弹性力学之发展历史

弹性力学起源于17世纪,从萌芽探索阶段到框架建成,再到体系形成和分支发展,经历了多位科学家的贡献。胡可定律、欧拉的应力应变关系、纳维的平衡方程、柯西的应力张量概念、泊松比、圣维南原理等是关键里程碑。20世纪以来,断裂力学、弹性动力学、微纳米力学等分支学科相继发展,有限元方法成为重要计算手段。

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弹性力学,又称弹性理论,是研究弹性体由于外力或者其他因素作用,物体内部产生的位移,变形和内力分布等。弹性力学是固体力学的基础和分支。

弹性力学是起源于对结构变形和破坏的研究,根据不同时期的发展特点,其发展阶段可以划分为萌芽探索,框架建成,体系形成和分支发展四个阶段。

1.萌芽(1700年之前)

在萌芽探索阶段,科学家注意到了固体的变形和破坏规律,并初步研究了变形破坏与结构尺寸,外力之间的关系,在此基础上,提出来胡可定律。为后续弹性力学的发展奠定了基础。

意大利博学家达芬奇是最早采用试验方法来研究材料的强度的科学家。他当时研究了铁丝的断裂现象,这可能与他经常用铁丝挂画的生活经历有关吧。达芬奇选用不同长度的铁丝来悬挂容器,想容器内注入细沙直至铁丝断裂。实验研究结论为:铁丝的长度越短,断裂时承担的重量越大,即强度越高。得出这样的结论主要原因为:当时材料的制造水平较低,铁丝越短,其含有的缺陷的数量就越少,因此表现出的材料的强度就越高,

意大利科学家伽利略是早期开始对材料的强度进行研究的科学家之一,他首先考虑了固体的变形,对直杆进行过拉伸试验,发现杆件的承受能力与横截面积成正比,而与它的长度无关,他把杆件这样承受能力叫做“抗断裂力”。除此,伽利略还对悬臂梁进行了受力计算与分析,由于对梁端部AB的应力分布假设不合适,得出的计算结果并不准确。

英国科学家胡可在1678年发表了第一篇讨论材料弹性的文章《弹簧》,在文章中,作者通过对金属弹簧悬挂砝码的实验研究发现,不同重量的砝码及其引起的弹簧伸长量具有相同的比例,即力与力所产生的位移变化量成正比,这种力与位移变化量间的线性关系即为胡可定律。(胡可曾担任英国皇家学会的实验室主任,在力学,显微学和光学等方面贡献突出,胡可定律是弹性力学后续发展的基础)。

在这一时期,法国科学家马略特针对梁构件进行了一系列拉伸与弯曲试验,改进了伽利略的悬臂梁计算理论。瑞士的伯努利家族代表人物之一雅各布·伯努利通过研究得到了悬臂梁的挠度曲线。

在弹性力学的萌芽探索阶段,科学家通过对简单结构的变形和破坏研究,积累了一定的力学认识和基础规律。伴随桥梁道路建设,造船,军械制造等工程领域的发展,构件更为普遍的力学理论用来指导变形结构的设

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