浅析理论力学的应用

摘 要：理论力学作为理工科的一门基础课程，在理工科的学习和实践中起着重要的指导作用。本文详细考察了理论力学的不同工程实例中应用，讨论了不同的理论力学实际应用模式，为更加深入地理解和掌握理论力学基本理论和基本方法提供了启发，有助于建立以理论力学为基础的分析与解决工程问题的能力、培养严谨的逻辑化思维模式。

关键词：理论力学；应用；土木工程；机械工程

理论力学与电动力学、统计力学、量子力学并称为四大力学。理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学，其主要研究对象为速度远小于光速的宏观物体的机械运动，是古典力学的一个分支，其理论基础是伽利略和牛顿总结的基本定律。理论力学既是应用性极强的基础学科，又具有很强的理论性[1]。分析理论力学在实际工程中的应用既可加深对理论力学的认识[2]，也有助于应用理论力学指导工程应用实践[3]。

1 理论力学的应用基础

理论力学的课程目标是在学习、理解理论力学基本概念和理论的基础上，掌握理论力学景点分析方法，培养以理论力学为基础的逻辑思维模式。具体是以理论力学的基本知识对具体工程应用进行抽象建模，并进一步进行静力学、运动学和动力学的分析探讨，建立系统科学的工程分析和应用思维模式。

理论力学主要可分为三大部分：（1）静力学：所谓静力学主要是指研究受力物体平衡状态下的受力状态并讨论力系简化方法等。（2）运动学：从几何角度来研究物体的运动状态（如运动轨迹、速度）。（3）动力学：主要研究受力物体的运动与其所受作用力之间的关系。

2 理论力学的应用

理论力学是理论性较强的技术基础课，主要通过归纳演绎已知经验规律出发，推理出力学各种性质，需要严谨细密的逻辑推理和数理推导。通过将理论力学基础知识和理论与应用实践相结合，在验证理论力学原理的基础上，可加深对理论力学的感性理解，达到实践和理论的有机结合。

2.1 理论力学在机械工程中的应用

机械工程中都会接触到物体的机械运动，分析物体的运动和受力状态就是将理论力学应用于实践；通过理论力学的分析计算进而对物体运动状态和受力状态提出改进与提升就是应用理论力学指导实践。如确定机械中各个部件的受力状态、受力强度、稳定性就需要利用理论力学静力学的基本知识进行分析，进而简化建模得出结果，并为改善机械性能提供理论支持。通过动力学、静力学分析为可以确定机械中最佳的运行状态，并强度、刚度和稳定性的分析计算，为机械设计选用材料、优化设计机械提供指导。运用理论力学动力学基本理论可以在分析归纳总结已有运动规律和经验的基础上，对不同的运动状态加以利用，改善机械设计，如利用动载荷效应而设计的打夯机，利用减小偏心距使运行更加平稳而设计的飞机螺旋桨等。

机械一般长时间都处于运转状态，分析计算机械各个部分的运动状态有助于理解机械的原理、稳定性和寿命等参数，对于改善机械性能、延长机械使用寿命有着重要的作用。一般而言分析机械的运动意味着分析计算构成机械的各个部件的运动及其之间的受力关系。所谓机械及其各个部件的运动分析就是根据已知运动规律，分析该机构其它构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度等参数，了解机构运动和受力状态的变化规律，进而简化归纳建模得到一般规律。

2.2 理论力学在土木工程中的应用

理论力学在土木工程的学习中是在材料力学、结构力学学习的基础上为土木工程专业补充提供一定的理论力学知识，训练抽象化建模、分析、计算习惯，培养严谨的逻辑化思维模式，提高通过理论分析计算解决实际问题的能力。

理论力学的静力学部分在土木工程中都有着较为实际和广泛的应用。通过静力学分析计算建筑物所承受载荷的类型，并将载荷简化，进而加深对建筑物受力状态的理解和分析能力；通过分析实际结构构造、简化实际受力、抽象化建模建构等方式，锻炼运用理论力学对实际工程案例進行分析建模的能力。分析房梁、屋架、桥梁等结构的受力情况来讨论对实际力系的简化、平衡计算等，对建筑物构件进行受力分析以及力学模型的建立归纳，达到理论与实际的结合与反馈。

以实际工程如桁架桥、厂房桁架屋顶等实例学习理解静力学中平面简单桁架的内力计算，进而归纳讨论桁架结构的实际构造以及连接方式，训练将实际建筑构件简化、抽象化为力学模型的能力，进而计算出结果并比较分析与实际建筑构件之间的差别。通过从实际工程建模推导得到理想化模型、对比理想化模型结果与实际构件差别的整个过程，锻炼严谨的逻辑化思维模式、建立对理论力学实际应用模式的直观认识。

3 理论力学的应用方式

理论力学作为理论性较强的基础性学科，在实际工程中的广泛的、多样化的应用方式。同时理论力学作为理工科的一门通用学科，在实际工程中的应用方式随着应用方向的变化出现显著差异。理论力学的实际应用方式主要有：

（1）理论力学指导实际工程应用：通过分析物体的受力状态、运动状态等基本知识，为物体的运动或静止设计科学合理的材料、结构，如在土木工程中通过分析计算楼层结构得出合理地阳台设计方案等。

（2）实际应用验证理论力学基本结论：通过分析计算物体运动受力状态，进而简化、建模并与理论力学基本知识相验证，训练简化、建模能力，建立对理论力学的直观认识。

（3）理论力学与实际应用相结合并相互反馈：以理论力学分析建模计算物体的受力状态、运动状态并与物体实际受力状态、运动状态对比分析，相互评价并反馈，提高对理论力学的应用水平和对实际物体的分析建模能力，如通过对机械构件进行速度分析，分析速度变化规律能否满足工作要求。

理论力学既是理论性较强的基础学科，也是锻炼解决实际工程问题的的指导性学科，通过分析理论力学的实际应用既能促进对理论力学基本原理的理解与直观认识，又能提炼工程当中的力学原理，提升在实际应用中简化力系、归纳建模、加深对理论力学基本原理的理解水平的，进而达到应用实践和理理论力学有机结合的效果。

参考文献：

[1]张应迁，付磊，文华斌，李良，罗云蓉.工程案例教学在理论力学教学中的应用[J].教育教学论坛，2015（20）：169-170.

[2]张速.方法论在理论力学课程教学中的应用[J].力学与实践，2008（01）：91-92.

[3]张亚红，韩省亮，刘睫，张陵.理论力学课程教学中工程哲学思维能力的培养与实践[J].中国大学教学，2013（10）：52-54.

作者简介：孙皆宜（1962-），女，河北唐山人，本科，唐山学院教师，教授，研究方向：物理学及应用。