淺析高中物理力學在建筑領域中的應用

常潤澤

摘 要：高中物理中的力學原理在建筑領域的應用甚廣，文章分析了力學在建筑工程中的應用，主要介紹了力學的概念和基本內容，闡述了力學與建筑的基本關系，以期為相關研究提供參考。

關鍵詞：物理力學；建筑領域；應用

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A收稿日期：2018-01-04

在建筑過程中，各項建筑工程不斷地為人類的社會創造嶄新的物質環境，為社會的發展做出了重要貢獻，力學原理是建筑構造的基本原理之一。力學的應用會對建筑產品的穩定性產生直接的影響，從歷史的角度，我們可以看到在人類發展歷史的過程當中有很多新奇的建筑，如比薩城斜塔、空中花園等，這些建筑看似奇特，但都符合力學的建筑原理。

一、力學的基本內容

在高中物理中，力的定義為物體間的相互作用，一個物體受到另一個物體的作用，前者是受力物體后者是施力物體。根據性質，力分為重力、彈力、摩擦力、電磁力等；根據效果，力分為拉力、壓力、支持力、重力、阻力等。通過力的合成、分解與平衡，形成力的作用效果。通過對力的詳細分類，我們對力學有清楚的認識。力學作為整個物理學習的基礎，也是物理學習的重點和難點。力學來源于生活，通過對力學的學習能夠分析問題、解決問題，突出學習的實際成果。將理論學習轉化為實踐成果應用于生活之中，是我們學習力學的根本目標。

二、力學與建筑學的關系

建筑力學是建筑工程的基本理論，由理論力學、材料力學和結構力學組成。建筑力學通過對物體受力的分析以及對物體在作用力作用下的平衡問題進行探討，研究材料受到外力作用所產生的變化和破壞的程度，通過研究工程結構和受力傳遞的規律，對工程建筑的結構進行整體的優化，以力學為基礎，全面完善建筑工程的質量。建筑力學是力學的發展與應用，在力學的基礎上對建筑力學進行研究，可更好地推進我國建筑行業的發展。另外，力學的發展離不開建筑力學的推動。如果在建筑過程中出現了工程技術問題，需要用實驗方法來對需要解決的問題進行探討，就可以利用已有的建筑環境來進行實驗驗證力學原理，并根據現有的問題提出新的力學問題。這樣可以推動力學理論的發展，再將之應用于實際的建筑工程中。由此可見，建筑力學是在力學的基礎上進行全面的擴展與應用，二者之間相互促進、共同發展。

但是兩者在發展的過程中也存在著很多差別，有些力學原理和力學方法在應用的過程中會遇到很多阻力，比如，力學原理可以解釋高溫氣體、氣體激光器和物理領域的問題，但建筑力學卻無法全面概括力學發展過程中的各項問題。因此，建筑力學領域的問題仍要依托力學的原理進行探討解決。

三、力學在建筑工程中的應用

力學在建筑工程中得到了很多專家與學者的重視，我國的石拱橋建筑在全世界建筑發展史中聞名遐邇。通過簡單的石塊堆砌就能使整個橋體處于穩定的狀態，這使得很多國外的專家學者感到驚奇。筆者以我國常見的石拱橋為例，進行了簡單的分析：

假設有一個石拱橋，總共由四塊石塊構成，并呈現左右對稱的狀態，第一塊和第四塊石頭與地基相連，第二塊和第三塊石塊分別與第一塊和第四塊石頭相連接，通過力的平衡原理，對這一石拱橋的受力進行分析。第一塊石頭共受到三個作用力，分別是石塊的重力、地基的反作用力和第二塊石頭給它的反作用力。第二塊石頭受到三個作用力，包括石塊的重力，第三塊石頭給它的反作用力和第一塊石頭給它的反作用力，通過正交分解法對兩塊石頭進行力的分析，如下圖所示。

通過上述分析可以看出，在力的平衡原理作用下通過對靜止狀態的物體受力進行分析，能夠計算出最大的受力值，以最大的受力值作為可受力的上限，保證橋梁的安全運行，在計算的過程中沒有充分考慮承載汽車等荷載的情況，通過同樣的思路進行力的平衡的計算，可以對橋梁設計的界面、尺寸材料的選擇進行全面的分析。以我國河北省的趙州橋為例，伏拱的存在，讓趙州橋的圓弧形拱軸線表現出了合理的恒載壓力線的特點，伏拱所發揮出來的降低橋身自重的作用，也在消除拱軸線斜面的拉應力，提升趙州橋的實用性能。

四、力學的發展

力學與建筑力學的結合，主要體現在包括靜力學、運動學以及動力學方面。靜力學主要研究物體在力的作用下處于平衡的狀態，如何通過各種力的分析建立平衡條件，建立力的分解體系綜合分析物體的受力狀態，將這些分析方法與分析原則應用到實際的建設中，其中分析原則包括平行四邊形法則和三角形法則。靜力學與力學原理中的慣性和牛頓三定律等內容也聯系緊密。建筑固體力學是通過研究物體機械性質對建筑在外界溫度作用下的表現進行觀測和分析，固體力學與力學的聯系比較緊密。除了固體力學以外，材料力學內容也是建筑工程領域所不可忽視的力學理論知識。力學中的拉力、壓力和阻力是材料力學進行分析的理論條件，材料力學中重要的研究內容為桿件的力學分析，即對桿件在作用的過程中涉及的力的合成分解和平衡進行彈性力學分析。從固體力學與材料力學之間的關系來看，力學中的動力、摩擦力等固體力學內容可以劃分為動力學。最后是建筑流體力學，人類在不斷的學習發展過程中，從生產實踐中逐步探索出建筑流體力學，應用案例主要包括擴大規模的供水管道的建設，通過對流體運動的計算和地下室水流對建筑物影響的測定，進行了流體力學的理論分析，包括物體浮力定律和浮體穩定性的分析。流體力學對建筑力學的發展有著不可替代的作用。流體靜力學是流體力學中的一大重要分支，流體力學的研究為流體靜力學的發展奠定了基礎。浮力與液體的平衡理論是力學原理的一大重要研究方向，也可以在大型的水利工程建設過程中進行應用，如秦朝李冰父子建立的都江堰至今都在發揮著巨大的作用。根據相關資料反映的信息，都江堰水利工程應用了物理力學知識中的流體力學原理。都江堰的渠首工程為岷江由峽谷進入成都平原的起始段，這一設計方案使得都江堰工程在實際應用過程中可能出現的泥沙卵石沉積問題得到解決，在彎道環流原理的影響下，泥沙和卵石會被水流沖至外江，進而為外江的正常進水提供保障。與之相關的水利技術在歷史發展過程中的傳播與傳承，對其他地區水利工程建設技術的發展有著積極的促進作用。

綜上所述，通過對力學在建筑領域中的應用與發展，可以得出力學是建筑力學發展的基礎，建筑力學是力學的發展與延伸，在二者的共同作用下，我國的土木工程建設、航天工程建設、電子工程建設等多個領域都能夠進行全面的、深入的發展，從施工的設計、材料選擇、施工建設、后期維護等都需要力學的理論支持。

參考文獻：

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