一步提高某些機構(gòu)以及機械性能方面的要求提供一些理論性的指導(dǎo)。其中在進行一般力學(xué)的研究時應(yīng)該重視對固體的非平衡理論、塑性與強度的統(tǒng)計理論、原子乃至電子層次上子系統(tǒng)的動力理論，為了能夠更加深入的進行這些研究，應(yīng)當(dāng)充分利用與開發(fā)計算機模擬與現(xiàn)代宏觀、細觀以及微觀實驗與觀測技術(shù)。工科中的各項實踐也離不開力學(xué)，因此，在工科的基礎(chǔ)課當(dāng)中，也開設(shè)了不同的力學(xué)課程，其中包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等等。

3.4 環(huán)境力學(xué)的興起

環(huán)境力學(xué)是將力學(xué)以及環(huán)境相互結(jié)合從而形成的一門新興交叉學(xué)科，主要是對自然環(huán)境當(dāng)中的破壞、變形、遷移以及其所伴隨產(chǎn)生的一些列的物理、化學(xué)以及生物過程和導(dǎo)致的物質(zhì)、能量運輸、動量對環(huán)境的演化規(guī)律以及對人類所生存環(huán)境所產(chǎn)生的影響進行描述。環(huán)境力學(xué)的發(fā)展不僅能夠深化人們對環(huán)境問題中的物理過程以及基本規(guī)律的認(rèn)識，而且能夠在一定程度上促進環(huán)境問題的定量化研究。現(xiàn)階段對環(huán)境力學(xué)的研究，不僅要對該學(xué)科發(fā)展的自身規(guī)律以及要求有一定的重視，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)該與國家所需求的和工程實際進行緊密結(jié)合，能夠?qū)⒗碚撗芯俊⒁?guī)律分析以及防治措施進行有機的結(jié)合。而關(guān)于中國的環(huán)境力學(xué)的研究則必須抓住一復(fù)雜介質(zhì)流動和多過程耦合為基礎(chǔ)、沿海和西部這兩個經(jīng)濟發(fā)展地區(qū)、水環(huán)境、大氣環(huán)境、災(zāi)害與安全，從而對重點發(fā)展領(lǐng)域進行確立，促進學(xué)科的多方面發(fā)展。對于環(huán)境力學(xué)的研究，能夠解決一些實際方面的問題，例如對于西部干旱、半干旱環(huán)境治理的動力學(xué)問題；重大環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的機理以及預(yù)報；以水或者是氣為載體的物質(zhì)運輸過程等方面的研究。

3.5 生物力學(xué)的興起

目前，生物力學(xué)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，生命科學(xué)以及包括力學(xué)在內(nèi)的基礎(chǔ)以及工程科學(xué)交叉、融合已經(jīng)成為了當(dāng)今生命科學(xué)研究的熱點，已經(jīng)為生物力學(xué)的發(fā)展提供了新的方向。現(xiàn)代分子以及細胞生物學(xué)不僅提出了大量的新課題，而且?guī)砹撕芏嘈碌难芯抗ぞ撸苿恿松锪W(xué)開始由著宏觀向微觀深入，而且開始強調(diào)了有關(guān)宏觀和微觀方面的融合。現(xiàn)階段生物力學(xué)的發(fā)展特點可以歸納為內(nèi)涵擴大、有機融合、微觀深入以及宏觀與微觀相結(jié)合，但是宏觀生物力學(xué)仍舊為當(dāng)今主流。有關(guān)生物力學(xué)的實踐應(yīng)用，更加促進了以解決與應(yīng)用所相關(guān)的工程技術(shù)問題為目標(biāo)的新的生物工程學(xué)的發(fā)展。在實踐應(yīng)用方面，組織工程、藥物設(shè)計與輸運、血流動力學(xué)、骨、肌肉關(guān)節(jié)力學(xué)等已經(jīng)得到了臨床以及工業(yè)界的一致認(rèn)同，已經(jīng)相繼解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)方面的問題。

4 結(jié)論

力學(xué)作為基礎(chǔ)性與技術(shù)性相互結(jié)合的一門學(xué)科，隨著當(dāng)今社會的快速發(fā)展，已經(jīng)在社會的各個領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著工程學(xué)的越分越細，其各個分支當(dāng)中的關(guān)鍵性的進展都十分依賴于力學(xué)當(dāng)中有關(guān)的運動規(guī)律、強度以及剛度等理論知識。因此，我們應(yīng)該在充分了解有關(guān)力學(xué)的定義以及分類的基礎(chǔ)上，對物體的力學(xué)性能進行深入的探究，充分了解其力學(xué)性能，并且能夠?qū)⑵淅糜谏鐣母鱾€領(lǐng)域，而有關(guān)環(huán)境力學(xué)以及生物力學(xué)等新興學(xué)科的研究與應(yīng)用，也是力學(xué)以后研究的重要方向。

參考文獻：

[1]鄭哲敏，錢學(xué)森的技術(shù)科學(xué)思想與力學(xué)所的建設(shè)和發(fā)展[J]，力學(xué)進展，2006（l）：8——11.

[2]李中華，劉本芹，宣國祥，南水北調(diào)輸水對航道水流條件的影響計算分析報告，南京水利科學(xué)研究院，2003.

[3]劉則淵，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與發(fā)展導(dǎo)論[M]，大連：大連理工大學(xué)出版社，2003

[4] 杜高山，張秀麗，板球投手運動員投球動作的運動生物力學(xué)研究進展[J]，中國體育科技，2013（5）：73—79.