无处不在的力学

2014-02-12

天津职业院校联合学报 2014年4期

(天津市河东区职工大学，天津 300171)

众所周知,工程力学是现代工程技术的重要理论基础之一,是重要的技术基础课。它是一门与生产实际联系最紧密的学科。同时，它在基础课和专业课之间起着桥梁作用,课程的主要内容是工程技术人员必须掌握的基本理论和技能。学习好这门课程,既可以直接解决一些工程实际问题,又可以为后续的有关专业课程打好基础。现举例如下：

一、在工程事故分析中看工程力学

1．1899年加拿大魁北克大桥动工,它曾经历了1907年和1916年两次倒塌,1917年才正式宣布竣工通车。其中损失最为惨重的一次桥梁倒塌是由于一味强调强度设计而未知压杆屈曲失稳造成的。由著名工程师里奥多·库珀做设计顾问，魁北克桥设计师准备将其建成主跨为549 m、当时世界上最长的钢悬臂桁架梁桥。该桥采用了前所未有的大尺寸，超出当时常用标准的高许用应力,因此非常有必要进行试验研究,但由于财政方面的原因,试验并没有认真进行。1907年8月28日, 引起全桥突然倒塌的原因是在架设中间的组合跨时，下弦杆的腹板受压过大，发生压杆失稳而完全倒塌，但人们为准备这个工程却消耗了10年时间。对结构构件的受压失稳机理认识不足是该桥梁倒塌事故的原因。从此桥梁等结构设计中迅速开展了一系列压杆稳定的试验和研究工作,使结构设计从只强调强度设计,变为必须考虑强度、刚度与稳定性并重的更完善的体系。

2．1999年10月9日的十四号台风对厦门市造成极大破坏,广告牌、候车亭多半毁坏,但街上的广告牌都未往街心倒，这是由于材料力学中杆稳定的原理。对于细长压杆来说,当压力到达临界应力时,应力的微小增加会引起杆件弯曲变形,使杆件的受力性质发生改变,称为丧失稳定。此时应力不一定很高,非但低于屈服极限,还远低于比例极限。但杆件失稳产生破坏,却比一般构件因材料屈服产生破坏严重得多。

二、在农业机械化中看工程力学

农业机械化程度是衡量一个国家和地区农业现代化的重要标准之一,而拖拉机是农业机械化的主要机械。要使拖拉机在运行过程中安全可靠,组成拖拉机的各个零件必须具备足够的承载能力。其承载能力可从三方面来衡量:足够抵抗破坏的能力;足够抵抗变形的能力;足够保持原有平衡状态的能力。这就是工程力学中的构件的强度、刚度和稳定性。要满足安全方面的要求,零件在设计时就要选择质地较好的材料,设计成较大的截面尺寸。而截面尺寸过大,材料质量过高,安全方面可以满足,但是却浪费材料,增加成本,使拖拉机经济性差,又增加了拖拉机自重。因此,在设计拖拉机零部件时,应在满足强度、刚度和稳定性要求的前提下,以最经济的代价为零件选择适宜的材料,确定合理的截面形状和尺寸。

三、在机械工业研究中看工程力学

1．各种机构的复杂运动，例如“连杆机构”和“凸轮机构”等都需要用工程力学中点的合成运动和刚体平面运动的分析方法去分析; 分析机构的平衡要用静、动平衡的概念。

2．融工程力学中的机械效率、摩擦、自锁等知识于机械效率研究中。在研究齿轮、传动轴、蜗轮蜗杆的受力和变形中，要计算齿面接触疲劳强度,齿根部的弯曲强度,蜗轮轮齿的强度,螺栓联接、键联接的剪切强度,齿轮传动轴和蜗杆的强度、刚度,等等。这些都需运用工程力学中的摩擦角、自锁等知识以及构件变形、双向弯曲与扭转组合变形的强度、刚度条件等理论。此外, 为避免机构发生共振，还要用“机械振动”中关于共振的原理。

3．在研究金属切削中，分析切削合力与分力需要用“力的合成与分解”方法; 分析金属切削时的剪切变形和剪应变要用变形与应变的知识分析。在研究金属切削机床中,需要运用工程力学中的基本理论计算支承件的弯矩、扭矩,讨论支承件的刚度及其动态特性,要计算传动件的疲劳强度等。

4．在冲压模具设计与制造技术研究中,要用到工程力学中的应力应变关系，广义虎克定律，第三、第四强度理论等去分析讨论变形物体的应力、应变状态;要用计算重心的方法去确定压力中心,要用弯曲内力、应力、应变的求解方法去进行弯曲模具设计。

5．在冲压模具技术研究中, 要用到工程力学中的弯曲应力、轴向压应力、剪切强度计算方法进行挤压模具的强度校核时。

四、从发明创造中看工程力学

早期的剃须刀是圆头的，而如今市售的剃须刀几乎都是扁平的，为什么会发生这种变化?这要从剃须机理说起.剃须刀头部均有一个网罩，运动的刀片与网罩间的间隙甚小。剃须时，胡须进入网罩，由于刀片相对网罩的运动，胡须被剪切掉.而剪切时，刀片必须有较高的速度，否则剪切效果不好。当剃须刀的电池电压不足时，胡须常被夹住而不能剪断，就是切削速度不够所致。并且人们往往误认为剃须刀网罩上任何部位均能剃须。若将剃须刀上不能剃须的中心区域与带须的脸部接触，就会发生剃须效果不好、轧住胡须、停机等事故.后来，设计者们考虑到人的习惯是用网罩中间区域剃须，就出现了有两个旋转刀架的剃须刀，这时网盖中间部位剃须效果为最佳，而且网盖只保留圆环形有效剃须区，其余则被封闭，这种设计因符合人们的习惯而广受欢迎。