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理论力学的绪论


理论力学

什么是力学?
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力学是研究物体机械运动规律的科学。 物体的机械运动是指物体的空间位形(位 臵和形状)随时间的变化。
– 移动、转动、流动和变形

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力学的研究为揭示自然界中与机械运动有 关的规律提供了有效的工具,它也是近代

工程技术的重要理论基础之一。

力学是怎样发展的?
力学的发展始终是和人类社会 活动紧密联系的,它的发展与完善 推动了科学技术和社会的进步。

力学是怎样发展的?
力学发展遵循认知规律
指导实践并发现或提出新问题

理性认识(或深入理性认识)

感性认识(或初步理性认识)

力学的发展-建筑与桥梁
1、建筑与桥梁
早期筒体结构建筑
比萨斜塔
山西应县木塔

建于1173-1370年

建于1056年

力学的发展-建筑与桥梁
观察竹子的特征
竹子的横截面

比萨斜塔横截面

力学的发展-建筑与桥梁
早期拱形结构建筑 建于 581-599 年 跨度:37. 4m 拱高:7m 早期建筑的特点: 高度低, 跨度小, 承载能力低,材料
“敞肩拱”的运用为世界桥梁史上的首 创,并有“世界桥梁鼻祖”的美誉。

赵州桥

为砖石和木材。

力学的发展-建筑与桥梁

力学的发展-建筑与桥梁
现代筒体结构建筑 高度:452米 材料:钢筋混凝土

吉隆坡双塔大厦

建筑物高度增 加会产生什么新问 题?

力学的发展-建筑与桥梁
风载会引起高层建筑物的晃动

双塔大厦利用结构阻尼减小塔体的晃动

力学的发展-建筑与桥梁
现 代 大 跨 度 桥 梁

桥梁跨度增大又会产生什么新问题?

力学的发展-建筑与桥梁
美国华盛顿州塔科马悬索桥 建造设计 风速 60m/s

破坏时的 风速 19m/s
建于1940年,桥长853m

力学的发展-建筑与桥梁
事后分析引起桥梁振动的原因

计算机模拟与仿真

力学的发展-建筑与桥梁
地震对建筑物的影响

如何减小地震 对建筑物的影响?

力学的发展-建筑与桥梁
建筑物减震的模拟实验研究

力学的发展-建筑与桥梁
美国旧金山国际机场新楼使用了移动地基

力学的发展-机械手与机器人
2、机械手与机器人

机械手在工业生产中的应用

天津大学研制的 医用缝合机械手

力学的发展-机械手与机器人
六 足 步 行 机 器 人

步行机器人的应用前景
四足步行机器人

力学的发展-机械手与机器人
从分析研究人体的行走到双足步行机器人的实现,体现
了力学、自动控制和计算机等科学技术的综合应用。 北 京 理 工 大 学 研 制

力学的发展-车辆与飞机
3、车辆与飞机
车辆的早期研制与应用

早期的农用车辆

1769年研制的第一辆蒸汽动力车

力学的发展-车辆与飞机
现代车辆研究提出的要求: 舒适、安全、高速、便捷、环保

力学的发展-车辆与飞机

利用计算机分析车辆的动力学问题

力学的发展-车辆与飞机
汽车自动驾驶的实验研究

力学的发展-车辆与飞机
早期直升机—原理的认识

现代直升机—科学技术的综合应用

力学与工程技术
20世纪力学发展的最大特点是: 力学的研究对象已不再限于理想模型,而更 多地以自然界和工程技术中必然遇到的复杂介 质或系统为对象,并且在解决问题的过程中形 成了更多的力学分支。 在2000年下半年,美国的三十几个专业工程 协会评出了20世纪对人类影响最大的20项技术 。力学在其中多项技术的发展中起着重要甚至 是关键的作用。

第一位:电力系统技术
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现在(2000年)全世界电网装机容量约 为4×109kW, 每年发电28×1012kW-h, 总 值10 000亿美元,几乎全是通过叶轮机 (汽轮机、水轮机)来发电。20世纪下 半叶,由于流体力学的发展,使得叶轮 机设计得到改进,其效率提高约30%。 相当每年节省5 000亿美元。

核反应堆

第二位
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汽车制造技术

1997年3月18日,奇瑞汽车破土动工;2007年8 月22日,奇瑞第100万辆汽车下线。十年铸剑, 奇瑞已从“谋于陋室,成于荒滩”的默默无闻 小企业发展成为国内乘用车行业前四甲。

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汽车内燃机的耗油量降低30%,世界约 有4亿辆汽车,如果每辆省500美元,每 年节省油费2 000亿美元。这很大程度归 功于计算流体力学,热力学、计算固体 力学。

高速列车
行经富士山脚下的新干线与樱花

即将离开巴黎蒙帕尔纳斯公园站的TGV列车

2008年4月11日,时速350公里“和谐号”动车组从唐山 轨道客车有限责任公司开出。

2010年02月28日新华社播发长篇通讯《穿越梦幻的时空 ——中国高速铁路发展纪实》。 ?

通讯说,中国仅用5年走完国际上40年高 速铁路发展历程,集世界最先进的4种技 术,创造出独一无二的中国高铁品牌。从 引进时速200公里高速列车技术,到自主 开发时速350公里、380公里“和谐号” 动车组;从京津城际铁路、武广高铁运营 ,到京沪高铁即将开通,中国正迅疾跨入 引领世界的“高铁时代”。

第三位

航空技术
J-10

F-16E/F

波音空客谋划攻防对策 联手遏制中国大飞机

美国波音747-400大型客机 空中客车A-320客机

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新华网上海2009年8月26日电 (记者 高路) 中 国大型客机发动机项目主体中航商用飞机发 动机有限责任公司总经理张建26日说,中国 自主研制的第一款大飞机发动机计划于2016 年完成研制并开始适航取证,“争取让国产 发动机能和国产大飞机一起飞上蓝天”。

第十一位

航天技术

?神州五号

2003年10月15日,我国在酒泉卫星发射中心进行首次载 人航天飞行。

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中国载人航天计划于1992年正式启动。初期目标是将航天员送入太空。远 期则包括建立永久空间站以及月球探索。 中国载人航天计划的第一步是进入太空,而进入太空轨道飞行器被命名为神 舟号飞船,最多乘员三人。飞船由长征二号F火箭运载。 迄今,神舟号飞船共进行过7次发射,前4次为无人发射。 神舟一号1999年11月21日发射 神舟二号2001年1月10日发射 神舟三号2002年3月25日发射 神舟四号2002年12月30日发射,在轨时间6日18小时,环绕地球108圈。 神舟五号2003年10月15日北京时间9时发射,将航天员杨利伟送入太空。飞 船运行在轨道倾角42.4度、近地点高度200公里、远地点高度350公里的椭 圆轨道上,实施变轨后,进入343公里的圆轨道。计划绕地14圈,历时23小 时。根据规划,接下来的工作目标是将多人送入太空并逗留更长时间,以及 进行太空行走。 神舟六号2005年10月12日UTC22时15分发射,将费俊龙、聂海胜送入指定 轨道,在太空中停留五天后于UTC10月16日20时33分返回地球. 在中国首次完成载人航天任务之后,有关月球探索的“嫦娥工程”也已经展 开,嫦娥工程的第一阶段目标是向月球轨道发射人造观测卫星,预计最早可 在2006年12月完成。之后的规划包括了向月球表面发射无人探测器、实现 人类登月以及在月球上建立太空基地,为向更远星球的探索做好准备。 神舟七号飞船在北京时间2008年9月25日21时10分4秒988毫秒发射升空。 神七上三个人分别为翟志刚(指令长)、刘伯明和景海鹏。

和平号空间站

土木工程技术
海洋平台

隧道工程

武汉长江第一隧

美国Tacoma 海峡大桥

Tacoma 旧桥

Tacoma 新桥

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在华盛顿州,建成与1940年,853m长的悬索桥。

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1940年秋,开通4个月,事故当天8级大风(风速20m/s)。
据查从1818年~19世纪末,风致桥梁振动至少毁坏11座 悬索桥。

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抗风设计是柔性桥梁建设的关键问题。

佛山九江大桥坍塌

2007年6月15日凌晨5点15分,一艘运沙船由于雾 大看不清方向,撞向了位于国道325线南海段的 九江大桥桥墩,造成大约200米的桥面坍塌。

凤凰大桥垮塌
湖南凤凰县兴建中的堤 溪 沱 江 大 桥 于 2007 年 8 月 13 日 下 午 4 时 许 发 生 垮塌事故。造成64人死 亡22人受伤,直接经济 损失3974.7万元。

楼脆脆

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2009年6月27日早上5时30分左右,在没有任何先兆的情 况下,位于上海闵行区莲花南路、罗阳路路口“莲花河畔 景苑”的一栋13层在建商品房突然倒塌,此事引起了各方 关注 ,这栋楼也有了自己特有的名字——“楼脆脆”。

国家地理伟大工程巡礼 National Geographic Megastructures :
鸟巢、中国桥梁、广州电视塔、胡佛水坝、迪拜帆船酒 店、超级钻探平台 里根号超级航母、空客A380、阿帕奇直升机、大型挖掘 机、装载机、推土机、法拉利跑车

力学既是基础学科又是技术学科
理论力学是基础力学的重要组成部分。 ? 理论力学是学习一系列后续课程的重要基 础。 ? 学习理论力学的过程是能力的培养过程, 它的研究方法可使你在今后解决生产实际 问题和科学研究中获益匪浅。
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? 理论力学是研究物体机械运动一般规律的

科学。 机械运动 —— 物体在空间的位臵随时间的 改变。

? 本课程包含三部分:

静力学 —— 研究物体的平衡规律及力的 一般性合成法则。 运动学 —— 研究物体运动的几何性质,不 涉及引起物体运动的原因。 动力学 —— 研究物体运动与受力的关系。

理 论 力 学
参考书: 哈尔滨工业大学编《理论力学》 清华大学编《理论力学》 合肥工业大学编《理论力学》 郝桐生编《理论力学》 浙江大学编《理论力学》 天津大学编《理论力学》

同学们在学习过程中
要积极思维,刻苦钻研; 不要被动思维,认可结论; 更不要拒绝思维,死记硬背。

力学概论
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人类的文明历史有多久,力学的历史就有多久。 力学既是基础科学,又是技术科学。 力学作为一门科学应该从牛顿时代算起。 力学是自然科学中最早趋于成熟的学科。 高技术领域的航空和航天技术,完全是依靠力学在发展。 马克思:力学是“大工业的真正科学的基础”。 钱学森:“不可能设想,不要现代力学就能实现现代化” 。 周培源:“只要自然界存在着机械运动,以及机械运动和 其他高级运动形式的相互联系,力学就永远有无止境的研 究课题,就永远有无限光辉的前景。”

自然科学:数、理、化、天、地、生、力、 农、林、医、工程、环保。
Natural Sciences: Mathematics, Physics, Chemistry, Astronomy, Geology, Biology; Mechanics; Agriculture, Forestry, Medicine, Engineering, Environmental Protection. Technological Science

力学定义
力学是研究介质受力作用及其作用效果的科学,是 处理宏观问题的学问,是自然科学和技术科学的先导科 学之一。 力的作用与物质的运动是自然界和人类活动最基本 的现象。力学初期的发展标志着物理学的发展,并且和 数学、天文学的发展密不可分。这奠定了力学在科学体 系中的基础地位。

力学是工程科学的基础。近代力学实为应用力学。 力学是以工程和自然界的真实介质和系统为研究对象的 应用科学和工程技术的基础,对介质及其结构在外部作 用下的效应进行精细化、机理化描述和做定量分析,为 工程结构的设计和建造提供依据。

力学的特征
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力学兼有技术学科和基础学科的双重属性,表现出从基 础到应用的极大跨度的特征。力学工作者既具备严谨的 数理基础,又面对着复杂的实际工程问题,善于在简明 的自然规律与复杂的工程问题之间构筑桥梁。 与数学区别 力学以自然和工程中的实际事物作为研究的出发点和应 用对象。 与20世纪物理区别 力学侧重于研究与人的尺寸相当尺度上呈现的宏观规律 ,并上溯其巨观表现,下寻其细微观原因。 与工程技术差异 力学侧重于发掘蕴含在工程中的基本规律和定量的设计 准则。

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力学面向自然、源于工程、高于工程的研究路线。获得对 工程技术和认识自然中有重大影响的力学规律,返回并应 用到实际工程中。

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广泛的学科交叉性 力学现象普及自然界和人类活动的各个层次,使得力学与 数学、物理、化学、天文、地学、生物等基础学科和几乎 所有的工程学科相交叉、渗透,形成了大量的新兴交叉学 科。 力学工作者广泛地融合到基础学科、应用和工程技术中。
力学问题在工程应用中无处不在。但力学工作者在工业部 门是散布在工程学科中。

力学的历史
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在西方,力学作为系统的科学有悠久的历史。力 学精确化理论始于牛顿(1643-1727)发表的《 自然哲学的数学原理》(1687年),牛顿用数学 方法定量化描述了物体机械运动的规律,建立了 著名的运动三定律。使得力学成为定量化最早的 学科之一。 马克思说:“力学是大工业的真正科学的基础” 。

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中国力学的历史
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在古代,中国有力学、有科学,来源于工艺技术和生产经验 ,但缺乏西方的应用逻辑推理和数学方法。从春秋战国到14 世纪时期,中国的力学和技术领先于西方。 随着人类认知水平的提高,依据传统经验的科学发展缓慢。 当近代科学兴起之时,文艺复兴之后,西方科学和技术突飞 猛进。 明天启七年(1627),王徵(1571-1644)与传教士邓玉函 (1576-1630)合译第一部介绍西方力学知识的著作《远西 奇器图说》,将Mechanics译为“力艺”,“重学”。1866 年,美国教士,北京京师同文馆教习丁韪良(1827-1916) 编教科书《格物入门》,将Mechanics译为“力学”,1869 年传于日本,但中国仍多用“重学”。1900年前后,日本教 科书传于中国,中国接受“力学”一词。

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在中国,力学成为一个独立的学科和有规模的研究队伍是 在1949年后。 1951年,钱伟长在中科院数学所建立中国第一个力学研究 室。 1952年,周培源在北京大学建立了中国第一个力学专业。 1956年钱学森、钱伟长、郭永怀等在中科院筹建力学研究 所。 1957年中国力学学会成立,《力学学报》创刊。 1958年中国科技大学成立了第一个独立的力学系(近代力 学系)。

力学与工程技术
20世纪力学发展的最大特点是:
力学的研究对象已不再限于理想模型,而 更多地以自然界和工程技术中必然遇到的复杂 介质或系统为对象,并且在解决问题的过程中 形成了更多的力学分支。 在2000年下半年,美国的三十几个专业工 程协会评出了20世纪对人类影响最大的20项技 术。力学在其中多项技术的发展中起着重要甚 至是关键的作用。


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