土木三大力学及其在生活中的应用

罗昊宇 湖南省长沙市周南中学

引言：土木三大力学是土木工程的重要组成部分，为土木学的研究进步打下了厚实的基础。土木三大力学分别为理论力学，结构力学和材料力学。其中理论力学是一般力学各分支学科的基础，主要研究物体运动的基本规律；结构力学在土木工程中必不可少，其主要研究内容包括工程结构受力和传力的规律，如何进行结构优化；材料力学与前两者不同，主要研究材料在外力作用下产生的各种变化，这些变化包括材料的应变、刚度、稳定等，在很多场合也需要研究材料破坏的极限。本文通过这三大力学在力学学科及生活中的应用这四大部份来进行阐述。

1.土木三大力学的背景及发展现状

建筑是城市一道亮丽的风景线，也是城市的名片。世界上各建筑千奇百怪的存在而又屹立不倒有其内在的科学依据。 建筑行业的兴起与力学联系紧密，土木力学是建筑稳定性的保证，土木三大力学是土木工程学科中所必修的科目，在我国大学教育中占有重要的地位。

1.1 理论力学的概述及其现状

理论力学是主要研究物体机械运动的基本规律。理论力学主要分为静力学、动力学和运动学三部分。理论研究起步晚，随着运动三定律和万有引力定律的提出，理论力学开始成型。随后麦克斯韦的电磁学理论进一步丰富和拓展了理论力学的范围，而随着相对论的提出，理论力学达到了一个新的高度，量子力学的提出和发展延伸了理论力学的深度。从20世纪至今，随着科技的发展和人文素质的提高，理论力学注入更多新的内容，衍生出如地质力学，物理力学，生物力学等混合学科，同时计算机技术的增强，有力地帮助理论力学的计算，解决了很多的力学难题。

1.2 结构力学的概述及其现状

随着社会的进步，人们逐渐了解结构的强度和刚度及其规律，如金字塔，长城等传世之作，这些结构力学知识作为一种经验逐渐流传。19世纪初，结构力学随工业的发展逐渐独立成型，到19世纪中叶，结构力学成为一门独立的学科。1826年纳维提出求解静不定结构问题的一般方法。1830年火车在桥梁的行驶问题衍生的桁架理论。麦克斯韦创立单位载荷法解决了位置的问题。20世纪初，船舶行业的发展，其运行中自由振动和受迫振动方面。20世纪中叶，随着电子计算机和有限元法的问世，其高速强大的计算能力也极大地扫除了力学发展的障碍。

1.3 材料力学的概述及其现状

材料力学与理论力学不同，理论往往是有一个体系，并不断发展和完善的。材料力学实验具有速度快、相互渗透和学科交叉三大特点。材料力学的发展需要大量实验加以验证，实验都是基于一些概念和技术并不断更新。当今现存的如塔、宫殿、赵州石桥等，都是材料力学的鲜明例程。意大利艺术家、工程师达芬奇通过房梁完成弯曲试验。伽利略在悬梁上也有过悬臂测试。随后大量的学者在材料力学上做了大量的实验研究。我国在材料力学也研究现状，墨子也做过绳拉伸测试，比同试验的伽利略早两千多年。然而我国材料力学研究偏理论而缺实验。这也是我国材料力学专业需要提高的方面。

2.土木三大力学在生活中的应用

土木工程的理论基础是三大力学，随着科技的发展和人才素质的提升，大到各种复杂建筑，小到日常用品，都是土木三大力学在生活中的应用的体现。

2.1 理论力学在生活中的应用

理论力学在生活中的应用越来越多，在土木工程中的具体化和抽象化的应用有着不可替代的作用。如许多体育馆和电影院的网壳和网架可抽象为由许多链杆通过球型铰链连接而成空间网格结构。在日常生活中，拉链可以作为一件代表物，主要用的是理论力学的斜面原理，斜面使微小的力量转化成足以链齿的巨大力量。其符合这个原理的物品还有螺旋千斤顶。直升机和自行车则用的是陀螺力学。理论力学也应用于三角支架稳定（野外烧锅架）。指甲剪和钳子等则使用的为杠杆原理。

2.2 结构力学在生活中的应用

结构力学在生活上的应用几乎随处可见，比如帐篷的搭建，如何做才能让同一个帐篷搭建出不同的感觉和舒适程度，这就要运用到结构力学来分析和思考以此来搭建一个稳定且舒适的帐篷。又像火车的轨道为什么在转弯的地方一边高一边低，为什么火车的车轮设计成那个样，分别考虑到了转向时的向心力和利用外侧突起部分（轮缘）与钢轨的作用导向 。这些都运用到了结构力学，这样设计使火车的运行更加安全和可靠。在生活中我们认为的一些理所当然的事情其实运用到了很多结构力学的知识。

2.3 材料力学在生活中的应用

材料力学对我们生活的影响是巨大的，在日常生活中起到了非常大的作用。从建筑方面来说，埃菲尔铁塔在实际建筑过程中，其建造形状充分考虑结构强度和不定风向等因素。

从日常生活中，螺栓应用了剪切变形的知识。起重机的启动臂则应用了弯曲变形的知识。像零食包装袋上的锯形口也是力学在生活中的应用。材料力学在生活中无处不在，这与土木工程的普及密不可分。

3 结论

土木工程源于生活而又服务于生活，总而言之，土木力学在生活中的应用极其广泛。本文阐述了三大力学的主要概况以及在生活中的运用的例子和原理。土木力学与生活联系紧密，通过本文的介绍，能够激起人们对土木力学的研究兴趣，增大土木力学专业的影响力，相信随着科技的不断进步，土木力学会在人们的生活中增添更多的便利。