淺析高中力學知識在工程中的應用

文/蔡旺 遼寧省東港市第二中學 遼寧東港 118300

力學、電磁學等都是物理學的重要分支,牛頓力學的地位更是舉足輕重。各大到機械工程、土木工程,小到食品工程,都應用到了力學知識。無論是工廠里面的各種機器、建筑物中的各個結構,還是汽車里面的零部件都涉及到力學的應用。正因為如此,力學在工程學中就顯得非常的重要。因此,當代高中生很有必要了解力學對人類生活的影響,尤其是力學在工程領域的應用。

1、高中力學的基本內容

力學是物理學中的一個非常重要的部分,它表示物品和物體之間相互運動而產生的作用力。當一個物體受到其它物體的作用力之后,獲得速度或者發生了部分形變,就會稱之為“力”。力主要是作用于相互的物體之間。當一個物體在力的作用下發生形變后,前者稱之為施力物體,后者稱之為受力物體。所以只要物體之間是存在著力的,就肯定會存在著相互作用的兩個物體。由于力是相互作用的,所以,施力物體也是受力物體,受力物體也是施力物體。

2、高中力學在工程中的應用

2.1 力學在土木工程實踐中的應用

力學在土木工程實踐中的主要作用是要保證建筑體的穩定性。中國的石拱橋可謂是勞動人們智慧的結晶,許多石拱橋經歷了過個世紀的風吹雨淋,依然保持穩固,那么它的穩定性和平衡是如何實現的呢?這都是力學的功勞,下面以石拱橋建筑為例,簡要介紹力學的一個具體應用。

如圖所示是由四塊石塊組成的一座石拱橋,左右的結構對稱,與地基相連的是石塊1和石塊4,石塊2和石塊3又分別與石塊1和石塊4 塊相連。用物理學原理對這座石拱橋進行力學分析,首先對石塊1、石塊2、石塊3、石塊4分別進行受力分析,石塊1受到的自身的重力G1,地面對石塊的反作用力F0,石塊2同時對石塊1有作用力,這個力記做F21,這三個力對石塊1同時起作用,接下來再利用正交分解對石塊1列出相應的受力方程。再分析石塊2的受力作用,石塊2受到重力G2,石塊1對石塊2的作用力 F12,以及第3塊給它的反作用力 F32 ,同理可以運用正交分解法對石塊2做受力分析。石塊3和石塊4結構與石塊1、石塊2相同,可以運用相同的分析方法,但是方向上與石塊1、石塊2受力相反。

2.2 力學在材料工程中的應用

材料力學中常常會出現一個冷作硬化的原理的現象,工程中常常利用其原理以提高材料的承載能力。例如在建筑過程中,工地上常見的鋼筋與起重的鏈條,就會因為冷作硬化的現象使得使材料變硬、變脆,這就造成了加工發生困難,這時應采用退火處理,部分或全部地材料的冷作硬化效應。而冷作硬化現象是力學中常常會出現的現象。所以,力學在工程中的應用還可以防止某些工程事故現象的發生。

2.3 力學在結構可靠性工程中的應用

工程設計中有很多需要注意的事項,其中一項就是減少構件的集中力。為了減少構件集中力,常常應用靜不定的結構,桁架結構就是靜不定結構之一。但是溫度變化和制作誤差會靜不定結構中產生一些力量,我們將這些力量稱之為熱應力。在工程應用中,為了避免熱應力過高,有時候會在蒸汽管道中配置伸縮節,或者在鋼軌兩端留下一部分縫隙等等,之所以這樣做是因為物體熱膨脹時會受到限制力,采用這些做法可以降低溫度應力。除此之外,在實際生活應用中,在進行某些構件的裝配中也會用到預應力。有時為了為了提高某些構件承載能力,會將輪圈套裝在輪轂上,便于使用。螺旋彈簧在工程中也經常用到,如車輛上的緩沖彈簧,彈簧稱中的測力彈簧等。凡此種種,都離不開力學知識。

生活中常見的某些結構與構件,因為其功能和使用期限的需要,對于彎曲程度有一定的要求。以生活中常見的行車為例,行車在大量起吊重物時,若其彎曲變形過大,小汽車在行駛中就會發生震動。生活中輸送管道的彎曲變形程度也通常與力學息息相關，如果輸送管道的彎曲超過一定的標準，那么輸送的物料則無法正常通過管道進行運送，就會導致輸送液體集聚并沉淀下來，同時可能會出現法蘭結合不密等狀況發生；同時還比如造紙過程中，如果造紙機器的軋輥的彎曲變形，那么就直接對造出來的紙張產生影響，甚至導致紙張的厚度達不到相應的標準，甚至成為廢品。有時候要控制構件的變形,但一些特殊情況中有時也需要能產生足夠大變形的構件。例如車輛中鋼板彈簧的使用,為了在特殊情況中減緩車輛受到的沖擊,需要大尺度的變形力;而繼電器中的簧片,在電磁力作用下會產生位移,只有當位移足夠大才回使得電源有效接通,有效斷開,這時也需要簧片具有足夠程度的彎曲變形。

結語：

生活中的實際工程都是以力學為基礎,力學不斷在實際的生產實踐中得以應用和發展。在科學技術不斷發展的時代背景下,高中力學將融合各種先進技術并不斷促使工程的發展,提高工程的穩定性、安全性及實用性。從而更好地服務人類社會。

[1]欒赟賀.淺談高中力學的應用與展望[J].建材裝飾，2016(07).

[2]李凱凝.力學在建筑工程中的有效應用分析[J].建筑節能，2016(22).