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运动学、静力学、动力学概念

运动学、静力学、动力学概念

运动学

运动学是理论力学的一个分支学科,它是运用几何学的方法来研究物体的运动,通常不考虑力和质量等因素的影响。至于物体的运动和力的关系,则是动力学的研究课题。

用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系,因此,单纯从运动学的观点看,对任何运动的描述都是相对的。这里,运动的相对性是指经典力学范畴内的,即在不同的参照系中时间和空间的量度相同,和参照系的运动无关。不过当物体的速度接近光速时,时间和空间的量度就同参照系有关了。这里的“运动”指机械运动,即物体位置的改变;所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。

运动学主要研究点和刚体的运动规律。点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。掌握了这两类运动,才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。

在变形体研究中,须把物体中微团的刚性位移和应变分开。点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征,这些都随所选的参考系不同而异;而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。刚体运动按运动的特性又可分为:刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。

运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础,也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。

运动学的发展历史

运动学在发展的初期,从属于动力学,随着动力学而发展。古代,人们通过对地面物体和天体运动的观察,逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动,已有了速度的概念。

伽利略发现了等加速直线运动中,距离与时间二次方成正比的规律,建立了加速度的概念。在对弹射体运动的研究中,他得出抛物线轨迹,并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则,伽利略为点的运动学奠定了基础。在此基础上,惠更斯在对摆的运动和牛顿在对天体运动的研究中,各自独立地提出了离心力的概念,从而发现了向心加速度与速度的二次方成正比、同半径成反比的规律。

18世纪后期,由于天文学、造船业和机械业的发展和需要,欧拉用几何方法系统地研究了刚体的定轴转动和刚体的定点运动问题,提出了后人用他的姓氏命名的欧拉角的概念,建立了欧拉运动学方程和刚体有限转动位移定理,并由此得到刚体瞬时转动轴和瞬时角速度矢量的概念,深刻地揭示了这种复杂运动形式的基本运动特征。所以欧拉可称为刚体运动学的奠基人。

此后,拉格朗日和汉密尔顿分别引入了广义坐标、广义速度和广义动量,为在多维位形空间和相空间中用几何方法描述多自由度质点系统的运动开辟了新的途径,促进了分析动力学的发展。

19世纪末以来,为了适应不同生产需要、完成不同动作的各种机器相继出现并广泛使用,于是,机构学应运而生。机构学的任务是分析机构的运动规律,根据需要实现的运动设计新的机构和进行机构的综合。现代仪器和自动化技术的发展又促进机构学的进一步发展,提出了各种平面和空间机构运动分析和综合的问题,作为机构学的理论基础,运动学已逐渐脱离动力学而成为经典力学中一个独立的分支。

静力学

静力学是力学的一个分支,它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律,以及如何建立各种力系的平衡条件。

平衡是物体机械运动的特殊形式,严格地说,物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态,即加速度为零的状态都称为平衡。对于一般工程问题,平衡状态是以地球为参照系确定的。静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。

静力学的发展简史

从现存的古代建筑,可以推测当时的建筑者已使用了某些由经验得来的力学知识,并且为了举高和搬运重

物,已经能运用一些简单机械(例如杠杆、滑轮和斜面等)。

静力学是从公元前三世纪开始发展,到公元16世纪伽利略奠定动力学基础为止。这期间经历了西欧奴隶社会后期,封建时期和文艺复兴初期。因农业、建筑业的要求,以及同贸易发展有关的精密衡量的需要,推动了力学的发展。人们在使用简单的工具和机械的基础上,逐渐总结出力学的概念和公理。例如,从滑轮和杠杆得出力矩的概念;从斜面得出力的平行四边形法则等。

阿基米德是使静力学成为一门真正科学的奠基者。在他的关于平面图形的平衡和重心的著作中,创立了杠杆理论,并且奠定了静力学的主要原理。阿基米德得出的杠杆平衡条件是:若杠杆两臂的长度同其上的物体的重量成反比,则此二物体必处于平衡状态。阿基米德是第一个使用严密推理来求出平行四边形、三角形和梯形物体的重心位置的人,他还应用近似法,求出了抛物线段的重心。

著名的意大利艺术家、物理学家和工程师达·芬奇是文艺复兴时期首先跳出中世纪烦琐科学人们中的一个,他认为实验和运用数学解决力学问题有巨大意义。他应用力矩法解释了滑轮的工作原理;应用虚位移原理的概念来分析起重机构中的滑轮和杠杆系统;在他的一份草稿中,他还分析了铅垂力奇力的分解;研究了物体的斜面运动和滑动摩擦阻力,首先得出了滑动摩擦阻力同物体的摩擦接触面的大小无关的结论。

对物体在斜面上的力学问题的研究,最有功绩的是斯蒂文,他得出并论证了力的平行四边形法则。静力学一直到伐里农提出了著名的伐里农定理后才完备起来。他和潘索多边形原理是图解静力学的基础。

分析力学的概念是拉格朗日提出来的,他在大型著作《分析力学》中,根据虚位移原理,用严格的分析方法叙述了整个力学理论。虚位移原理早在1717年已由伯努利指出,而应用这个原理解决力学问题的方法的进一步发展和对它的数学研究却是拉格朗日的功绩。

静力学的内容

静力学的基本物理量有三个:力、力偶、力矩。

力的概念是静力学的基本概念之一。经验证明,力对已知物体的作用效果决定于:力的大小(即力的强度);力的方向;力的作用点。通常称它们为力的三要素。力的三要素可以用一个有向的线段即矢量表示。

凡大小相等方向相反且作用线不在一直线上的两个力称为力偶,它是一个自由矢量,其大小为力乘以二力作用线间的距离,即力臂,方向由右手螺旋定则确定并垂直于二力所构成的平面。

力作用于物体的效应分为外效应和内效应。外效应是指力使整个物体对外界参照系的运动变化;内效应是指力使物体内各部分相互之间的变化。对刚体则不必考虑内效应。静力学只研究最简单的运动状态即平衡。如果两个力系分别作用于刚体时所产生的外效应相同,则称这两个力系是等效力系。若一力同另一力系等效,则这个力称为这一力系的合力。

静力学的全部内容是以几条公理为基础推理出来的。这些公理是人类在长期的生产实践中积累起来的关于

力的知识的总结,它反映了作用在刚体上的力的最简单最基本的属性,这些公理的正确性是可以通过实验来验证的,但不能用更基本的原理来证明。

静力学的研究方法有两种:一种是几何的方法,称为几何静力学或称初等静力学;另一种是分析方法,称为分析静力学。

几何静力学可以用解析法,即通过平衡条件式用代数的方法求解未知约束反作用力;也可以用图解法,即以力的多边形原理和伐里农——潘索提出的索多边形原理为基础,用几何作图的方法来研究静力学问题。分析静力学是拉格朗日提出来的,它以虚位移原理为基础,以分析的方法为主要研究手段。他建立了任意力学系统平衡的一般准则,因此,分析静力学的方法是一种更为普遍的方法。

静力学在工程技术中有着广泛的应用。例如对房屋、桥梁的受力分析,有效载荷的分析计算等。

动力学

动力学是理论力学的一个分支学科,它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。动力学是物理学和天文学的基础,也是许多工程学科的基础。许多数学上的进展也常与解决动力学问题有关,所以数学家对动力学有着浓厚的兴趣。

动力学的研究以牛顿运动定律为基础;牛顿运动定律的建立则以实验为依据。动力学是牛顿力学或经典力学的一部分,但自20世纪以来,动力学又常被人们理解为侧重于工程技术应用方面的一个力学分支。

动力学的发展简史

力学的发展,从阐述最简单的物体平衡规律,到建立运动的一般规律,经历了大约二十个世纪。前人积累的大量力学知识,对后来动力学的研究工作有着重要的作用,尤其是天文学家哥白尼和开普勒的宇宙观。

17世纪初期,意大利物理学家和天文学家伽利略用实验揭示了物质的惯性原理,用物体在光滑斜面上的加速下滑实验,揭示了等加速运动规律,并认识到地面附近的重力加速度值不因物体的质量而异,它近似一个常量,进而研究了抛射运动和质点运动的普遍规律。伽利略的研究开创了为后人所普遍使用的,从实验出发又用实验验证理论结果的治学方法。

17世纪,英国大科学家牛顿和德国数学家莱布尼兹建立了的微积分学,使动力学研究进入了一个崭新的时代。牛顿在1687年出版的巨著《自然哲学的数学原理》中,明确地提出了惯性定律、质点运动定律、作用

和反作用定律、力的独立作用定律。他在寻找落体运动和天体运动的原因时,发现了万有引力定律,并根据它导出了开普勒定律,验证了月球绕地球转动的向心加速度同重力加速度的关系,说明了地球上的潮汐现象,建立了十分严格而完善的力学定律体系。

动力学以牛顿第二定律为核心,这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。牛顿首先引入了质量的概念,而把它和物体的重力区分开来,说明物体的重力只是地球对物体的引力。作用和反作用定律建立以后,人们开展了质点动力学的研究。

牛顿的力学工作和微积分工作是不可分的。从此,动力学就成为一门建立在实验、观察和数学分析之上的严密科学,从而奠定现代力学的基础。

17世纪荷兰科学家惠更斯通过对摆的观察,得到了地球重力加速度,建立了摆的运动方程。惠更斯又在研究锥摆时确立了离心力的概念;此外,他还提出了转动惯量的概念。

牛顿定律发表100年后,法国数学家拉格朗日建立了能应用于完整系统的拉格朗日方程。这组方程式不同于牛顿第二定律的力和加速度的形式,而是用广义坐标为自变量通过拉格朗日函数来表示的。拉格朗日体系对某些类型问题(例如小振荡理论和刚体动力学)的研究比牛顿定律更为方便。

刚体的概念是由欧拉引入的。18世纪瑞士学者欧拉把牛顿第二定律推广到刚体,他应用三个欧拉角来表示刚体绕定点的角位移,又定义转动惯量,并导得了刚体定点转动的运动微分方程。这样就完整地建立了描述具有六个自由度的刚体普遍运动方程。对于刚体来说,内力所做的功之和为零。因此,刚体动力学就成为研究一般固体运动的近似理论。

1755年欧拉又建立了理想流体的动力学方程;1758年伯努利得到关于沿流线的能量积分(称为伯努利方程);1822年纳维得到了不可压缩性流体的动力学方程;1855年许贡纽研究了连续介质中的激波。这样动力学就渗透到各种形态物质的领域中去了。例如,在弹性力学中,由于研究碰撞、振动、弹性波传播等问题的需要而建立了弹性动力学,它可以应用于研究地震波的传动。

19世纪英国数学家汉密尔顿用变分原理推导出汉密尔顿正则方程,此方程是以广义坐标和广义动量为变量,用汉密尔顿函数来表示的一阶方程组,其形式是对称的。用正则方程描述运动所形成的体系,称为汉密尔

顿体系或汉密尔顿动力学,它是经典统计力学的基础,又是量子力学借鉴的范例。汉密尔顿体系适用于摄动理论,例如天体力学的摄动问题,并对理解复杂力学系统运动的一般性质起重要作用。

拉格朗日动力学和汉密尔顿动力学所依据的力学原理与牛顿的力学原理,在经典力学的范畴内是等价的,但它们研究的途径或方法则不相同。直接运用牛顿方程的力学体系有时称为矢量力学;拉格朗日和汉密尔顿的动力学则称为分析力学。

动力学的基本内容

动力学的基本内容包括质点动力学、质点系动力学、刚体动力学、达朗贝尔原理等。以动力学为基础而发展出来的应用学科有天体力学、振动理论、运动稳定性理论,陀螺力学、外弹道学、变质量力学,以及正在发展中的多刚体系统动力学等。

质点动力学有两类基本问题:一是已知质点的运动,求作用于质点上的力;二是已知作用于质点上的力,求质点的运动。求解第一类问题时只要对质点的运动方程取二阶导数,得到质点的加速度,代入牛顿第二定律,即可求得力;求解第二类问题时需要求解质点运动微分方程或求积分。

动力学普遍定理是质点系动力学的基本定理,它包括动量定理、动量矩定理、动能定理以及由这三个基本定理推导出来的其他一些定理。动量、动量矩和动能是描述质点、质点系和刚体运动的基本物理量。作用于力学模型上的力或力矩,与这些物理量之间的关系构成了动力学普遍定理。

刚体的特点是其质点之间距离的不变性。欧拉动力学方程是刚体动力学的基本方程,刚体定点转动动力学则是动力学中的经典理论。陀螺力学的形成说明刚体动力学在工程技术中的应用具有重要意义。多刚体系统动力学是20世纪60年代以来,由于新技术发展而形成的新分支,其研究方法与经典理论的研究方法有所不同。

达朗贝尔原理是研究非自由质点系动力学的一个普遍而有效的方法。这种方法是在牛顿运动定律的基础上引入惯性力的概念,从而用静力学中研究平衡问题的方法来研究动力学中不平衡的问题,所以又称为动静法。

动力学的应用

对动力学的研究使人们掌握了物体的运动规律,并能够为人类进行更好的服务。例如,牛顿发现了万有引力定律,解释了开普勒定律,为近代星际航行,发射飞行器考察月球、火星、金星等等开辟了道路。

自20世纪初相对论问世以后,牛顿力学的时空概念和其他一些力学量的基本概念有了重大改变。实验结果也说明:当物体速度接近于光速时,经典动力学就完全不适用了。但是,在工程等实际问题中,所接触到的宏观物体的运动速度都远小于光速,用牛顿力学进行研究不但足够精确,而且远比相对论计算简单。因此,经典动力学仍是解决实际工程问题的基础。

在目前所研究的力学系统中,需要考虑的因素逐渐增多,例如,变质量、非整、非线性、非保守还加上反馈控制、随机因素等,使运动微分方程越来越复杂,可正确求解的问题越来越少,许多动力学问题都需要用数值计算法近似地求解,微型、高速、大容量的电子计算机的应用,解决了计算复杂的困难。

目前动力学系统的研究领域还在不断扩大,例如增加热和电等成为系统动力学;增加生命系统的活动成为生物动力学等,这都使得动力学在深度和广度两个方面有了进一步的发展。

结构力学是固体力学的一个分支,它主要研究工程结构受力和传力的规律,以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载荷的系统,包括杆、板、壳以及它们的组合体,如飞机机身和机翼、桥梁、屋架和承力墙等。

结构力学的任务是:研究在工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律;分析不同形式和不同材料的工程结构,为工程设计提供分析方法和计算公式;确定工程结构承受和传递外力的能力;研究和发展新型工程结构。

观察自然界中的天然结构,如植物的根、茎和叶,动物的骨骼,蛋类的外壳,可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关,而且和它们的造型有密切的关,很多工程结构就是受到天然结构的启发而创制出来的。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度,还要做到用料省、重量轻.减轻重量对某些工程尤为重要,如减轻飞机的重量就可以使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。

结构力学的发展简史

人类在远古时代就开始制造各种器物,如弓箭、房屋、舟楫以及乐器等,这些都是简单的结构。随着社会的进步,人们对于结构设计的规律以及结构的强度和刚度逐渐有了认识,并且积累了经验,这表现在古代建筑的辉煌成就中,如埃及的金字塔,中国的万里长城、赵州安济桥、北京故宫等等。尽管在这些结构中隐含有力学的知识,但并没有形成一门学科。

就基本原理和方法而言,结构力学是与理论力学、材料力学同时发展起来的。所以结构力学在发展的初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到19世纪初,由于工业的发展,人们开始设计各种大规模的工程结构,对于这些结构的设计,要作较精确的分析和计算。因此,工程结构的分析理论和分析方法开始独立出来,到19世纪中叶,结构力学开始成为一门独立的学科。

19世纪中出现了许多结构力学的计算理论和方法。法国的纳维于1826年提出了求解静不定结构问题的一般方法。从19世纪30年代起,由于要在桥梁上通过火车,不仅需要考虑桥梁承受静载荷的问题,还必须考虑承受动载荷的问题,又由于桥梁跨度的增长,出现了金属桁架结构。

从1847年开始的数十年间,学者们应用图解法、解析法等来研究静定桁架结构的受力分析,这奠定了桁架理论的基础。1864年,英国的麦克斯韦创立单位载荷法和位移互等定理,并用单位载荷法求出桁架的位移,由此学者们终于得到了解静不定问题的方法。

基本理论建立后,在解决原有结构问题的同时,还不断发展新型结构及其相应的理论。19世纪末到20世纪初,学者们对船舶结构进行了大量的力学研究,并研究了可动载荷下的粱的动力学理论以及自由振动和受迫振动方面的问题。

20世纪初,航空工程的发展促进了对薄壁结构和加劲板壳的应力和变形分析,以及对稳定性问题的研究。同时桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝土材料,这就要求科学家们对钢架结构进行系统的研究,在1914年德国的本迪克森创立了转角位移法,用以解决刚架和连续粱等问题。后来,在20~30年代,对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计算方法,使一般的设计人员都可以掌握和使用了。

到了20世纪20年代,人们又提出了蜂窝夹层结构的设想。根据结构的“极限状态”这一概念,学者们得出

了弹性地基上粱、板及刚架的设计计算新理论。对承受各种动载荷(特别是地震作用)的结构的力学问题,也在实验和理论方面做了许多研究工作。随着结构力学的发展,疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题先后进入结构力学的研究领域。

20世纪中叶,电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能,从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。

结构力学的学科体系

一般对结构力学可根据其研究性质和对象的不同分为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构断裂、疲劳理论和杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论等。

结构静力学是结构力学中首先发展起来的分支,它主要研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态,以及结构优化问题。静载荷是指不随时间变化的外加载荷,变化较慢的载荷,也可近似地看作静载荷。结构静力学是结构力学其他分支学科的基础。

结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。在动载荷作用下,结构内部的应力、应变及位移也必然是时间的函数。由于涉及时间因素,结构动力学的研究内容一般比结构静力学复杂的多。

结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支。现代工程中大量使用细长型和薄型结构,如细杆、薄板和薄壳。它们受压时,会在内部应力小于屈服极限的情况下发生失稳(皱损或曲屈),即结构产生过大的变形,从而降低以至完全丧失承载能力。大变形还会影响结构设计的其他要求,例如影响飞行器的空气动力学性能。结构稳定理论中最重要的内容是确定结构的失稳临界载荷。

结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不可避免地存在裂纹,裂纹会在外载荷作用下扩展而引起断裂破坏,也会在幅值较小的交变载荷作用下扩展而引起疲劳破坏的学科。现在我们对断裂和疲劳的研究历史还不长,还不完善,但断裂和疲劳理论目前得发展很快。

在结构力学对于各种工程结构的理论和实验研究中,针对研究对象还形成了一些研究领域,这方面主要有

杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论三大类。整体结构是用整体原材料,经机械铣切或经化学腐蚀加工而成的结构,它对某些边界条件问题特别适用,常用作变厚度结构。随着科学技术的不断进展,又涌现出许多新型结构,比如20世纪中期出现的夹层结构和复合材料结构。

结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、实验研究、理论分析和计算三种。在结构设计和研究中,这三方面往往是交替进行并且是相辅相成的进行的。

使用分析就是在结构的使用过程中,对结构中出现的情况进行分析比较和总结,这是易行而又可靠的一种研究手段。使用分析对结构的评价和改进起着重要作用。新设计的结构也需要通过使用来检验性能。

实验研究能为鉴定结构提供重要依据,这也是检验和发展结构力学理论和计算方法的主要手段。实验研究分为三类:模型实验、真实结构部件实验、真实结构实验。例如,飞机地面破坏实验、飞行实验和汽车的碰撞实验等。

结构的力学实验通常要耗费较多的人力、物力和财力,因此只能有限度地进行,特别是在结构设计的初期阶段,一般多依靠对结构部件进行理论分析和计算。

在固体力学领域中,材料力学为结构力学的发展提供了必要的基本知识,弹性力学和塑性力学又是结构力学的理论基础,另外结构力学还与其它物理学科结合形成许多边缘学科,比如流体弹性力学等。

结构力学是一门古老的学科,又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量出现,向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。计算机的发展,为结构力学提供了有力的计算工具。另一方面,结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。