基本介紹
- 中文名：套用力學
- 外文名：applied mechanics
- 又名：工程力學
- 研究內容：研究巨觀物質運動規律
- 基本原理：經典力學
- 包含學科：流體力學、固體力學、材料力學
- 相對詞：理論力學
簡介,起源,性質,研究方法,力學分類,經典彈性力學和套用力學方法,
簡介
套用力學是物理學的一個分支，主要研究能量和力以及它們與固體、液體及氣體的平衡、變形或運動在實際中的關係。力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分，靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關係；動力學討論物體運動和所受力的關係。現代的力學實驗設備，諸如大型的風洞、水洞，它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目，需要多工種、多學科的協作。
套用力學是力學的一個分支學科。是側重於工程套用為目的的研究課題和研究方法的力學領域，如航空力學、建築力學、船舶力學、車輛力學、陀螺力學等。它是相對於理論力學而言的。
起源
力學知識最早起源於對自然現象的觀察和在生產勞動中的經驗。人們在建築、灌溉等勞動中使用槓桿、斜面、汲水等器具，逐漸積累起對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德對槓桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統研究，確定它們的基本規律，初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。古代人還從對日、月運行的觀察和弓箭、車輪等的使用中，了解一些簡單的運動規律，如勻速的移動和轉動。但是對力和運動之間的關係，只是在歐洲 文藝復興時期以後才逐漸有了正確的認識。
伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上，最早闡明自由落體運動的規律，提出加速度的概念。牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是克卜勒的行星運動三定律)，提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。牛頓運動定律的建立標誌著力學開始成為一門科學。
此後，力學的研究對象由單個的自由質點，轉向受約束的質點和受約束的質點系。這方面的標誌是達朗貝爾提出的達朗貝爾原理，和拉格朗日建立的分析力學。其後，歐拉又進一步把牛頓運動定律用於剛體和理想流體的運動方程，這看作是連續介質力學的開端。
運動定律和物性定律這兩者的結合，促使彈性固體力學基本理論和粘性流體力學基本理論孿生於世，在這方面作出貢獻的是納維、柯西、泊松、斯托克斯等人。彈性力學和流體力學基本方程的建立，使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。
從牛頓到漢密爾頓的理論體系組成了物理學中的經典力學。在彈性和流體基本方程建立後，所給出的方程一時難於求解，工程技術中許多套用力學問題還須依靠經驗或半經驗的方法解決。這使得19世紀後半葉，在材料力學、結構力學同彈性力學之間，水力學和水動力學之間一直存在著風格上的顯著差別。
20世紀初，隨著新的數學理論和方法的出現，力學研究又蓬勃發展起來，創立了許多新的理論，同時也解決了工程技術中大量的關鍵性問題，如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題等。
這時的先導者是普朗特和卡門，他們在力學研究工作中善於從複雜的現象中洞察事物本質，又能尋找合適的解決問題的數學途徑，逐漸形成一套特有的方法。從20世紀60年代起，計算機的套用日益廣泛，力學無論在套用上或理論上都有了新的進展。力學在中國的發展經歷了一個特殊的過程。與古希臘幾乎同時，中國古代對平衡和簡單的運動形式就已具備相當水平的力學知識，所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統。在文藝復興前的約一千年時間內，整個歐洲的科學技術進展緩慢，而中國科學技術的綜合性成果堪稱卓著，其中有些在當時世界居於領先地位。這些成果反映出豐富的力學知識，但終未形成系統的力學理論。到明末清初，中國科學技術已顯著落後於歐洲。
性質
物理科學的建立是從力學開始的。在物理科學中，人們曾用純粹力學理論解釋機械運動以外的各種形式的運動，如熱、電磁、光、分子和原子內的運動等。當物理學擺脫了這種機械(力學)的自然觀而獲得健康發展時，力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化，逐漸從物理學中獨立出來。
20世紀初，相對論指出牛頓力學不適用於高速或宇宙尺度內的物體運動；20年代，量子論指出牛頓力學不適用於微觀世界。這反映人們對力學認識的深化，即認識到物質在不同層次上的機械運動規律是不同的。所以通常理解的力學，是指以巨觀的機械運動為研究內容的物理學分支學科。許多帶“力學”名稱的學科，如熱力學、統計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等，在習慣上被認為是物理學的其它分支，不屬於力學的範圍。
力學與數學在發展中始終相互推動，相互促進。一種力學理論往往和相應的一個數學分支相伴產生，如運動基本定律和微積分，運動方程的求解和常微分方程，彈性力學及流體力學和數學分析理論，天體力學中運動穩定性和微分方程定性理論等，因此有人甚至認為力學應該也是一門套用數學。但是力學和其它物理學分支一樣，還有需要實驗基礎的一面，而數學尋求的是比力學更帶普遍性的數學關係，兩者有各自不同的研究對象。
力學不僅是一門基礎科學，同時也是一門技術科學，它是許多工程技術的理論基礎，又在廣泛的套用過程中不斷得到發展。當工程學還只分民用工程學(即土木工程學)和軍事工程學兩大分支時，力學在這兩個分支中就已經起著舉足輕重的作用。工程學越分越細，各個分支中許多關鍵性的進展，都有賴於力學中有關運動規律、強度、剛度等問題的解決。
力學和工程學的結合，促使了工程力學各個分支的形成和發展。現在，無論是歷史較久的土木工程、建築工程、水利工程、機械工程、船舶工程等，還是後起的航空工程、航天工程、核技術工程、生物醫學工程等，都或多或少有工程力學的活動場地。
力學既是基礎科學又是技術科學這種二重性，有時難免會引起分別側重基礎研究和套用研究的力學家之間的不同看法。但這種二重性也使力學家感到自豪，它們為溝通人類認識自然和改造自然兩個方面作出了貢獻。
研究方法
力學研究方法遵循認識論的基本法則：實踐——理論——實踐。
力學家們根據對自然現象的觀察，特別是定量觀測的結果，根據生產過程中積累的經驗和數據，或者根據為特定目的而設計的科學實驗的結果，提煉出量與量之間的定性的或數量的關係。為了使這種關係反映事物的本質，力學家要善於抓住起主要作用的因素，屏棄或暫時屏棄一些次要因素。
力學中把這種過程稱為建立模型。質點、質點系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續介質等是各種不同的模型。在模型的基礎上可以運用已知的力學或物理學的規律，以及合適的數學工具，進行理論上的演繹工作，導出新的結論。
依據所得理論建立的模型是否合理，有待於新的觀測、工程實踐或者科學實驗等加以驗證。在理論演繹中，為了使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性，往往採用一些無量綱參數如雷諾數、馬赫數、泊松比等。這些參數既反映物理本質，又是單純的數字，不受尺寸、單位制、工程性質、實驗裝置類型的牽制。
因此，從局部看來，力學研究工作方式是多樣的：有些只是純數學的推理，甚至著眼於理論體系在邏輯上的完善化；有些著重數值方法和近似計算；有些著重實驗技術等等。而更大量的則是著重在運用現有力學知識，解決工程技術中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。
現代的力學實驗設備，諸如大型的風洞、水洞，它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目，需要多工種、多學科的協作。套用研究更需要對套用對象的工藝過程、材料性質、技術關鍵等有清楚的了解。在力學研究中既有細緻的、獨立的分工，又有綜合的、全面的協作。
力學分類
力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分，靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關係；動力學討論物體運動和所受力的關係。力學也可按所研究對象區分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支，流體包括液體和氣體；固體力學和流體力學可統稱為連續介質力學，它們通常都採用連續介質的模型。固體力學和流體力學從力學分出後，餘下的部分組成一般力學。
一般力學通常是指以質點、質點系、剛體、剛體系為研究對象的力學，有時還把抽象的動力學系統也作為研究對象。一般力學除了研究離散系統的基本力學規律外，還研究某些與現代工程技術有關的新興學科的理論。一般力學、固體力學和流體力學這三個主要分支在發展過程中，又因對象或模型的不同出現了一些分支學科和研究領域。屬於一般力學的有理論力學(狹義的)、分析力學、外彈道學、振動理論、剛體動力學、陀螺力學、運動穩定性等；屬於固體力學的有材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學等；流體力學是由早期的水力學和水動力學這兩個風格迥異的分支匯合而成，現在則有空氣動力學、氣體動力學、多相流體力學、滲流力學、非牛頓流體力學等分支。各分支學科間的交叉結果又產生粘彈性理論、流變學、氣動彈性力學等。
力學也可按研究時所採用的主要手段區分為三個方面：理論分析、實驗研究和數值計算。實驗力學包括實驗應力分析、水動力學實驗和空氣動力實驗等。著重用數值計算手段的計算力學，是廣泛使用電子計算機後才出現的，其中有計算結構力學、計算流體力學等。對一個具體的力學課題或研究項目，往往需要理論、實驗和計算這三方面的相互配合。
力學在工程技術方面的套用結果形成工程力學或套用力學的各種分支，諸如土力學、岩石力學、爆炸力學複合材料力學、工業空氣動力學、環境空氣動力學等。力學和其他基礎科學的結合也產生一些交又性的分支，最早的是和天文學結合產生的天體力學。在20世紀特別是60年代以來，出現更多的這類交叉分支，其中有物理力學、化學流體動力學、電漿動力學、電流體動力學、磁流體力學、熱彈性力學、理性力學、生物力學、生物流變學、地質力學、地球動力學、地球構造動力學、地球流體力學等。
經典彈性力學和套用力學方法
力學的本意是：先建立基本方程，然後期望依靠和利用數學的強大能力，通過解析法來解決各種問題。這便是數學力學的目標。然而現有的套用數學的求解能力，面對複雜多變的工程問題，常常不能克服以正解法求解力學基本方程的困難。因此，希望能找到一種有效的辦法，來補充數學力學面對工程問題的不足。
能夠從工程中提出力學問題，再用力學去完美地解決工程問題，一直是套用力學追求的目標。在力學研究中，套用力學處理工程問題的方法在20世紀初期大放異彩，大獲成功。套用力學令人看到了力學在工程套用中能夠發揮巨大作用的閃亮前景；在力學和工程之間開闢了一條運用巧妙的力學簡化與數學分析相結合的求解工程中的力學問題的通道。
20世紀的力學所取得的進展，在現代工程中發揮的作用，離不開套用力學方法。
用力學方法與數學力學方法相比,數學力學方法要做的是對力學基本方程求取嚴格解.嚴格解當然比近似解好,但除一些極簡單的問題外,都難於求得;而套用力學以簡化的近似方程替代原方程,避開了不可克服的數學困難,同時也不放棄利用強大的數學工具所能提供的一切幫助,先簡化,後求解.由此可見,套用力學方法更能滿足工程的需要.套用力學把力學分析,套用數學,實驗研究,簡化的力學模型,高度近似,充分簡化,巧妙地、有機地結合和利用起來,組合成一套獨特而有效的解決工程力學問題的高超的處理方法.在套用力學解題過程中,起關鍵性作用的恰恰是力學分析與簡化本身.因為,對一個工程中的力學問題,必須先從力學上進行周密的思考,對問題有了充分的掌握和深刻的理解,要能分出主要因素和次要因素,進而提出成功的力學模型.在力學的基本方程建立之後,不直接把求解問題的任務全部交給數學,在進入求解前,先通過力學分析對所研究的問題進行專門的、深入的、反覆的研究和思考,直到能夠使工程問題簡化的力學模型顯現出來,把基本方程先簡化,然後利用套用數學來求解,這就是套用力學取得成功的經驗所在.換言之,在套用力學中,力學理論在提供連續介質基本方程之後,在求解的過程中,力學也發揮了關鍵性的作用.
