力学能力的潜在研发与实践应用

蒋玲

摘要：力学既是一门基础学科，又是一门技术学科，目前，已经在广泛的实践应用当中得到了不断的发展，它为沟通人类认识自然与改造自然方面也做出了重要贡献。本文首先从力学定义以及力学的分类这两方面简单介绍了有关力学的基本问题，然后从材料的力学性能以及有关力学性能的研究方法这两方面介绍了力学能力的潜在研发，最后从力-热-电-磁耦合效应、航天航空方面的应用、一般力学、环境力学以及生物力学介绍了有关力学能力的实践应用。不同的材料在不同的条件下所表现出来的特性是不同的，其研究的法则便是理论联系实际，之后再将其应用于实践。

关键词：力学 力学性能 实践 应用

中图分类号：G42 ？ 文献标识码：A？？文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

力学是物理学中最基础最古老的一门学科，它的研究范围包括从一般的物体的机械运动到天体的运动。小到基本粒子的碰撞、衰变、相互作用的轨迹，大到宇宙探测、航天、航空都属于力学的问题。其应用的范围包括最早的土木工程、桥梁道路、水利工程、航海造船、机械冶金方面的应用，到后来的航空航天、防灾减灾、环保能源、生物化工等领域。其应用范围之广，令人吃惊。基于此，本文针对力学性能进行进一步深入的探究，并且介绍了有关力学能力的几个实践应用。

1 力学简介

1.1 力学定义

力学是一门独立性较强的基础学科，其主要研究的便是力和能量以及它们与液体、固体以及气体间的平衡、变形以及运动的关系。力学不仅仅是一门基础性较强的学科，而且其也是一门技术性较强的学科，其包含有很多有关工程技术的理论基础，并且在广泛的实践应用中不断的壮大。力学在军事工程以及土木工程方面都起着举足轻重的作用。目前，工程学领域已经拥有多个分支，而这各个分支当中很多重要的进展都十分依赖于力学有关的运动规律、强度以及刚度等等。力学与工程学之间的结合，促进了整个工程力学的形成与发展，现如今，不仅是历史较为久远的土木工程、水利工程、建筑工程等需要工程力学的贡献，而且核技术工程以及航空航天工程等新兴学科中工程力学也起着至关重要的作用。力学既是基础学科又是技术学科的二重性使得其为沟通人类认识与改造自然方面均做出了重要贡献。

1.2 力学的分类

力学大致可以分为静力学、动力学以及运动学这三部分，其中静力学所研究的是物体所受的力在平衡状态或者是物体在静止状态下的问题；而动力学则讨论的是物体在受力的作用下与物体运动之间的关系；运动学仅仅考虑物体是怎样进行运动的，而对其与所受力之间的关系则不予讨论。

根据研究对象的不同对力学进行分类，则可以分为固体力学、流体力学以及一般力学这三方面，其中流体不仅包括液体，而且还包括气体，通常将固体力学和流体力学统称为连续介质力学，一般采用连续介质的模型进行研究。而一般力学通常指的是以质点、刚体、质点系和刚体系为研究对象的力学，有时还会将抽象力学纳入一般力学的范畴，一般力学不仅要研究离散系统的基本规律，还会研究一些与工程技术相关的新兴学科的理论。固体力学、流体力学以及一般力学这三个力学分支在发展过程当中，会根据对象以及模型的不同出现了不同的研究领域和分支学科。其中材料力学、结构力学、弹塑性力学、断裂力学等均属于固体力学；而水力学、水动力学、气体动力学、空气动力学、渗流力学、多相流体力学等均属于流体力学；而理论力学、分析力学、振动理论、刚体动力学、运动稳定性、陀螺力学等均属于一般力学。而各个学科在交叉融合的过程当中又产生了流变学、气动弹性力学以及粘弹性力学等等。

力学在工程技术方面的实践应用结果形成了工程力学以及应用力学的各个分支，例如岩石力学、土力学、爆炸力学、环境空气动力等等。而力学在于其他基础学科进行结合的同时也产生了一些交叉性的学科分支，例如与天文学相结合而形成的天体力学。

2 力学能力的潜在研发

2.1 材料的力学性能

材料在不同温度、湿度以及介质条件下，在受到扭转、弯曲或者交变应力的作用下，所表现出来的力学性能是不同的。

（1）脆性

脆性指的便是材料在受到外力作用下几乎没有发生塑性变形就遭受断裂破坏的一种特性。材料的脆性与材料的韧性以及塑性是相反的。通常情况下，脆性材料是没有屈服点的，但是其有断裂强度以及极限强度，这两者几乎是一样的，混凝土、铸铁以及陶瓷等均属于脆性材料，脆性材料与其它工程材料相比，其在拉伸方面的性能较为脆弱，脆性材料一般情况下采用压缩试验来进行评定。

（2）塑性

塑性指的是材料在拉力或者冲击力的作用下能稳定地产生的永久变形而不被破坏其完整性能力。材料的塑性变形一般会发生在材料所承受的荷载超过其弹性极限之后，材料发生不可逆的形变。材料发生塑性形变之后，不能恢复到初始状态，在这一情况下，材料会保留一部分或者是全部荷载时的变形。

（3）强度

材料在外荷载的作用下，用以抵抗塑性变形以及断裂的能力。可以根据外力作用的性质进行分类，可以分为抗拉强度、屈服强度、抗压强度以及抗弯强度等等，工程上经常用到的是屈服强度以及抗拉强度，而这两个强度一般可以通过拉伸试验测得。强度是衡量材料承载能力的一个重要指标。

（4）弹性

材料的弹性一般指的是其在外力作用下从而发生的一系列形变，而当外力消除后能够能够恢复到原来的大小以及形状的性质。在一定的限度之外，在外力消除之后材料并不能恢复原来形状，则这一限度称为弹性限度，同一物体的弹性限度是并不是固定不变的，它会随着温度的升高而有所减小。

2.2 力学性能的研究方法

力学研究的方法所遵循的基本法则便是理论联系实际，然后再将其应用于实践，应该根据对自然现象的观察，尤其是对定量观测的结果进行分析，从而总结出一系列经验以及数据，或者是为特定的目的从而设计的一系列科学实验所测定的结果，从而得出量与量之间的定性以及数量的关系。这一过程便是模型建立的过程，质点、质点系、弹性体、刚体以及连续介质等均是不同的力学模型，在建立模型的基础上可以根据已知的一些力学以及物理学的规律，结合合适的数学工具，对其进行理论上的演绎工作，从而得出新的结论。对于所得理论所建立的模型是否合理，则应该进行新一轮的观测，并将其进行工程实践或者进行科学的实验进行论证，对于理论的演绎当中，为了使得理论能够更具概括性以及实用性，经常会采用诸如雷诺数、泊松比等无量纲的参数，而这些参数不仅能够对物理本质进行很好的反应，而且由于其是单纯的数字，所以不会受尺寸、工程性质以及实验装置等的牵制。现代的力学实验设备，通常需要多工种、多学科间的协作，对物体力学能力的应用研究不仅需要更为细致、独立的分工，而且还需要进行更为综合以及全面的协作。

3 力学能力的实践应用

3.1 力-热-电-磁耦合效应

在固体力学当中，经典的连续介质力学将可能会被突破，而一些新的力学模型以及力学体系，将会能够概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观以及微观方面的因素，以及关于这些因素方面的演化，从而使得一些复合材料的韧化、强化以及功能化能够产生量的提升和质的飞跃。固体力学能够将力、热、电以及磁等效应进行融合，目前，机械力与热、电以及磁等效应的相互转化以及控制大都还局限于测量以及控制的元件之上，而这些效应的结合将会带来更大的用途，近年来出现的微电子元器件，已经十分迫切的要求对这类力、热、电的耦合效应做更深入的研究，而以“Mechronics”为代表的微工艺、微控制以呈及微机械等方面的发展，会极大的推动对力、热、电、磁耦合效应的研究。

3.2 航空航天方面的应用

流体力学的发展能够推动航天飞机以及新一代的超声速民航机的成功研制，目前，在对高温空气的有关热动力学进行研究中，必须对原先的热力学平衡的假定进行放弃，而且对超声速流毕节层的控制、降噪以及减阻等也带来了一些列新的问题。在流体力学的指导下，所取得的工程技术成就不胜枚举，最突出的便有人类登月、在月球建立空间站、航天飞机等为代表的航天技术，以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达到大半个足球场的民航机为代表的航天技术都是力学能力在航天航空方面的实践应用。

3.3 一般力学

目前，关于一般力学的研究已经开始进入了对生物体运动问题的研究，开始研究了人以及动物的行走以及奔跑当中所产生的一系列力学问题，而且有关这一方面的研究，已经产生了一系列新的结果，对于这一方面的研究，不仅能够对生物的进化方向产生一系列的理性认识，而且也可以为人类进一步提高某些机构以及机械性能方面的要求提供一些理论性的指导。其中在进行一般力学的研究时应该重视对固体的非平衡理论、塑性与强度的统计理论、原子乃至电子层次上子系统的动力理论，为了能够更加深入的进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟与现代宏观、细观以及微观实验与观测技术。工科中的各项实践也离不开力学，因此，在工科的基础课当中，也开设了不同的力学课程，其中包括理论力学、材料力学、结构力学等等。

3.4 环境力学的兴起

环境力学是将力学以及环境相互结合从而形成的一门新兴交叉学科，主要是对自然环境当中的破坏、变形、迁移以及其所伴随产生的一些列的物理、化学以及生物过程和导致的物质、能量运输、动量对环境的演化规律以及对人类所生存环境所产生的影响进行描述。环境力学的发展不仅能够深化人们对环境问题中的物理过程以及基本规律的认识，而且能够在一定程度上促进环境问题的定量化研究。现阶段对环境力学的研究，不仅要对该学科发展的自身规律以及要求有一定的重视，在此基础上，还应该与国家所需求的和工程实际进行紧密结合，能够将理论研究、规律分析以及防治措施进行有机的结合。而关于中国的环境力学的研究则必须抓住一复杂介质流动和多过程耦合为基础、沿海和西部这两个经济发展地区、水环境、大气环境、灾害与安全，从而对重点发展领域进行确立，促进学科的多方面发展。对于环境力学的研究，能够解决一些实际方面的问题，例如对于西部干旱、半干旱环境治理的动力学问题；重大环境灾害发生的机理以及预报；以水或者是气为载体的物质运输过程等方面的研究。

3.5 生物力学的兴起

目前，生物力学已经有了很大的发展，生命科学以及包括力学在内的基础以及工程科学交叉、融合已经成为了当今生命科学研究的热点，已经为生物力学的发展提供了新的方向。现代分子以及细胞生物学不仅提出了大量的新课题，而且带来了很多新的研究工具，推动了生物力学开始由着宏观向微观深入，而且开始强调了有关宏观和微观方面的融合。现阶段生物力学的发展特点可以归纳为内涵扩大、有机融合、微观深入以及宏观与微观相结合，但是宏观生物力学仍旧为当今主流。有关生物力学的实践应用，更加促进了以解决与应用所相关的工程技术问题为目标的新的生物工程学的发展。在实践应用方面，组织工程、药物设计与输运、血流动力学、骨、肌肉关节力学等已经得到了临床以及工业界的一致认同，已经相继解决了一系列关键技术方面的问题。

4 结论

力学作为基础性与技术性相互结合的一门学科，随着当今社会的快速发展，已经在社会的各个领域当中得到了广泛的应用。随着工程学的越分越细，其各个分支当中的关键性的进展都十分依赖于力学当中有关的运动规律、强度以及刚度等理论知识。因此，我们应该在充分了解有关力学的定义以及分类的基础上，对物体的力学性能进行深入的探究，充分了解其力学性能，并且能够将其利用于社会的各个领域，而有关环境力学以及生物力学等新兴学科的研究与应用，也是力学以后研究的重要方向。

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