力學能力的潛在研發(fā)與實踐應用

蔣玲

摘要：力學既是一門基礎學科，又是一門技術學科，目前，已經在廣泛的實踐應用當中得到了不斷的發(fā)展，它為溝通人類認識自然與改造自然方面也做出了重要貢獻。本文首先從力學定義以及力學的分類這兩方面簡單介紹了有關力學的基本問題，然后從材料的力學性能以及有關力學性能的研究方法這兩方面介紹了力學能力的潛在研發(fā)，最后從力-熱-電-磁耦合效應、航天航空方面的應用、一般力學、環(huán)境力學以及生物力學介紹了有關力學能力的實踐應用。不同的材料在不同的條件下所表現(xiàn)出來的特性是不同的，其研究的法則便是理論聯(lián)系實際，之后再將其應用于實踐。

關鍵詞：力學 力學性能 實踐 應用

中圖分類號：G42 ？ 文獻標識碼：A？？文章編號：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

力學是物理學中最基礎最古老的一門學科，它的研究范圍包括從一般的物體的機械運動到天體的運動。小到基本粒子的碰撞、衰變、相互作用的軌跡，大到宇宙探測、航天、航空都屬于力學的問題。其應用的范圍包括最早的土木工程、橋梁道路、水利工程、航海造船、機械冶金方面的應用，到后來的航空航天、防災減災、環(huán)保能源、生物化工等領域。其應用范圍之廣，令人吃驚?；诖?，本文針對力學性能進行進一步深入的探究，并且介紹了有關力學能力的幾個實踐應用。

1 力學簡介

1.1 力學定義

力學是一門獨立性較強的基礎學科，其主要研究的便是力和能量以及它們與液體、固體以及氣體間的平衡、變形以及運動的關系。力學不僅僅是一門基礎性較強的學科，而且其也是一門技術性較強的學科，其包含有很多有關工程技術的理論基礎，并且在廣泛的實踐應用中不斷的壯大。力學在軍事工程以及土木工程方面都起著舉足輕重的作用。目前，工程學領域已經擁有多個分支，而這各個分支當中很多重要的進展都十分依賴于力學有關的運動規(guī)律、強度以及剛度等等。力學與工程學之間的結合，促進了整個工程力學的形成與發(fā)展，現(xiàn)如今，不僅是歷史較為久遠的土木工程、水利工程、建筑工程等需要工程力學的貢獻，而且核技術工程以及航空航天工程等新興學科中工程力學也起著至關重要的作用。力學既是基礎學科又是技術學科的二重性使得其為溝通人類認識與改造自然方面均做出了重要貢獻。

1.2 力學的分類

力學大致可以分為靜力學、動力學以及運動學這三部分，其中靜力學所研究的是物體所受的力在平衡狀態(tài)或者是物體在靜止狀態(tài)下的問題；而動力學則討論的是物體在受力的作用下與物體運動之間的關系；運動學僅僅考慮物體是怎樣進行運動的，而對其與所受力之間的關系則不予討論。

根據(jù)研究對象的不同對力學進行分類，則可以分為固體力學、流體力學以及一般力學這三方面，其中流體不僅包括液體，而且還包括氣體，通常將固體力學和流體力學統(tǒng)稱為連續(xù)介質力學，一般采用連續(xù)介質的模型進行研究。而一般力學通常指的是以質點、剛體、質點系和剛體系為研究對象的力學，有時還會將抽象力學納入一般力學的范疇，一般力學不僅要研究離散系統(tǒng)的基本規(guī)律，還會研究一些與工程技術相關的新興學科的理論。固體力學、流體力學以及一般力學這三個力學分支在發(fā)展過程當中，會根據(jù)對象以及模型的不同出現(xiàn)了不同的研究領域和分支學科。其中材料力學、結構力學、彈塑性力學、斷裂力學等均屬于固體力學；而水力學、水動力學、氣體動力學、空氣動力學、滲流力學、多相流體力學等均屬于流體力學；而理論力學、分析力學、振動理論、剛體動力學、運動穩(wěn)定性、陀螺力學等均屬于一般力學。而各個學科在交叉融合的過程當中又產生了流變學、氣動彈性力學以及粘彈性力學等等。

力學在工程技術方面的實踐應用結果形成了工程力學以及應用力學的各個分支，例如巖石力學、土力學、爆炸力學、環(huán)境空氣動力等等。而力學在于其他基礎學科進行結合的同時也產生了一些交叉性的學科分支，例如與天文學相結合而形成的天體力學。

2 力學能力的潛在研發(fā)

2.1 材料的力學性能

材料在不同溫度、濕度以及介質條件下，在受到扭轉、彎曲或者交變應力的作用下，所表現(xiàn)出來的力學性能是不同的。

（1）脆性

脆性指的便是材料在受到外力作用下幾乎沒有發(fā)生塑性變形就遭受斷裂破壞的一種特性。材料的脆性與材料的韌性以及塑性是相反的。通常情況下，脆性材料是沒有屈服點的，但是其有斷裂強度以及極限強度，這兩者幾乎是一樣的，混凝土、鑄鐵以及陶瓷等均屬于脆性材料，脆性材料與其它工程材料相比，其在拉伸方面的性能較為脆弱，脆性材料一般情況下采用壓縮試驗來進行評定。

（2）塑性

塑性指的是材料在拉力或者沖擊力的作用下能穩(wěn)定地產生的永久變形而不被破壞其完整性能力。材料的塑性變形一般會發(fā)生在材料所承受的荷載超過其彈性極限之后，材料發(fā)生不可逆的形變。材料發(fā)生塑性形變之后，不能恢復到初始狀態(tài)，在這一情況下，材料會保留一部分或者是全部荷載時的變形。

（3）強度

材料在外荷載的作用下，用以抵抗塑性變形以及斷裂的能力?？梢愿鶕?jù)外力作用的性質進行分類，可以分為抗拉強度、屈服強度、抗壓強度以及抗彎強度等等，工程上經常用到的是屈服強度以及抗拉強度，而這兩個強度一般可以通過拉伸試驗測得。強度是衡量材料承載能力的一個重要指標。

（4）彈性

材料的彈性一般指的是其在外力作用下從而發(fā)生的一系列形變，而當外力消除后能夠能夠恢復到原來的大小以及形狀的性質。在一定的限度之外，在外力消除之后材料并不能恢復原來形狀，則這一限度稱為彈性限度，同一物體的彈性限度是并不是固定不變的，它會隨著溫度的升高而有所減小。

2.2 力學性能的研究方法

力學研究的方法所遵循的基本法則便是理論聯(lián)系實際，然后再將其應用于實踐，應該根據(jù)對自然現(xiàn)象的觀察，尤其是對定量觀測的結果進行分析，從而總結出一系列經驗以及數(shù)據(jù)，或者是為特定的目的從而設計的一系列科學實驗所測定的結果，從而得出量與量之間的定性以及數(shù)量的關系。這一過程便是模型建立的過程，質點、質點系、彈性體、剛體以及連續(xù)介質等均是不同的力學模型，在建立模型的基礎上可以根據(jù)已知的一些力學以及物理學的規(guī)律，結合合適的數(shù)學工具，對其進行理論上的演繹工作，從而得出新的結論。對于所得理論所建立的模型是否合理，則應該進行新一輪的觀測，并將其進行工程實踐或者進行科學的實驗進行論證，對于理論的演繹當中，為了使得理論能夠更具概括性以及實用性，經常會采用諸如雷諾數(shù)、泊松比等無量綱的參數(shù)，而這些參數(shù)不僅能夠對物理本質進行很好的反應，而且由于其是單純的數(shù)字，所以不會受尺寸、工程性質以及實驗裝置等的牽制。現(xiàn)代的力學實驗設備，通常需要多工種、多學科間的協(xié)作，對物體力學能力的應用研究不僅需要更為細致、獨立的分工，而且還需要進行更為綜合以及全面的協(xié)作。

3 力學能力的實踐應用

3.1 力-熱-電-磁耦合效應

在固體力學當中，經典的連續(xù)介質力學將可能會被突破，而一些新的力學模型以及力學體系，將會能夠概括某些對宏觀力學行為起敏感作用的細觀以及微觀方面的因素，以及關于這些因素方面的演化，從而使得一些復合材料的韌化、強化以及功能化能夠產生量的提升和質的飛躍。固體力學能夠將力、熱、電以及磁等效應進行融合，目前，機械力與熱、電以及磁等效應的相互轉化以及控制大都還局限于測量以及控制的元件之上，而這些效應的結合將會帶來更大的用途，近年來出現(xiàn)的微電子元器件，已經十分迫切的要求對這類力、熱、電的耦合效應做更深入的研究，而以“Mechronics”為代表的微工藝、微控制以呈及微機械等方面的發(fā)展，會極大的推動對力、熱、電、磁耦合效應的研究。

3.2 航空航天方面的應用

流體力學的發(fā)展能夠推動航天飛機以及新一代的超聲速民航機的成功研制，目前，在對高溫空氣的有關熱動力學進行研究中，必須對原先的熱力學平衡的假定進行放棄，而且對超聲速流畢節(jié)層的控制、降噪以及減阻等也帶來了一些列新的問題。在流體力學的指導下，所取得的工程技術成就不勝枚舉，最突出的便有人類登月、在月球建立空間站、航天飛機等為代表的航天技術，以速度超過5倍聲速的軍用飛機、起飛重量超過300t、尺寸達到大半個足球場的民航機為代表的航天技術都是力學能力在航天航空方面的實踐應用。

3.3 一般力學

目前，關于一般力學的研究已經開始進入了對生物體運動問題的研究，開始研究了人以及動物的行走以及奔跑當中所產生的一系列力學問題，而且有關這一方面的研究，已經產生了一系列新的結果，對于這一方面的研究，不僅能夠對生物的進化方向產生一系列的理性認識，而且也可以為人類進一步提高某些機構以及機械性能方面的要求提供一些理論性的指導。其中在進行一般力學的研究時應該重視對固體的非平衡理論、塑性與強度的統(tǒng)計理論、原子乃至電子層次上子系統(tǒng)的動力理論，為了能夠更加深入的進行這些研究，應當充分利用與開發(fā)計算機模擬與現(xiàn)代宏觀、細觀以及微觀實驗與觀測技術。工科中的各項實踐也離不開力學，因此，在工科的基礎課當中，也開設了不同的力學課程，其中包括理論力學、材料力學、結構力學等等。

3.4 環(huán)境力學的興起

環(huán)境力學是將力學以及環(huán)境相互結合從而形成的一門新興交叉學科，主要是對自然環(huán)境當中的破壞、變形、遷移以及其所伴隨產生的一些列的物理、化學以及生物過程和導致的物質、能量運輸、動量對環(huán)境的演化規(guī)律以及對人類所生存環(huán)境所產生的影響進行描述。環(huán)境力學的發(fā)展不僅能夠深化人們對環(huán)境問題中的物理過程以及基本規(guī)律的認識，而且能夠在一定程度上促進環(huán)境問題的定量化研究。現(xiàn)階段對環(huán)境力學的研究，不僅要對該學科發(fā)展的自身規(guī)律以及要求有一定的重視，在此基礎上，還應該與國家所需求的和工程實際進行緊密結合，能夠將理論研究、規(guī)律分析以及防治措施進行有機的結合。而關于中國的環(huán)境力學的研究則必須抓住一復雜介質流動和多過程耦合為基礎、沿海和西部這兩個經濟發(fā)展地區(qū)、水環(huán)境、大氣環(huán)境、災害與安全，從而對重點發(fā)展領域進行確立，促進學科的多方面發(fā)展。對于環(huán)境力學的研究，能夠解決一些實際方面的問題，例如對于西部干旱、半干旱環(huán)境治理的動力學問題；重大環(huán)境災害發(fā)生的機理以及預報；以水或者是氣為載體的物質運輸過程等方面的研究。

3.5 生物力學的興起

目前，生物力學已經有了很大的發(fā)展，生命科學以及包括力學在內的基礎以及工程科學交叉、融合已經成為了當今生命科學研究的熱點，已經為生物力學的發(fā)展提供了新的方向。現(xiàn)代分子以及細胞生物學不僅提出了大量的新課題，而且?guī)砹撕芏嘈碌难芯抗ぞ撸苿恿松锪W開始由著宏觀向微觀深入，而且開始強調了有關宏觀和微觀方面的融合?，F(xiàn)階段生物力學的發(fā)展特點可以歸納為內涵擴大、有機融合、微觀深入以及宏觀與微觀相結合，但是宏觀生物力學仍舊為當今主流。有關生物力學的實踐應用，更加促進了以解決與應用所相關的工程技術問題為目標的新的生物工程學的發(fā)展。在實踐應用方面，組織工程、藥物設計與輸運、血流動力學、骨、肌肉關節(jié)力學等已經得到了臨床以及工業(yè)界的一致認同，已經相繼解決了一系列關鍵技術方面的問題。

4 結論

力學作為基礎性與技術性相互結合的一門學科，隨著當今社會的快速發(fā)展，已經在社會的各個領域當中得到了廣泛的應用。隨著工程學的越分越細，其各個分支當中的關鍵性的進展都十分依賴于力學當中有關的運動規(guī)律、強度以及剛度等理論知識。因此，我們應該在充分了解有關力學的定義以及分類的基礎上，對物體的力學性能進行深入的探究，充分了解其力學性能，并且能夠將其利用于社會的各個領域，而有關環(huán)境力學以及生物力學等新興學科的研究與應用，也是力學以后研究的重要方向。

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