機械理論力學-全66集 | 易學族自學網

力學

簡介

力學又稱經典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎，機械、建築、航天器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本依據。機械運動是物質運動的最基本的形式。機械運動亦即力學運動，是物質在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等。而平衡或靜止，則是其中的特殊情況。物質運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等。

力是物質間的一種相互作用，機械運動狀態的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變，則意味著各作用力在某種意義上的平衡，因此，力學可以說是力和(機械)運動的科學。

力學在漢語中的意思是力的科學。漢語「力」字最初表示的是手臂使勁，後來雖又含有他義，但都同機械或力學實驗運動沒有直接聯繫。「力學」一詞的英語是 mechanics(源於希臘語μηχανη──機械)。在英語中，mechanics是一個多義詞，既可釋作「力學」，也可釋作「機械學」、「結構」等。在歐洲其他語種中，此詞的語源和語義都與英語相同。漢語中沒有同它對等的多義詞。mechanics在19世紀50年代作為研究力的作用的學科名詞傳入中國時，譯作「重學」，後來改譯作「力學」，一直使用至今。「力學的」和「機械的」在英語中同mechanical，而現代漢語中「機械的」又可理解為「刻板的」。這種不同語種中詞義包容範圍的差異，有時引起國際學術交流中的周折。例如機械的(mechanical)自然觀，其實指用力學解釋自然的觀點，而英語mechanist是指機械師，不是指力學家。

學科分類

力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分，靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關係；動力學討論物體運動和所受力的關係。

力學也可按所研究對像區分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支。根據研究對像具體的形態、研究方法、研究目的的不同，固體力學可以分為理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、板殼力學、塑性力學、斷裂力學、機械振動、聲學、計算力學、有限元分析等等，流體力學包含流體靜力學、流體動力學等等。根據針對對像所建立的模型不同，力學也可以分為質點力學、剛體力學和連續介質力學。連續介質通常分為固體和流體，固體包括彈性體和塑性體。

固體力學和流體力學從力學分出後，餘下的部分組成一般力學。一般力學通常是指以質點、質點系、剛體、剛體系為研究對象的力學，有時還把抽像的動力學系統也作為研究對象。一般力學除了研究離散系統的基本力學規律外，還研究某些與現代工程技術有關的新興學科的理論。
　

一般力學、固體力學和流體力學這三個主要分支在發展過程中，又因對像或模型的不同出現了一些分支學科和研究領域。屬於一般力學的有理論力學(狹義的)、分析力學、外彈道學、振動理論、剛體動力學、陀螺力學、運動穩定性等；屬於固體力學的有材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學等；流體力學是由早期的水力學和水動力學這兩個風格迥異的分支匯合而成，到了21世紀則有空氣動力學、氣體動力學、多相流體力學、滲流力學、非牛頓流體力學等分支。各分支學科間的交叉結果又產生粘彈性理論、流變學、氣動彈性力學等。力學也可按研究時所採用的主要手段區分為三個方面：理論分析、實驗研究和數值計算。實驗力學包括實驗應力分析、水動力學實驗和空氣動力實驗等。著重用數值計算手段的計算力學，是廣泛使用電子計算機後才出現的，其中有計算結構力學、計算流體力學等。對一個具體的力學課題或研究項目，往往需要理論、實驗和計算這三方面的相互配合。

力學在工程技術方面的應用結果形成工程力學或應用力學的各種分支，諸如土力學、岩石力學、爆炸力學、複合材料力學、工業空氣動力學、環境空氣動力學等。
　

力學和其他基礎科學的結合也產生一些交又性的分支，最早的是和天文學結合產生的天體力學。在20世紀特別是60年代以來，出現更多的這類交叉分支，其中有物理力學、化學流體動力學、等離子體動力學、電流體動力學、磁流體力學、熱彈性力學、理性力學、生物力學、生物流變學、地質力學、地球動力學、地球構造動力學、地球流體力學等。20世紀以來，力學有了很大的發展，創立了一系列重要的新概念、新理論和新方法。力學與其它學科的交叉和融合日顯突出，形成了許多力學交叉學科：力學與物理學的交叉形成了物理力學，與生命科學的交叉形成了生物力學，與環境科學和地學的交叉形成了環境力學，以及爆炸力學、等離子體力學等都形成了力學的新的學科生長點，不斷地豐富著力學的研究內容和方法，並使力學學科始終保持著旺盛的生命力。同時，人類社會和經濟發展的更高需求將不斷促進力學與其他學科的交叉，促進力學交叉學科發展到一個嶄新的階段。
　

力的合成

物理意義

物體不只受到一個力，而是同時受到幾個力。一個物體受到幾個力共同作用的時候，我們常常可以求出這樣一個力，這個力產生的效果跟原來幾個力共同產生的效果相同，這個力就叫做那幾個力的合力。求兩個或兩個以上力的合力的過程或方法叫做力的合成。

物理定義

力的合成：求兩個或兩個以上力的合力的過程叫做力的合成。

共點力

幾個力如果都作用在物體的同一點，或者它們的作用線相交於同一點，這幾個力叫做共點力。

平行四邊形定則

兩個力合成時,以表示這兩個力的有向線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個鄰邊之間的對角線就代表合力的大小和方向,這就叫做平行四邊形定則。

力的合成的平行四邊形定則，只適用於共點力。

如果有兩個以上的共點力作用在物體上，我們也可以應用平行四邊形定則求出它們的合力：先求出任意兩個力的合力，再求出這個合力跟第三個力的合力，直到把所有的力都合進去，最後得到的結果就是這些力的合力。

根據力的平行四邊形則作圖，可以看出，力F1和F2的合力F的大小和方向隨著F1和F2之間的夾角而變化。當夾角等於0度時，力F1和F2在同一直線上且方向相同，F=/F1/+/F2/(/為絕對值符號)，合力的大小等於兩個力的大小之和，合力的方向跟兩個力的方向相同。當夾角等於180度時，力F1和 F2在同一直線上但方向相反，F=F1-F2，合力的大小等於兩個力的大小之差，合力的方向跟兩個力中較大的那個力的方向相同。

力既有大小，又有方向，力的合成要遵守平行四邊形定則。在物理學中，像這樣的物理量叫做矢量，力是矢量，我們學過的位移、速度、加速度也是矢量。而長度、質量、時間、溫度、能量、路程等物理量，只有大小，沒有方向，在物理學中叫做標量。

三角形定則

三角形定則是指兩個力（或者其他任何矢量）合成，其合力應當為將一個力的起始點移動到另一個力的終止點，合力為從第二個的起點到第一個的終點。

矢量表示法是用一段線段加上箭頭表示一個物理量。線段長短表示矢量數量上的大小，箭頭表示它的方向。

假如有兩個力，大小方向都不同，用矢量三角形求出它們合力的大小，就把第二個力的尾連上第一個力的頭，它們的合力就是第一個力的尾指向第二個力的頭的這樣一個矢量，畫出來之後你可以看到三者構成一個三角形，這就是所謂的矢量三角形。