机械科学基础

第一节　机械科学基础

机械工程从古代工匠的摸索实践发展到今天的科学理论，从自动生产机器到包括电子、流体、电力、水力的机械，甚而超高温、超导、耐磨、耐蚀的生产动力机械，从生物工程机械以及与环境控制有关的新技术、新设备到核动力、核武器和航空、航天等高速、高功率的机械装置等，都离不开机械工程的科学基础:力学、数学、材料学等科学。

一、力学

物理学是研究物质内部结构及其运动规律的科学，力学是物理学的一个分支学科，是许多工程学的基础。机械、建筑、航空、航天等的合理设计都必须以力学为基本依据。

“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语μηχανη——机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可解释为“力学”，也可解释为“机械学”、“结构”等。英文中“机器”称为machine，“机器”与“机械”又总称为machinery，“力学的”和“机械的”在英语中同为mechanical，“机械学”与“力学”同称为mechanics，人们常以mechan-作为机械的构词成分，例如机械的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的观点，而英语mechanist是指机械师，不是指力学家。可见，机械学与经典物理学中的一个分支学科即力学是同一学科，它们的区别也只在于深度与侧重点不同罢了，因此，力学是机械学科的最基本科学基础之一。

各种机械都是由许多不同的零件组成的。当机械工作时，这些零件将受到外力的作用。在外力作用下，零件可能静止，也可能改变原有的运动状态并发生变形，还可能被破坏。因此，零件在外力作用下的变形、零件的运动规律以及运动状态变化与外力的关系等，都是机械工程中经常遇到的力学问题。

图3-1　桥式起重机

例如，在生产车间的桥式起重机，首先遇到的就是力学问题。在确定的起吊重量下，就需要考虑大梁、减速箱、传动轴、联轴器各部件受到哪些力的作用以及这些力的大小，其次，在这些力的作用下，它将产生哪些变形，这些变形对于起重机的正常工作会产生什么样的影响。此外，在突然起吊重物或制动时，重物又会产生什么运动以及这些运动对吊车系统的零部件将产生什么影响等。

20世纪19世纪末，一方面由于机器制造的迅速发展，产生了基础科学与工程实践直接结合的问题，德国数学家兼力学家克莱因在哥廷根大学创设应用力学专业，以后其他各国相继仿效，不久就从力学中诞生了材料力学、应用力学、工程力学、机构学、机械零件等独立课程。原来只限于运动学研究的机构学，在20世纪高速机械出现后就又发展了机械动力学。随着机器生产的不断发展，以后又发展出机械的分析与设计等课题。这样就诞生了现代机械学和机械工程。

另一方面近代力学理论的每一重大发展又使机械制造得以进步。伽利略和牛顿都是近代力学、机械学和物理学的奠基人。19世纪初，与机械学最为密切的刚体力学达到比较成熟的阶段，因而在英、法等国出现了经典机械学派。19世纪中期，热力学和能量守恒定律的建立，为机械工程技术奠定了理论基础。19世纪下半叶，电磁理论的建立又促成了一项崭新的机械工程即发电机、电动机以及相关的交通运输机械的问世与发展。由此可见，物理学、力学与机械学、机械工程之间，无论在理论原理或实践方面都是密不可分的。

二、数学

数学是研究现实世界中数量关系和空间形式的科学，任何客观物体都脱离不了量而存在。为了认识客观物体的数量关系及空间存在形式，数学已经成了人类认识客观世界不可一日或缺的工具，而且是否能用数学精确地刻画客观事物的运动规律，这几乎成了大家公认的一个学科发展是否成熟的标志。

由于生活和劳动上的需求，即使是最原始的民族，也知道简单的计数，并由用手指或实物计数发展到用数字计数。在中国，最迟在商代，即已出现用十进制数字表示大数的方法;在古希腊，也建立了数理是宇宙的根本原理这种思想。伽利略认为，支配宇宙的原理是数理。牛顿将力学法则用单纯的数学方式表达，自牛顿力学有了光辉成就以来，包含物理学在内的自然科学领域中，出现了一种趋势:致力于用单纯的数学式表示自然法则，求出数学解，并与实验和观测结果相比较去理解自然现象。

由于数学研究对象的数量关系与空间形式都来自现实世界，因而数学尽管在形式上具有高度的抽象性，而实质上总是扎根于现实世界。生活实践与科学技术需要始终是数学的真正源泉，反过来，数学对改造世界的实践又起着重要的、关键性的作用。天文，如果摒弃数学，它就会一片混乱;物理，如果不用精确的数学语言来描述，似乎就不能称为物理;机械工程技术，如果离开了精确的数学手段，就不会有现在各类的高质量、高精度机器，那么我们的生活也不会有现在的进步。

事实证明，衡量一个学科的进步与否，往往以数学在该学科中应用为标志。科学数学化的思想源于著名的数学家笛卡儿，他说:“世界是可以认识的，并可归结到数学，一切现象都可用数学描述出来。科学的本质是数学，数学是一切科学的基础。”

20世纪出现了各种崭新的技术，产生了新的技术革命，特别是随着计算机的出现及其高速发展，使机械工程技术与数学关系更加紧密起来，数学已成为人们进行机械工程设计的—种有力工具。

三、材料学

材料就是制造物品的原材料。因此材料是人类生产活动和生活所需的物质基础，从日常生活用具到高、精、尖的产品，从简单的手工工具到技术复杂的航天器、机器人，都是由不同种类、不同性能的材料加工成的零件组合装配而成的。材料的利用情况标志着人类文明的发展水平，历史学家把人类的历史按人类所使用的材料种类划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代，材料的利用和发展构成了人类文明史的里程碑。在现代科学技术中，材料科学技术是基础，其重要性是显然的。20世纪70年代，人们把材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。

材料科学是一门古老的学科，又是一个不断焕发青春的学科，它具有5000年的悠久历史，又处于当今科学技术中的主导地位。人们对材料的认识是逐步深入的，材料的进步直接影响到生产力的变革。人们在材料的生产和使用方面有过辉煌的成就。商代青铜冶炼已达到相当大的规模，能够制造出875kg重的司母戊方鼎。到春秋战国时期已达到技术顶峰，著名的越王剑的制造水平令今人惊讶!18世纪后，随着物理、化学、力学等科学的发展，尤其是第一台光学显微镜问世，导致了金相学的研究，使人们步入材料的微观世界。直到1895年，由于发现了X射线，开始了晶体微观结构的研究，1932年又发明了电子显微镜以及后来出现的各种光谱仪，把人们带到了微观世界的更深层次，现代科学技术的发展为人们认识材料提供了技术手段和理论基础，一些与材料有关的基础学科的发展，如固体物理、量子力学、化学等，有力地推动了材料研究的深化。所以，材料科学是在物理、化学、冶金学等基础上建立起来的以材料为研究对象的多学科性科学。

由于现代科学技术的发展，促进和支持了材料工业的迅速发展，新材料，新工艺不断涌现。而且伴随着金属材料的发展一些非金属材料、复合材料也迅速发展起来，弥补了金属材料性能的某些不足。在机械制造业中这些新材料的份额逐渐在增加。金属材料和非金属材料及复合材料构成了完整的工程材料的科学体系。

就机械工业来说，各种机床、汽车、拖拉机、农业机械、矿山机械、冶金设备、发电设备、石油化工设备、交通运输设备以及其他各种机械设备等，都必须有良好而可靠的材料作保证，从而也对材料提出了更高的要求。

因此，材料科学研究的内容包括从认识材料到使用材料的整个过程，是研究材料的化学组成、结构与性能之间的相互关系及其变化规律的一门学科，它的研究对象包括:研究材料的形成机理和制取方法;研究材料的物理性能(成分、组织、结构、杂质、缺陷与性能的关系);分析材料在加工和使用过程中的变化和损坏机理，确定材料的合理加工方法和最佳使用方案，扩大材料的用途;研究材料的性能及性能的测试技术;研究材料的工程应用与材料的选择等。材料科学研究的目的就是要从化学和物理的角度上说明材料所具有的性能，并以此为指导来发展各种新材料，不断满足生产和科学技术发展的需要。