淺析理論力學的應用

摘 要：理論力學作為理工科的一門基礎課程，在理工科的學習和實踐中起著重要的指導作用。本文詳細考察了理論力學的不同工程實例中應用，討論了不同的理論力學實際應用模式，為更加深入地理解和掌握理論力學基本理論和基本方法提供了啟發，有助于建立以理論力學為基礎的分析與解決工程問題的能力、培養嚴謹的邏輯化思維模式。

關鍵詞：理論力學；應用；土木工程；機械工程

理論力學與電動力學、統計力學、量子力學并稱為四大力學。理論力學是研究物體機械運動一般規律的科學，其主要研究對象為速度遠小于光速的宏觀物體的機械運動，是古典力學的一個分支，其理論基礎是伽利略和牛頓總結的基本定律。理論力學既是應用性極強的基礎學科，又具有很強的理論性[1]。分析理論力學在實際工程中的應用既可加深對理論力學的認識[2]，也有助于應用理論力學指導工程應用實踐[3]。

1 理論力學的應用基礎

理論力學的課程目標是在學習、理解理論力學基本概念和理論的基礎上，掌握理論力學景點分析方法，培養以理論力學為基礎的邏輯思維模式。具體是以理論力學的基本知識對具體工程應用進行抽象建模，并進一步進行靜力學、運動學和動力學的分析探討，建立系統科學的工程分析和應用思維模式。

理論力學主要可分為三大部分：（1）靜力學：所謂靜力學主要是指研究受力物體平衡狀態下的受力狀態并討論力系簡化方法等。（2）運動學：從幾何角度來研究物體的運動狀態（如運動軌跡、速度）。（3）動力學：主要研究受力物體的運動與其所受作用力之間的關系。

2 理論力學的應用

理論力學是理論性較強的技術基礎課，主要通過歸納演繹已知經驗規律出發，推理出力學各種性質，需要嚴謹細密的邏輯推理和數理推導。通過將理論力學基礎知識和理論與應用實踐相結合，在驗證理論力學原理的基礎上，可加深對理論力學的感性理解，達到實踐和理論的有機結合。

2.1 理論力學在機械工程中的應用

機械工程中都會接觸到物體的機械運動，分析物體的運動和受力狀態就是將理論力學應用于實踐；通過理論力學的分析計算進而對物體運動狀態和受力狀態提出改進與提升就是應用理論力學指導實踐。如確定機械中各個部件的受力狀態、受力強度、穩定性就需要利用理論力學靜力學的基本知識進行分析，進而簡化建模得出結果，并為改善機械性能提供理論支持。通過動力學、靜力學分析為可以確定機械中最佳的運行狀態，并強度、剛度和穩定性的分析計算，為機械設計選用材料、優化設計機械提供指導。運用理論力學動力學基本理論可以在分析歸納總結已有運動規律和經驗的基礎上，對不同的運動狀態加以利用，改善機械設計，如利用動載荷效應而設計的打夯機，利用減小偏心距使運行更加平穩而設計的飛機螺旋槳等。

機械一般長時間都處于運轉狀態，分析計算機械各個部分的運動狀態有助于理解機械的原理、穩定性和壽命等參數，對于改善機械性能、延長機械使用壽命有著重要的作用。一般而言分析機械的運動意味著分析計算構成機械的各個部件的運動及其之間的受力關系。所謂機械及其各個部件的運動分析就是根據已知運動規律，分析該機構其它構件上某些點的位移、軌跡、速度和加速度等參數，了解機構運動和受力狀態的變化規律，進而簡化歸納建模得到一般規律。

2.2 理論力學在土木工程中的應用

理論力學在土木工程的學習中是在材料力學、結構力學學習的基礎上為土木工程專業補充提供一定的理論力學知識，訓練抽象化建模、分析、計算習慣，培養嚴謹的邏輯化思維模式，提高通過理論分析計算解決實際問題的能力。

理論力學的靜力學部分在土木工程中都有著較為實際和廣泛的應用。通過靜力學分析計算建筑物所承受載荷的類型，并將載荷簡化，進而加深對建筑物受力狀態的理解和分析能力；通過分析實際結構構造、簡化實際受力、抽象化建模建構等方式，鍛煉運用理論力學對實際工程案例進行分析建模的能力。分析房梁、屋架、橋梁等結構的受力情況來討論對實際力系的簡化、平衡計算等，對建筑物構件進行受力分析以及力學模型的建立歸納，達到理論與實際的結合與反饋。

以實際工程如桁架橋、廠房桁架屋頂等實例學習理解靜力學中平面簡單桁架的內力計算，進而歸納討論桁架結構的實際構造以及連接方式，訓練將實際建筑構件簡化、抽象化為力學模型的能力，進而計算出結果并比較分析與實際建筑構件之間的差別。通過從實際工程建模推導得到理想化模型、對比理想化模型結果與實際構件差別的整個過程，鍛煉嚴謹的邏輯化思維模式、建立對理論力學實際應用模式的直觀認識。

3 理論力學的應用方式

理論力學作為理論性較強的基礎性學科，在實際工程中的廣泛的、多樣化的應用方式。同時理論力學作為理工科的一門通用學科，在實際工程中的應用方式隨著應用方向的變化出現顯著差異。理論力學的實際應用方式主要有：

（1）理論力學指導實際工程應用：通過分析物體的受力狀態、運動狀態等基本知識，為物體的運動或靜止設計科學合理的材料、結構，如在土木工程中通過分析計算樓層結構得出合理地陽臺設計方案等。

（2）實際應用驗證理論力學基本結論：通過分析計算物體運動受力狀態，進而簡化、建模并與理論力學基本知識相驗證，訓練簡化、建模能力，建立對理論力學的直觀認識。

（3）理論力學與實際應用相結合并相互反饋：以理論力學分析建模計算物體的受力狀態、運動狀態并與物體實際受力狀態、運動狀態對比分析，相互評價并反饋，提高對理論力學的應用水平和對實際物體的分析建模能力，如通過對機械構件進行速度分析，分析速度變化規律能否滿足工作要求。

理論力學既是理論性較強的基礎學科，也是鍛煉解決實際工程問題的的指導性學科，通過分析理論力學的實際應用既能促進對理論力學基本原理的理解與直觀認識，又能提煉工程當中的力學原理，提升在實際應用中簡化力系、歸納建模、加深對理論力學基本原理的理解水平的，進而達到應用實踐和理理論力學有機結合的效果。

參考文獻：

[1]張應遷，付磊，文華斌，李良，羅云蓉.工程案例教學在理論力學教學中的應用[J].教育教學論壇，2015（20）：169-170.

[2]張速.方法論在理論力學課程教學中的應用[J].力學與實踐，2008（01）：91-92.

[3]張亞紅，韓省亮，劉睫，張陵.理論力學課程教學中工程哲學思維能力的培養與實踐[J].中國大學教學，2013（10）：52-54.

作者簡介：孫皆宜（1962-），女，河北唐山人，本科，唐山學院教師，教授，研究方向：物理學及應用。