材料力学绪论的修改意见

摘 要：材料力学是工程类专业基础课，但大部分教材对材料力学的发展状况介绍甚少，不利于学生从宏观的角度掌握材料力学。本文对传统教材中的绪论内容提出一些修改意见，介绍了材料力学中杆件拉伸、横梁弯曲、圆轴扭转与压杆稳定等的研究历史，指明了材料力学在中图法中与固体力学的从属关系，同时指出当前材料力学的研究热点在于多尺度结构、超常环境、多物理场耦合、非线性系统等。这些内容能使学生系统地了解材料力学的发展状况，激发学生学习的兴趣。

关键词：力学发展史 中图法 材料力学

中图分类号：G612文献标识码：A文章编号：1673-9795（2012）10（a）-0104-01

材料力学是许多工程类专业的基础课，它研究材料的力学性能（强度、刚度、稳定性等），其重要性不言而喻。然而，由于许多教材在编著时、或教师在讲授时，对于材料力学的发展史及其在力学学科中的地位介绍甚少，使得学生仅知道材料力学的研究内容，而无法系统地了解材料力学的研究状况，因而本文建议对材料力学的绪论增加几点内容。

1 材料力学的发展简史

（1）杆件的拉伸。

在17世纪经典力学的形成过程中，随着运动和平衡定律的建立，基于实验的、关于材料力学性能的基本定律也逐步建立起来。1638年，Galileo发表了《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》，标志着材料力学开始成为一门独立学科[1]。在该书中，Galileo讨论了杆件的轴向拉伸现象，认为构件的承载能力与横截面积成正比。1660年，Hooke则在实验室中发现弹性体的力与变形之间存在着正比关系。

（2）梁的弯曲。

Galileo在研究直杆拉伸的同时，也探讨了梁的弯曲强度，他认为梁的承载能力与b×h2（b、h为矩形截面梁宽度和高度）或d3（d为圆形截面梁直径）成正比。在梁的弯曲变形方面，1620年Beeckman发现中性层的存在，1695年Bernoulli提出梁弯曲的平面假设，1826年Navier给出中性层通过横截面形心的结论。同时，Navier得到了正确的挠曲线微分方程与梁的弯曲强度计算公式。而横力弯曲时的切应力公式，则由俄罗斯的儒拉夫斯基（ЖуравскийДИ）于1855年提出。

（3）圆轴的扭转。

Coulomb首先于1777年和1784年发表了两篇关于圆轴扭转的论文，1807年Young提出了横截面上切应力与点到轴心距离成正比的观点，Saint-Venant则于19世纪中叶运用弹性力学方法奠定了圆轴扭转理论。

（4）压杆稳定。

Musschenbroek在1729年通过木杆压缩实验，得出压杆屈曲载荷与杆长平方成反比。1744年，Euler在变分法专著中，精确描述了细长压杆失稳后的弹性曲线，并导出细长杆屈曲载荷的计算公式。而两端铰支压杆屈曲载荷公式，是Lagrange在1770年利用Euler近似微分方程得到的。1846年，Lamarle讨论了欧拉公式的适用范围，并认为适用范围以外的压杆稳定问题需要使用实验方法解决。

（5）疲劳强度问题。

构件在周期性的交变应力作用下，会产生疲劳破坏。1839年巴黎大学Pancelet教授首先提出金属疲劳的概念。19世纪中期，Wohler在旋转弯曲疲劳试验机上进行了疲劳试验，并提出应力一寿命图与疲劳极限的概念，后来人们将应力与疲劳破坏循环次数的关系曲线称为Wohler曲线。其后，Gerber和Goodman分别研究了平均应力对寿命的影响。

2 材料力学与其它力学分支的关系

力学产生很早，古希腊的Archimedes是静力学的奠基人。Newton继承和发展了前人的研究成果，提出了物体运动三大定律，标志着力学开始成为一门科学。到了20世纪，力学更得到蓬勃的发展。到目前为止，力学已形成了几十个分支学科，如，固体力学、结构力学、应用力学等等。

力学的分类方法很多，主要有如下方式：

（1）根据研究对象，分为流体力学、固体力学等。

（2）根据研究方法，分为实验力学、理论力学、物理力学和计算力学等。

（3）根据研究时代，分为经典力学和近代力学。从牛顿至哈密顿的理论体系称为经典力学或牛顿力学。20世纪初以后，经过普朗特和卡门等的发展，进入了近代力学。

（4）根据研究的目的和用途，产生了一系列的应用力学，如天体力学、岩石力学、生物力学、材料力学、工程力学、地质力学等。

（5）根据《中国图书馆分类法》（简称《中图法》）[2]，力学可以分为理论力学、振动理论、连续介质力学、固体力学、流体力学、物理力学、流变学、爆炸力学、应用力学等。另外，由于量子力学和统计力学都是现代理论物理最主要的研究领域之一，所以将其归入了“物理学”中。《中图法》，是当今国内图书馆使用最广泛的分类法体系。

在众多的力学分支中，材料力学是研究结构构件强度、刚度、稳定性等承载能力的基础性学科，它介于固体力学和工程材料学的边缘，《中图法》将其归属于固体力学中。材料力学的主要任务，是选择适当的材料和截面形状及尺寸、保证构件能承受预定载荷，为设计出既安全又经济的构件提供理论依据和计算方法。

3 材料力学的研究热点

随着现代科学技术的发展，新型多功能材料不仅成为世界工业革命的推动力，而且也成为了高新技术发展的基础和先导。新型材料一般是指具有传统材料所不具备的优异性能的材料，如新金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等[3]。研究新型材料体系下的材料力学性能，是新型材料在实际工程中得到可靠应用的保证。目前，新型材料力学的研究热点主要包括：

（1）多尺度结构与新型微纳米结构的材料力学问题。即传统的、宏观尺度下的材料力学性能检测与评价方法如何应用于介观或微观尺度下的材料力学性能表征。

（2）超常环境（超高温、超高压、超高速）对材料力学性能的影响。

（3）多物理场（力-电-磁-热等）耦合作用下多功能材料的的力学性能。

（4）非线性系统（几何非线性与物理非线性）及其耦合作用下的材料力学问题。

4 结语

本文简单介绍了杆件拉伸、梁弯曲、圆轴扭转、压杆稳定与材料疲劳的研究历史，讨论了材料力学在《中国图书馆分类法》中与固体力学的从属关系，说明了目前材料力学的研究热点在于多尺度、超常环境、多物理场耦合、非线性结构的材料力学性能。本文结果有助于学生能够系统地了解材料力学乃至整个力学系统的基本研究状况，激发学生对材料力学的学习兴趣。

参考文献

[1]材料力学大事记[EB/OL].http：//course.tju.edu.cn/cllx/Index2/dashiji.htm，2012-05-03.

[2]中国图书馆分类法[EB/OL].http：///，2012-05-03.

[3]中国科学技术学会，中国力学学会.2006-2007力学学科发展报告[M].北京：科学普及出版社，2007.

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