淺談工程力學的分支

劉禹賀

摘要：工程力學大致可以分為剛體力學、流體力學、巖體力學、固體力學、流變學以及土力學等幾個方面的分支。流變學涉及面較多而且在冶金行業(yè)和日常生活中應(yīng)用非常廣泛。流變學研究的是能夠流動的變化的物質(zhì)材料，包括細胞材料、液晶材料以及電流等。在工程力學中固體力學是所有分支中規(guī)模最大、應(yīng)用最多的一個分支。本文對工程力學中應(yīng)用較廣的流變學和固體力學兩個方面進行探究，以期為我國工程力學的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：工程力學；流變學；固體力學

引言：

某些物質(zhì)材料本身具有流動的特性，對這些可以流動的材料的力學研究與一般物質(zhì)的力學研究有所不同。流變學性質(zhì)的物質(zhì)的研究一般集中在冶金行業(yè)、石油行業(yè)以及一些流體材料的生產(chǎn)行業(yè)，但是并不能認為流變學研究的就只是流體。在流變學中對一些固體材料本身的流變學特性也是流變學研究的內(nèi)容。這些固體材料在自身受力的情況下就會發(fā)生相應(yīng)的變化。固體力學就是對這種情況進行研究的。在環(huán)境建設(shè)、土木工程以及機械制造等方面都與固體力學的參與分不開。本文主要對工程力學分支中的流變學以及固體力學兩個方面進行研究。

一、有關(guān)流變學的分析

1、流體力學的分類

流體的分類氣體和液體都屬于流體，由于它們的分子在永不停息地做規(guī)則運動的性質(zhì)，形成了流體的特性。流體根據(jù)溫度和剪切力作用下的不同，可以分為牛頓流體和非牛頓流體兩種，而牛頓流體又可以分為非時變性牛頓流體和時變性牛頓流體兩種流體。塑性流體是在一定程度作用下能夠流動的非時變性牛頓流體，而且它隨著力的作用的變化而不變發(fā)生變化。這種流體的性質(zhì)逐漸由非牛頓流體的性質(zhì)靠向牛頓流體的性質(zhì)。偽塑性流體是一種與塑性流體相近的流體，這種流體與非塑性流體的性質(zhì)不同，它不隨著力的變化而接近牛頓流體的性質(zhì)，因此它只是一種偽塑性流體。與偽塑性流體的性質(zhì)完全相反的是膨脹性流體的性質(zhì)。它的粘度性質(zhì)隨著作用力的不斷增加而逐漸增加。時變性非牛頓流體中的粘彈性的流體是一種在外力干擾消失情況下就會恢復形變的力的特殊流體。

2、非牛頓流體的特性及其應(yīng)用

有關(guān)非牛頓流體的研究非常多，與牛頓流體相比較而言，非牛頓流體也有其本身獨有的一些特殊效應(yīng)，如韋森堡效應(yīng)、射流脹大現(xiàn)象、無管虹吸、剪切變稀、二次流、湍湎減阻和剪切增稠等。韋森堡效應(yīng)是指粘彈性流體在一定的容器區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，流體會隨著中心軸向上延伸，而液面呈凸型。與此相反的是牛頓流體，液面凹型。與非牛頓流體具有相同特性的是射流脹大現(xiàn)象。當流體通過一個口徑較小的通道容器時，射出的流體的截面直徑比容器身身的直徑大。二次流出現(xiàn)的現(xiàn)象是當非牛頓流體通過橢圓形截面容器時不會出現(xiàn)直線流動的現(xiàn)象。因此 當一根中空的管子從非牛頓流體中逐漸提升時，它內(nèi)部的流體仍然會逐漸上升，而牛頓流體則會表現(xiàn)為下降，這就是非牛頓流體中的無管虹吸現(xiàn)象。而湍流減阻現(xiàn)象則表現(xiàn)為當流體流動的速度增加時，其所受的阻力反而會有一定的減少。

3、有關(guān)流變學的研究

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，流變學也取得了較大的進步，容納了一部分新興的課題而逐漸脫離了傳統(tǒng)的范疇，如血液流變學、液晶高分子流變學、磁流變學以及細胞流變學、電流變等多方面的內(nèi)容都屬于新興的課題。血液流變研究的與血液有關(guān)的力學，由于血管分布廣，血液所容納的物質(zhì)較多，而且血管的形態(tài)較多，因此通過對血液進行力學形態(tài)研究，能夠了解血液本身的一些流變學特性，有利于一些疾病的預(yù)防發(fā)生。血液流變進一步延伸后來出現(xiàn)了細胞流變學。有紅細胞流變學、白細胞流變學以及血小板流變學等等。而液晶高分子材料同是一種新興的材料，它的性質(zhì)與非牛頓流體流動的性質(zhì)也有所不同。電流變學是對與電流有關(guān)的物理學特性的研究，有利于提升電流的應(yīng)用。磁流變學則上對磁場作用下的磁流形態(tài)進行的研究。在航空航天、智能機械以及電子工程方面磁流變學有著非常重要的作用。

二、固體力學的分析

1、固體力學學科特點與發(fā)展趨勢

基礎(chǔ)與工程的雙重鮮明是固體力學學科的特點之一。固體力學是工程力學中基礎(chǔ)性分支之一，涉及范圍廣，發(fā)展相對較早，具備一定的理論基礎(chǔ)和實踐基礎(chǔ)。目前，固體力學逐漸擴展的其他領(lǐng)域，而且隨著其他領(lǐng)域的研究結(jié)果的不斷時步而逐漸發(fā)呢。由此可見，固體力學的研究成果關(guān)系到工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和其他高技術(shù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。固體力學涉及到的學科較多，具有廣泛的交叉性，涉及到數(shù)學、化學、物理、生物等。小到納米材料，大到航天工程都與固體力學分不開，因此它具有多學科容納性的特點。新學科生長點突出是固體力學的學科特點，也是它發(fā)展的趨勢。

2、固體力學中存在的問題

固體力學的發(fā)展較早，在發(fā)展的過程中出現(xiàn)了許多問題，這些問題阻礙了固體力學的進步。固體力學表現(xiàn)最明顯的問題之一就是重基礎(chǔ)研究，輕應(yīng)用基礎(chǔ)研究。理論研究的成果促進了固體力學的發(fā)展，但是理論出現(xiàn)后，與此相關(guān)的應(yīng)用卻遠遠不夠，使得研究成果無法有效的轉(zhuǎn)化為應(yīng)用成果。固體力學與國際計算力學軟件相比差距較大。我國在固體力學上的研究的力度不斷加大，但是與國外發(fā)展相比，仍然比較落后。

3、建議和措施

如果要想解決固體力學中存在的問題，首先在研究基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上加大對理論成果的轉(zhuǎn)化。知識發(fā)展的目的是服務(wù)于人類，因此需要把理論基礎(chǔ)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用成果，只有這樣才能夠為人類做出貢獻。只有不斷加大對專業(yè)人才的培養(yǎng)，才能為知識的研發(fā)輸入新鮮的血液，進而才能夠促進我國固體力學在國際競爭中居于領(lǐng)先地位。

結(jié)語：

工程力學的分支較多，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用非常廣泛。本文對工程力學的兩大分支流變學和固體力學進行了分析探討。在固體力學分析中對固體力學的特點和發(fā)展趨勢進行了分析，進而為工程力學的發(fā)展提供一些參考。

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