土木三大力學及其在生活中的應用

羅昊宇 湖南省長沙市周南中學

引言：土木三大力學是土木工程的重要組成部分，為土木學的研究進步打下了厚實的基礎。土木三大力學分別為理論力學，結構力學和材料力學。其中理論力學是一般力學各分支學科的基礎，主要研究物體運動的基本規律；結構力學在土木工程中必不可少，其主要研究內容包括工程結構受力和傳力的規律，如何進行結構優化；材料力學與前兩者不同，主要研究材料在外力作用下產生的各種變化，這些變化包括材料的應變、剛度、穩定等，在很多場合也需要研究材料破壞的極限。本文通過這三大力學在力學學科及生活中的應用這四大部份來進行闡述。

1.土木三大力學的背景及發展現狀

建筑是城市一道亮麗的風景線，也是城市的名片。世界上各建筑千奇百怪的存在而又屹立不倒有其內在的科學依據。 建筑行業的興起與力學聯系緊密，土木力學是建筑穩定性的保證，土木三大力學是土木工程學科中所必修的科目，在我國大學教育中占有重要的地位。

1.1 理論力學的概述及其現狀

理論力學是主要研究物體機械運動的基本規律。理論力學主要分為靜力學、動力學和運動學三部分。理論研究起步晚，隨著運動三定律和萬有引力定律的提出，理論力學開始成型。隨后麥克斯韋的電磁學理論進一步豐富和拓展了理論力學的范圍，而隨著相對論的提出，理論力學達到了一個新的高度，量子力學的提出和發展延伸了理論力學的深度。從20世紀至今，隨著科技的發展和人文素質的提高，理論力學注入更多新的內容，衍生出如地質力學，物理力學，生物力學等混合學科，同時計算機技術的增強，有力地幫助理論力學的計算，解決了很多的力學難題。

1.2 結構力學的概述及其現狀

隨著社會的進步，人們逐漸了解結構的強度和剛度及其規律，如金字塔，長城等傳世之作，這些結構力學知識作為一種經驗逐漸流傳。19世紀初，結構力學隨工業的發展逐漸獨立成型，到19世紀中葉，結構力學成為一門獨立的學科。1826年納維提出求解靜不定結構問題的一般方法。1830年火車在橋梁的行駛問題衍生的桁架理論。麥克斯韋創立單位載荷法解決了位置的問題。20世紀初，船舶行業的發展，其運行中自由振動和受迫振動方面。20世紀中葉，隨著電子計算機和有限元法的問世，其高速強大的計算能力也極大地掃除了力學發展的障礙。

1.3 材料力學的概述及其現狀

材料力學與理論力學不同，理論往往是有一個體系，并不斷發展和完善的。材料力學實驗具有速度快、相互滲透和學科交叉三大特點。材料力學的發展需要大量實驗加以驗證，實驗都是基于一些概念和技術并不斷更新。當今現存的如塔、宮殿、趙州石橋等，都是材料力學的鮮明例程。意大利藝術家、工程師達芬奇通過房梁完成彎曲試驗。伽利略在懸梁上也有過懸臂測試。隨后大量的學者在材料力學上做了大量的實驗研究。我國在材料力學也研究現狀，墨子也做過繩拉伸測試，比同試驗的伽利略早兩千多年。然而我國材料力學研究偏理論而缺實驗。這也是我國材料力學專業需要提高的方面。

2.土木三大力學在生活中的應用

土木工程的理論基礎是三大力學，隨著科技的發展和人才素質的提升，大到各種復雜建筑，小到日常用品，都是土木三大力學在生活中的應用的體現。

2.1 理論力學在生活中的應用

理論力學在生活中的應用越來越多，在土木工程中的具體化和抽象化的應用有著不可替代的作用。如許多體育館和電影院的網殼和網架可抽象為由許多鏈桿通過球型鉸鏈連接而成空間網格結構。在日常生活中，拉鏈可以作為一件代表物，主要用的是理論力學的斜面原理，斜面使微小的力量轉化成足以鏈齒的巨大力量。其符合這個原理的物品還有螺旋千斤頂。直升機和自行車則用的是陀螺力學。理論力學也應用于三角支架穩定（野外燒鍋架）。指甲剪和鉗子等則使用的為杠桿原理。

2.2 結構力學在生活中的應用

結構力學在生活上的應用幾乎隨處可見，比如帳篷的搭建，如何做才能讓同一個帳篷搭建出不同的感覺和舒適程度，這就要運用到結構力學來分析和思考以此來搭建一個穩定且舒適的帳篷。又像火車的軌道為什么在轉彎的地方一邊高一邊低，為什么火車的車輪設計成那個樣，分別考慮到了轉向時的向心力和利用外側突起部分（輪緣）與鋼軌的作用導向 。這些都運用到了結構力學，這樣設計使火車的運行更加安全和可靠。在生活中我們認為的一些理所當然的事情其實運用到了很多結構力學的知識。

2.3 材料力學在生活中的應用

材料力學對我們生活的影響是巨大的，在日常生活中起到了非常大的作用。從建筑方面來說，埃菲爾鐵塔在實際建筑過程中，其建造形狀充分考慮結構強度和不定風向等因素。

從日常生活中，螺栓應用了剪切變形的知識。起重機的啟動臂則應用了彎曲變形的知識。像零食包裝袋上的鋸形口也是力學在生活中的應用。材料力學在生活中無處不在，這與土木工程的普及密不可分。

3 結論

土木工程源于生活而又服務于生活，總而言之，土木力學在生活中的應用極其廣泛。本文闡述了三大力學的主要概況以及在生活中的運用的例子和原理。土木力學與生活聯系緊密，通過本文的介紹，能夠激起人們對土木力學的研究興趣，增大土木力學專業的影響力，相信隨著科技的不斷進步，土木力學會在人們的生活中增添更多的便利。