物理力学原理在土木工程中的应用探析

2018-04-18耿浩桐

中国校外教育(中旬) 2018年2期

耿浩桐

【摘要】对物理力学进行了简单介绍，从摩擦力、压力、合力以及重力几个方面，对物理力学原理在土木工程的应用展开了深入的分析探讨，希望能给高中生在物理力学学习方面一定的参考，并使其在学习物理的过程中也对物理力学知识在土木工程中的应用具备一定的认识。

【关键词】土木工程高中物理力学原理

土木工程是国家建设的基础行业，而力学作为一种从初中便开始学习的知识，在物理学科中的内容所占比例较大，同时，力学原理和知识在土木工程中也有十分广泛的应用，甚至可以说是土木工程的基础。基于此，文章以笔者在物理力学学习过程中获得的相关知识为基础，就物理力学在土木工程中的应用展开详细探究。

一、物理力学的概述

力学其本质就是物体与物体之间的相互作用，当一个物体受到一个作用力时，说明此時还有一个施加该作用力的物体，前者为受力物体，后者为施力物体。从力学的效果和性质出发则可以将力分为两类，其中效果力包括支持力、压力以及阻力、动力、支持力以及拉力等；性质力则主要包括电磁力、摩擦力、分子力以及重力等。在高中物理中的力学原理就是研究力的分解、合成以及平衡，该部分内容是物理力学的基础，也贯穿于整个物理力学中。

物理力学原理在土木工程中的应用则主要体现在建筑力学上。建筑力学可以进一步分为结构力学、材料力学和理论力学三部分。其中材料力学主要是对土木工程结构的传力和受力的研究，核心内容为如何实现建筑结构的优化；材料力学则是对土木工程中材料在各种外力作用下所产生的各种应力、强度以及刚度等内容的研究，核心内容为土木工程中使用何种材料以保障质量；理论力学则是主要研究土木工程中各个物体在作用力下的平衡问题，核心内容为如何保障建筑物的稳定。但无论是材料力学、结构力学还是理论力学都是在物理力学原理的基础上发展出来的，属于力学原理的一个具体应用。

二、力学原理在土木工程的具体应用

（一）摩擦力的应用

摩擦力是物理力学中最为常见的一种力的类型，而在我们的日常生活中，摩擦力则是存在于生活的各个方面，甚至可以说这个世界上如果没有了摩擦力，整个世界都不可能继续运转。在土木工程中力学原理的应用，摩擦力则是最为广泛的部分。例如，施工人员在施工中使用滑轮将土木施工中材料吊起的动力，就是摩擦力转变而来。此外，在土木工程的施工中，摩擦力的应用也具体体现在提升建筑物的稳定性上，通过将建筑中各个接触面的压力增大，继而产生更大的重力和摩擦力作用，达到建筑工程稳定性提升的效果。对于土木工程而言，将摩擦力充分合理地应用其中，是工程建设水平提升的一个标志，可有效减少对施工材料的磨损，并确保施工效果，同时也可提升建筑的安全稳定性，因此，摩擦力在土木工程中起着不可取代的作用。

（二）压力的应用

压力是高中物理力学中另一种最为常见的一个类型的力，而我们所学习的压力、重力等多种形式的力，则是现代土木工程建设的理论基础所在，也是不断推进土木工程发展的基础性知识。物理力学中的压力原理在土木工程的应用和摩擦力有很大的相似，也是用于对建筑物稳定性的提升，同时还有助于工程施工范围的拓展。例如，在桥梁架设工程中，施工人员便需要通过对桥梁和桥墩受到压力的情况进行测量，来判断桥梁的稳定性。在桥梁建设完成后，施工人员还需要通过对压力的测量以判断建设质量。

（三）重力的应用

重力是物理力学中基础的力之一，其原理也是在土木工程中应用最多的物理学原理之一。基于对重力的计算，可帮助施工人员确定在土木施工的过程中各个阶段施工材料的不同作用。同时重力作为土木工程中评断施工质量的一个重要的指标，在具体的土木工程建设也中也可结合压力，对建筑质量进行测量。例如在土木工程施工材料的运输上，便可以利用对重力和反作用力的结合计算，调节材料运输的无用功率和有用功率之间的关系，继而起到节约运输成本的目的。

（四）合力的应用

能量守恒是物理力学原理中的基础，同时也是物理力学原理在土木工程中利用的主要体现所在。例如，可通过对建筑物不同结构合力的计算来判断建筑的稳定性，选择最为经济合理的材料。以下通过一个实际案例，就物理力学中合力在土木工程的应用进行介绍：

拱桥在我国具有很长的存在历史，同时也是我国在世界上的名片之一，而拱桥作为我国最古老土木工程的代表作之一，如何将几块石块叠在一起，保障其平衡和稳定，则是充分将物理力学原理应用于其中。如图1所示为一简单的拱桥结构的示意图，假设该拱桥由四块石块拼接而成。对第一块石块进行受力分析，假设第一块石块的重力为G1，其受到两个压力和一个重力保持平衡，两个压力分别为底座的支持力F0和第二块石块的压力F21，通过正交分解进行计算，可知F0=1.15G1、F21=0.67G1。

然后，对其第二块石块进行分析，如图3所示为其受力分析图，其受到第一块石块的和第三块石块的压力F12、F32和自己的重力G2，基于受力平衡通过正交分解对其进行计算得知F12=1.2G2、F32=7.13G2。第三块和第四块与第一块和第二块对称受力情况相似。通过以上对每一块石块受力情况的分析，便可以选择最大受力值作为承载力的最小设计值。此处没有将车辆和行人的重力考虑其中，但原理一致，因此也可用于对桥梁最大载重的计算。这些都是物理力学中力学原理在其中的具体应用。

三、结论

综上所述，高中物理力学原理是建筑力学理论的基础，而高中物理力学中摩擦力、压力、重力以及合力都在土木工程建设中具有十分重要的应用，是土木工程建设的理论基础。笔者从高中生角度，以自身所学习到的高中物理力学知识和了解到的土木工程知识出发，提出了一些自己的观点和看法，希望能给和我一样的高中生在物理力学学习方面提供参考，并在未来工作后能够将学到的相关力学原理更好地应用到土木工程中，为我国的基础设施建设提升做出自己的贡献。