物理力學(xué)原理在土木工程中的應(yīng)用探析

耿浩桐

【摘要】對(duì)物理力學(xué)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，從摩擦力、壓力、合力以及重力幾個(gè)方面，對(duì)物理力學(xué)原理在土木工程的應(yīng)用展開(kāi)了深入的分析探討，希望能給高中生在物理力學(xué)學(xué)習(xí)方面一定的參考，并使其在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中也對(duì)物理力學(xué)知識(shí)在土木工程中的應(yīng)用具備一定的認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】土木工程 高中物理 力學(xué)原理

土木工程是國(guó)家建設(shè)的基礎(chǔ)行業(yè)，而力學(xué)作為一種從初中便開(kāi)始學(xué)習(xí)的知識(shí)，在物理學(xué)科中的內(nèi)容所占比例較大，同時(shí)，力學(xué)原理和知識(shí)在土木工程中也有十分廣泛的應(yīng)用，甚至可以說(shuō)是土木工程的基礎(chǔ)?；诖?，文章以筆者在物理力學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得的相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，就物理力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用展開(kāi)詳細(xì)探究。

一、物理力學(xué)的概述

力學(xué)其本質(zhì)就是物體與物體之間的相互作用，當(dāng)一個(gè)物體受到一個(gè)作用力時(shí)，說(shuō)明此時(shí)還有一個(gè)施加該作用力的物體，前者為受力物體，后者為施力物體。從力學(xué)的效果和性質(zhì)出發(fā)則可以將力分為兩類(lèi)，其中效果力包括支持力、壓力以及阻力、動(dòng)力、支持力以及拉力等；性質(zhì)力則主要包括電磁力、摩擦力、分子力以及重力等。在高中物理中的力學(xué)原理就是研究力的分解、合成以及平衡，該部分內(nèi)容是物理力學(xué)的基礎(chǔ)，也貫穿于整個(gè)物理力學(xué)中。

物理力學(xué)原理在土木工程中的應(yīng)用則主要體現(xiàn)在建筑力學(xué)上。建筑力學(xué)可以進(jìn)一步分為結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和理論力學(xué)三部分。其中材料力學(xué)主要是對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的傳力和受力的研究，核心內(nèi)容為如何實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化；材料力學(xué)則是對(duì)土木工程中材料在各種外力作用下所產(chǎn)生的各種應(yīng)力、強(qiáng)度以及剛度等內(nèi)容的研究，核心內(nèi)容為土木工程中使用何種材料以保障質(zhì)量；理論力學(xué)則是主要研究土木工程中各個(gè)物體在作用力下的平衡問(wèn)題，核心內(nèi)容為如何保障建筑物的穩(wěn)定。但無(wú)論是材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)還是理論力學(xué)都是在物理力學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，屬于力學(xué)原理的一個(gè)具體應(yīng)用。

二、力學(xué)原理在土木工程的具體應(yīng)用

（一）摩擦力的應(yīng)用

摩擦力是物理力學(xué)中最為常見(jiàn)的一種力的類(lèi)型，而在我們的日常生活中，摩擦力則是存在于生活的各個(gè)方面，甚至可以說(shuō)這個(gè)世界上如果沒(méi)有了摩擦力，整個(gè)世界都不可能繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在土木工程中力學(xué)原理的應(yīng)用，摩擦力則是最為廣泛的部分。例如，施工人員在施工中使用滑輪將土木施工中材料吊起的動(dòng)力，就是摩擦力轉(zhuǎn)變而來(lái)。此外，在土木工程的施工中，摩擦力的應(yīng)用也具體體現(xiàn)在提升建筑物的穩(wěn)定性上，通過(guò)將建筑中各個(gè)接觸面的壓力增大，繼而產(chǎn)生更大的重力和摩擦力作用，達(dá)到建筑工程穩(wěn)定性提升的效果。對(duì)于土木工程而言，將摩擦力充分合理地應(yīng)用其中，是工程建設(shè)水平提升的一個(gè)標(biāo)志，可有效減少對(duì)施工材料的磨損，并確保施工效果，同時(shí)也可提升建筑的安全穩(wěn)定性，因此，摩擦力在土木工程中起著不可取代的作用。

（二）壓力的應(yīng)用

壓力是高中物理力學(xué)中另一種最為常見(jiàn)的一個(gè)類(lèi)型的力，而我們所學(xué)習(xí)的壓力、重力等多種形式的力，則是現(xiàn)代土木工程建設(shè)的理論基礎(chǔ)所在，也是不斷推進(jìn)土木工程發(fā)展的基礎(chǔ)性知識(shí)。物理力學(xué)中的壓力原理在土木工程的應(yīng)用和摩擦力有很大的相似，也是用于對(duì)建筑物穩(wěn)定性的提升，同時(shí)還有助于工程施工范圍的拓展。例如，在橋梁架設(shè)工程中，施工人員便需要通過(guò)對(duì)橋梁和橋墩受到壓力的情況進(jìn)行測(cè)量，來(lái)判斷橋梁的穩(wěn)定性。在橋梁建設(shè)完成后，施工人員還需要通過(guò)對(duì)壓力的測(cè)量以判斷建設(shè)質(zhì)量。

（三）重力的應(yīng)用

重力是物理力學(xué)中基礎(chǔ)的力之一，其原理也是在土木工程中應(yīng)用最多的物理學(xué)原理之一。基于對(duì)重力的計(jì)算，可幫助施工人員確定在土木施工的過(guò)程中各個(gè)階段施工材料的不同作用。同時(shí)重力作為土木工程中評(píng)斷施工質(zhì)量的一個(gè)重要的指標(biāo)，在具體的土木工程建設(shè)也中也可結(jié)合壓力，對(duì)建筑質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。例如在土木工程施工材料的運(yùn)輸上，便可以利用對(duì)重力和反作用力的結(jié)合計(jì)算，調(diào)節(jié)材料運(yùn)輸?shù)臒o(wú)用功率和有用功率之間的關(guān)系，繼而起到節(jié)約運(yùn)輸成本的目的。

（四）合力的應(yīng)用

能量守恒是物理力學(xué)原理中的基礎(chǔ)，同時(shí)也是物理力學(xué)原理在土木工程中利用的主要體現(xiàn)所在。例如，可通過(guò)對(duì)建筑物不同結(jié)構(gòu)合力的計(jì)算來(lái)判斷建筑的穩(wěn)定性，選擇最為經(jīng)濟(jì)合理的材料。以下通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例，就物理力學(xué)中合力在土木工程的應(yīng)用進(jìn)行介紹：

拱橋在我國(guó)具有很長(zhǎng)的存在歷史，同時(shí)也是我國(guó)在世界上的名片之一，而拱橋作為我國(guó)最古老土木工程的代表作之一，如何將幾塊石塊疊在一起，保障其平衡和穩(wěn)定，則是充分將物理力學(xué)原理應(yīng)用于其中。如圖1所示為一簡(jiǎn)單的拱橋結(jié)構(gòu)的示意圖，假設(shè)該拱橋由四塊石塊拼接而成。對(duì)第一塊石塊進(jìn)行受力分析，假設(shè)第一塊石塊的重力為G1，其受到兩個(gè)壓力和一個(gè)重力保持平衡，兩個(gè)壓力分別為底座的支持力F0和第二塊石塊的壓力F21，通過(guò)正交分解進(jìn)行計(jì)算，可知F0=1.15G1、F21=0.67G1。

然后，對(duì)其第二塊石塊進(jìn)行分析，如圖3所示為其受力分析圖，其受到第一塊石塊的和第三塊石塊的壓力F12、F32和自己的重力G2，基于受力平衡通過(guò)正交分解對(duì)其進(jìn)行計(jì)算得知F12=1.2G2、F32=7.13G2。第三塊和第四塊與第一塊和第二塊對(duì)稱(chēng)受力情況相似。通過(guò)以上對(duì)每一塊石塊受力情況的分析，便可以選擇最大受力值作為承載力的最小設(shè)計(jì)值。此處沒(méi)有將車(chē)輛和行人的重力考慮其中，但原理一致，因此也可用于對(duì)橋梁最大載重的計(jì)算。這些都是物理力學(xué)中力學(xué)原理在其中的具體應(yīng)用。

三、結(jié)論

綜上所述，高中物理力學(xué)原理是建筑力學(xué)理論的基礎(chǔ)，而高中物理力學(xué)中摩擦力、壓力、重力以及合力都在土木工程建設(shè)中具有十分重要的應(yīng)用，是土木工程建設(shè)的理論基礎(chǔ)。筆者從高中生角度，以自身所學(xué)習(xí)到的高中物理力學(xué)知識(shí)和了解到的土木工程知識(shí)出發(fā)，提出了一些自己的觀點(diǎn)和看法，希望能給和我一樣的高中生在物理力學(xué)學(xué)習(xí)方面提供參考，并在未來(lái)工作后能夠?qū)W(xué)到的相關(guān)力學(xué)原理更好地應(yīng)用到土木工程中，為我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提升做出自己的貢獻(xiàn)。

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