单位文秘网 2021-07-04 01:13:13 点击: 次
摘要:力学是许多工科专业必修的课程,与许多后续课程关系密切。通过实例分析了力学与相关课程的联系,并指出学生只有将所学知识融会贯通,从整体上把握知识结构,建立工程意识,才能提高分析和解决工程问题的能力。
关键词:力学;课程联系;工程意识
作者简介:张丽(1970-),女,山西汾阳人,南京工程学院材料工程学院,讲师。(江苏 南京 211167)
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2012)01-0079-02
力学是许多工科专业必修的课程,有的是理论力学和材料力学分开讲授的,有的是一门工程力学。力学课程是许多课程的先修课程,与许多后续课程有着联系,所以,在力学课程讲授过程中,应该联系起来,与工程实践相结合,在学生头脑中形成知识网络,并形成先导印象,当后续课程讲授时能联系起来,从而举一反三,真正学以致用。
随着科学技术的进步与发展,知识大爆炸,专业的划分越来越细,却割裂了课程之间的联系,而且各门课程为了追求理论的完整性,补充完善内容,造成课程之间内容重复,标识不统一的现象,对学生而言,也容易困惑。目前教学中普遍存在的现象是:学生只会仿照例题做题,稍微变化便无从下手,知识结构零散片面,对所学的课程各知识点以及相关课程之间缺少必要的理解和认识。而知识结构不是各孤立的知识点,它是指学科各课程之间以及课程各知识点之间的相互联系和规律性,学习课程的知识结构对把握学科各知识点间的内在联系、培养学生自主式学习和发现式学习具有重要作用。[1]本文通过分析力学课程与机械原理、机械设计课程之间的内容相关性,提出在力学教学时重视课程联系,加强工程意识,对于学生的实践能力培养至关重要。下面从几个具体例子来说明力学课程与工程实际和其他课程的联系。
一、机构自由度与平衡方程的数量
静力学中,对于一个研究对象,平面一般力系可以列三个平衡方程;空间力系可以列六个平衡方程。在研究物体系统时,需要适当选择研究对象,再列方程,联立求解未知量。学生在求解物体系统的静力平衡题时,不知如何选择研究对象,经常会每个构件列出方程,却不知道方程之间的关系,也求解不出来。另外,静力学中也简单介绍了静定和超静定的概念,未知量的个数与方程个数相减,等于零就是静定系统,大于零就是超静定系统,但没有详细介绍自由度的计算。这部分与机械原理中机构的自由度计算有直接的联系。平面运动的构件有三个自由度,两个移动一个转动,要想平衡,则三个自由度必须受限制,所以有三个平衡方程。平面特殊力系由于受力特殊,自由度减少,方程个数也相应减少。物体系统中如果有n个构件就能列出3n个独立的平衡方程。机械原理中机构的自由度计算公式F=3n-2PL-PH,式中:
F—机构的自由度;
n—机构中的运动构件个数;
PL—机构中的低副个数;
PH—机构中的高副个数。
PL、PH即力学中存在未知约束力的约束个数,PL为平面低副约束,即面接触的约束,力学中的铰链就属于平面低副约束;PH为平面高副约束,即点接触或线接触,力学中的可动辊轴支座就是高副约束。利用该公式,可以计算出静定系统的自由度等于零,在机械原理中机构设计时,意味着设计的机构不能动,需要改进,而在力学中,就是静定系统的平衡问题。利用机构自由度的计算公式可以对力学中的机构进行自由度的分析,也可以判断系统的静定性。在教学中,可以结合实际结构判断静定性,并进行方程个数的分析而并不求解,这样对培养学生的整体概念、思维方法都有帮助。
二、速度瞬心
速度瞬心在理论力学和机械原理中都有介绍,内容有重复也有区别。在机械原理中把速度瞬心分成绝对瞬心和相对瞬心两种,其中绝对瞬心就是理论力学中讲到的速度瞬心。绝对速度瞬心是指绝对速度等于零的点,包括固定铰链点和做平面运动的构件的瞬时绝对速度等于零的点,力学中就是利用绝对速度瞬心来解题的;相对速度瞬心是指相对速度等于零但绝对速度不为零的点,这里又分相邻构件之间的相对速度瞬心和不相邻构件之间的速度瞬心。在教学过程中,可以扩展速度瞬心的概念,让学生有个总体概念,再结合工程实例分析速度瞬心法的用处,可以提高学生的应用能力。
三、轴的设计
轴是机器结构中重要的机械零件,轴的弯扭强度计算是力学教学中的重点内容。教学时可引入联系工程实际的例题、习题,使学生了解到力学在实际工程中的应用,学习起来更有针对性。
在教学中可以通过介绍轴的设计过程来使学生了解工程设计过程:
(1)明确设计要求:功率,电动机转速,总传动比,各轴转速及功率;
(2)由所要设计的轴的转速和功率计算外力偶矩,选择轴的材料;
(3)计算扭矩并画出扭矩图;
(4)按照扭转强度设计和刚度设计,初定轴径,一般情况下这是轴的最小直径(如果有键槽还要增加轴径),也是与轴承配合的地方,由于轴承是标准件,所以相应的轴径要圆整成标准尺寸;
(5)根据设计要求进行结构设计,如轴肩、键槽等,并确定各部分尺寸;
(6)按照弯扭组合进行强度校核,如果强度不够则增加轴径或改用强度高的材料等方法重新计算;
(7)重要的轴进行疲劳强度校核。
通过介绍轴(还可以介绍机器)设计过程,可以使学生对轴的设计过程有一个整体意识,从而为学习机械设计课程做好了铺垫,也真正了解了相关力学知识的工程应用。
另外,力学中介绍的是定轴轮系,在理论力学中进行了速度、加速度和传动比的计算,这部分和机械原理中的轮系部分关系密切。机械原理中带传动的传动比速度分析、齿轮传动比计算都是理论力学中的内容,并进一步扩展,引入了周转轮系,即有动轴的轮系。
四、剪切挤压与联接件
力学中学习了联接件的剪切与挤压工程近似计算,在机械设计中则对具体的联接结构进一步进行分析和计算。在剪切强度校核时考虑到螺栓在联接时都要拧紧而产生预紧力使螺栓受到扭转作用,工程上为了计算方便乘了一个1.3的系数,这个系数是考虑组合变形按照第三强度理论计算出的近似系数。所以在工程中经常为了满足工程需要进行一些计算的简化,这些在力学中和机械原理等课程中都有相似的案例。
五、转动惯量与飞轮的设计
在动力学中,转动惯量是一个重要概念,其定义式为J=∑miri2。转动惯量表征了物体转动的难易程度,转动惯量越大越不易转动,转动惯量与质量大小有关,还与质量分布有关系。飞轮是机器中调节速度的构件,在工程中由于外力的变化会引起速度波动,进而在运动副产生动压力,引起振动和噪音,降低机械寿命、效率和可靠性。飞轮具有较大的转动惯量,它的设计就是根据所要调节的速度波动计算出转动惯量大小。飞轮在工程中很常用也很重要,当轴开始转动时,飞轮储存能量;在载荷发生变化影响轴的转速时,飞轮由于较大的惯性带动轴类零件继续转动,释放能量,所以飞轮是一个调速机构,可以使转轴近似匀速转动,保证机器的平衡。在生活中有很多玩具也是利用飞轮的惯性来设计的。有一些精密仪表需要减小转动惯量提高精度。介绍转动惯量的工程应用,有助于学生对转动惯量概念的理解和计算。
六、结语
力学与实际应用联系密切,事实上力学在土木、机械、航空航天、车辆、船舶、材料、天文学、化学、生物学等领域都有着越来越广泛的应用,本文主要讨论了力学与机械专业后续课程的一些联系,旨在起到抛砖引玉的目的。力学的教学应结合专业背景,不同的专业在教学时可以选用不同的工程实例,体现出本专业的特色,使学生加深对本专业的认识。授人以鱼不如授人以渔,将力学与后续课程结合起来,不仅可提高学生学习力学的兴趣,同时也促进了学生学习后续课程的兴趣,更重要的是促进了学生多动脑筋,增强了学生对所学知识的融会贯通和运用,[2]体会了各学科之间的奇妙关系,从而开阔思维,培养创新和实践应用能力。另一方面,也对教师提出更高的要求,要求教师在教学过程中,要明确哪些内容后续课程会用到,并有意识地强调与训练,突出和强化与后续课程密切相联以及联系工程实际等方面的知识,引导学生运用所掌握的知识去分析和解决实际问题,逐步培养和加强学生的工程意识。
参考文献:
[1]朱怀亮.现代教育理论在基础力学教学中的渗透与应用[J].中国科教创新导刊,2010,(14):97-99.
[2]左建平,左明.谈大学工程力学课程的教学思想[J].高教论坛,2010,
(4):18-21.
(责任编辑:刘丽娜)
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