工程力学导论

工程力学是利用力学解决涉及典型工程部件问题的学科。

本工程力学课程旨在让学生熟悉应用于相关现实世界情况的力学问题。为了让学生对正在起作用的基本概念有一个归纳性的理解，将详细讨论某些类型的问题。随后，学生应该能够识别现实世界中此类问题的困难并做出相应的反应。

工程力学解释了事物如何运动以及导致这些运动的力，是工程学的基本分支。

工程力学研究平衡力以及部件中产生的应力和变形。根据强度、允许应力或变形等特性构建部件，方法是将施加的应力与部件的应力公差进行比较。

为了实现这一点，部件的应力必须低于其应力公差。

工程力学提供了用于生成工程设计的基本数学技术，以及材料科学和机器部件的核心领域。因此，工程力学应该被视为理论理解和实际应用之间的联系，没有它就无法理解和彻底分析复杂的技术系统。

区分不同的物理学分支

从图中可以看出，力学是物理学最早和最基础的领域。它包括静力学、动力学（= 运动学 + 动力学）、热力学和电学，所有这些在工程学中都非常有用。然而，其中最关键的方面是静力学（对静止物体的研究），它不仅是所有其他学科的基础，而且具有最大的技术相关性。物理学还包括光学、波、量子力学和相对论等理论，这些理论在工程学中没有任何持久的应用。

区分传统物理学和现代物理学

经典物理学是指经常用于描述宏观尺度物理现象状态的过时物理学理论，例如指导通常大于原子和分子的质量运动的规则。另一方面，现代物理学关注解释物理事件的较新思想。

量子物理学和相对论是现代物理学的两个主要子领域。由于对更微观和抽象层面物质性质的研究，这些现代假设才得以出现。因此，来自经典物理学派的思想经常被认为是在 1900 年之前发展起来的，而来自现代学派的理论则可以追溯到 20 和 21 世纪。

静力学

借助牛顿第二运动定律，我们可以解释物体如何运动。

力 = 质量*加速度

当物体处于静止状态或以恒定速度运动时，其加速度 (a) 为零，这在静力学中是成立的。因此，作用在静止或以恒定速度运动的物体上的总力必须为零。换句话说，作用在物体上的力的总和必须为零。

力的总和 = 0

自由体图：用于理解和解决问题的资源

为了描述作用在静止物体上的所有力，工程师们经常创建所谓的“自由体图”。为了满足不存在加速度的静态约束，这些力随后被分解成与有意义的坐标系一致的向量，并成组地相加（平行于每个基向量的分量）。然后将这些组设置为零。

通常，这会导致可以使用线性代数中的简单方法，甚至只是基本的代数和替换就可以轻松解决的方程组。

自由体图的例子

桁架

没有剪切力或弯矩力；相反，力与构件一起作用。因此，完全由只能承受轴向载荷的二力构件组成的系统被称为桁架。桁架端部被固定以防止力矩通过它们。在桁架构件的端部，只有力是唯一的响应。

桁架仅在其端点处受到外力。可以使用截面法和节点法来解决桁架问题。在截面法中，通过感兴趣的构件进行虚构的切割，并使用力和力矩的整体平衡来确定构件中的力和力矩。

在节点法中，隔离并分析单个节点，并将产生的力（不一定给出数值）传递到相邻节点，在该处重复该过程。之后，可以使用替换或线性代数来求解方程组。

动态

动力学简单地说，当对物体施加力时，它会以一定的速度移动。例如，汽车以一定的速度在道路上行驶。

动力学处理的是具有非零加速度的结构或物体，而静力学处理的是力学的一部分，其中所有物体都是静止的。

运动学和动力学是动力学的两个子领域。运动学只处理位移、速度和加速度，而不考虑作用力。动力学是研究导致物体运动的力和力矩，以及描述运动的众多特性的测量。

动力学是力学的一个分支，侧重于对运动物体的研究。

动力学的分支

运动学和动力学是动力学的两个子领域。

运动学是力学的一个子领域，讨论粒子或物体的运动，而不施加力。

动力学是力学的一个子领域，它将施加在物体上的力与其质量和加速度速率相结合。

符号和符号

S = 距离。

如果 x 水平移动，y 垂直移动。

v = 速度，vf = 最终速度。

起始速度为 vi。

a = 加速度，g = 重力加速度。

t = 时间

工程力学通常在学术机构中分解为以下子学科

• 工程力学 I，使用以静力学为重点的方法
• 工程力学 II，侧重于静电学和材料强度
• 工程力学 III，工程力学中的运动学和动力学（动力学）

力

任何旨在改变其所施加的物体的静止或运动状态的行为都可称为力。

构成力的全面定义的三个要素被称为其规范或特征。因此，一个力的性质如下

1. 维度
2. 应用点
3. 应该使用它的方式

力的作用线

力的方向是它在施加时趋于移动物体的方式，沿其应用点穿过一条直线测量。这条力线是这条路径的名称。

两个力的合成

力的合成问题是将给定的力系简化为其等效的最简单力系的过程。

平行四边形定律

如果位于 A 点的物体受到由向量 AB 和 AC 表示的两个力，它们以一个角度运作。它们的组合作用类似于一个单独的力，用向量 AD 表示，该向量是由使用向量 AB 和 AC 作为在图中定向的平行四边形的对角线形成的。

共线力平衡

平衡定律：为了使两个力处于平衡状态，它们都必须以相反的方向、共线且大小相等的方式作用。

力的分解

力的分解问题是用几个分量代替单个力，这些分量的作用将类似于所提供的力。

共线力的平衡

平衡定律：为了使两个力处于平衡状态，它们的作用必须是共线的、大小相等的，并且向相反方向移动。

工程力学主题领域

静力学

静力学课程包括评估机械系统载荷的基础知识。此信息是开发和确定机器零件和部件尺寸的基础。

材料强度

材料强度涉及确定由弹性系统在压力、拉伸、弯曲、扭转和剪切等载荷下变形产生的应力状态。

动力学（运动学和动力学）

动力学研究动态系统。运动学处理运动模式，而不是关注运动的起源。动力学研究刚体在施加力时的运动方式。

机器动力学

机器动力学研究动态力和运动因素在机器中的相互作用，建立在工程力学的基础之上。