工程案例力学原理的整理及提炼

张应迁 付 磊 文华斌 李 良 罗云蓉

（四川理工学院机械工程学院，四川 自贡643000）

0 引言

力学是最早产生并获得发展的科学之一。人们在生成劳动中，创造了一些简单的工具和机械(如斜面、杠杆等)，并在不断使用和改进这些工具和机械中，积累了不少经验，从经验里获得知识，形成了力学规律的起点。我国古代在“墨经”、“考工记”、“论衡”、“天工开物”等书籍中，对于力的概念、杠杆原理、滚动摩擦、材料的强度等方面的知识都有相当多的记载。

19世纪以前，力学是物理学的主导。从19世纪末开始，力学与物理学有了明确的分工，力学研究宏观现象，物理研究微观或宇观现象。物理为基础学科，力学带有技术的性质。当然，随着科学的发展，两者必有融合之处。

20世纪以来，与航空工业及其他技术的发展紧密相关，力学的许多专门分支如弹塑性理论、流体与气体动力学、非线性振动理论、自动控制、运动稳定性理论、陀螺仪理论、变质量力学和飞行力学等各方面都取得了迅速发展和巨大成就。20世纪力学发展的特点是出现了大批新的边缘学科，力学正在越来越多地渗入其它有关学科中。

1997年钱学森首次提出“工程力学走过了从工程设计的辅助手段到中心主要手段的过程，不是唱配角而是唱主角了”这样振奋人心的口号。

力学是必须理论联系实际的；一方面是精深的力学理论,另一方面是工程实际急待解决的问题。必须以理论去解决实际问题，要得到在生产第一线工作的工程师的欢迎。万万不可只发表论文，不解决实际问题，让工程师们觉得有你没有你一个样!怎样做到理论联系实际?必须深入实际。但到了现场，实际就在眼前，你也可能抓不到问题的要害。原因何在?缺少分析洞察问题的能力!怎样培养分析洞察问题的能力?

知识是能力的基础、能力是知识的运用。力学主要培养以及锻炼人的观察能力、建模能力以及提炼问题能力。

1 案例收集

人们常说“处处留心皆学问，人情练达即文章”，主要是强调要留心周围的事物。其实力学并不遥远，力学就在身边。大到宇宙、星系，小到细部、粒子；远至古代文物，近至家长里短；深奥到卫星原理和星系演化，优雅到诗画欣赏。可以说无一不涉及到力学[1]，而一旦涉及到力学又有相应的话题。案例收集可以从以下几个方面来实现：

1.1 留心日常生活中的力学现象

要收集整理和力学相关的案例素材，一定要做生活的有心人，仔细留心周围生活。从而才有可能发现其中和力学相关的现象。比如摩擦，提到摩擦，一般想到是阻碍物体运动，耗损结构的动能，大多想到摩擦是有害的。其实，摩擦又是和人类关系最密切的，一旦没有了摩擦力，人类就无法行走，只能像溜冰一样滑来滑去；又比如下雨、下雪天，汽车车轮容易打滑，转弯的时候一般都要减速等等都是日常生活中和摩擦相关的问题。再比如日常生活中常见的开瓶器，开瓶器的基本原理就是利用自锁原理，以很小的体积与力就可以拔起塞得很紧的瓶塞。通过对这一类问题的整理，可以从日常生活当中整理出大量实例，便于理论力学教学的展开[2]。

1.2 留心新闻报道

2013年6月4日上午，国航一架执飞成都—广州航班的波音757飞机在起飞后不久，飞机机载雷达罩在数千米高空被撞出一个大凹洞，机组随后立即决定返航，在半个小时后航班安全回到成都双流机场，事件未造成人员伤亡。该实例生动形象的阐明了“鸟撞”问题，通过该实例不但可以说明碰撞的巨大破坏力，还能引申解释为什么机场周围不能养鸟以及机场为何有专门的驱鸟部门等；2007年8月12日，在位于陕西南路和南昌路交叉路口的上海地铁10号线建设工地，一辆正在作业的吊车突然侧翻，一名工人被砸伤。这名伤者在被送往医院途中因失血过多死亡。该实例说明吊车操作人员必须要懂得必要的力学知识，否则吊装过程中的安全事故就不可避免。工程施工中在起吊重物时，有严格的操作过程，通常有“十八不吊”的安全要求，特别是在起吊大型构件应进行力学的平衡计算，否则酿成吊车的翻倒事故。通过每天大量的新闻浏览和阅读，可以收集整理大量的和力学相关的工程案例。对于理论和实践相结合的课程案例教学是相当有裨益的。

2 案例力学模型的提炼

有了大量的贴近生活、工程的力学案例，怎样提炼其中的力学模型，这也对从事力学教学的教师提出了更高的要求。比如液压汽车起重机吊臂的受力简化，将油压缸筒简化为二力杆，汽车底盘简化为铰支座。如果忽略吊臂自重的情况下，这样吊臂的受力就可简化为三力汇交平衡。通过列平衡方程或者采用力的三角形都能比较容易的得到油压缸筒以及汽车底盘的受力，从而可以指导起重机吊臂的设计和制造。通过分析还可以研究油压缸筒在升举过程中，得到汽车底盘受力与油压缸筒长度关系的曲线，从而可以优化汽车底盘的受力。另外，还可以研究吊臂采用的截面型钢与吊臂受力变形等的关系，以及油压缸筒可能会发生的屈曲、后屈曲等工程问题。可见，哪怕是针对一个常见的工程实例，要提炼其中的力学模型也不是一件容易的事。它涉及到很多基本的概念，包括约束的抽象、受力的简化等。而工程实际的约束问题要根据结构的运动来抽象简化，它没有一成不变的[3]。比如内燃机活塞连杆，可能在xoy面内，两端的约束要简化成铰支；而在yoz面内，有一端的约束又要简化成平面的固定端，另一端简化成铰支。又比如集中力，严格说不存在真正意义上的集中力，如果有的话，该点的应力就会变得无穷大。而实际上，很多工程上的载荷又经常简化成集中载荷。只有当这些载荷所在的几何尺寸相比于整个结构的尺寸而言小得多的情况下，这种简化假设才是合理、可行的。在比如刚体，绝对不变形的物体是找不到的。只有当物体的变形相比于它原来的几何尺寸小得多的情况下，才可以把这种物体简化为刚体；当物体的变形不能忽略的情况下，刚体假设不在适应，这时要考虑引入变形体的概念。

3 结语

工程案例力学原理的整理及提炼可以说一项比较浩大的工程，需要长时间的积累和凝炼，需要耗费较多的人力和物力，不是一朝一夕能够速成的。但是这又是一件很有意思的事情。通过工程案例的整理和提炼，可以提高力学教师的业务能力和授课质量，还可以开阔视野，增强综合能力；对学生而言，可以提高学生的综合素质，锻炼学生的动手和动脑能力，增强学生的社会责任感，自觉推动和维护社会正能量[4]。

［1］武际可.拉家常ffamp;说力学[M].北京,高等教育出版社,2008.

［2］陈文.理论力学课程教学改革的实践与体会[J].河南科技,2014(8)：274-275.

［3］金春花,曹小建,许薇.紧跟时代步伐的理论力学教学改革研究[J].中国电力教育,2014(14)：140-141.

［4］孔祥清,翟城,等.浅谈普通二本高等院校理论力学的教学改革[J].力学课程报告论坛,2014(7)：81-82.