作者：仝勖峰
出版社：电子工业出版社
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机械工程概论试读：
前言
机械工业是国民经济的基础性产业，机械工业的发展对整个国民经济的发展和民族振兴具有举足轻重的作用。机械工程概论是普及机械和机械工程的基础知识、基本概念和基本内容的课程。对综合性大学的非机械类专业，具有开拓学生视野、增加知识面、拓宽专业、提高学生工程能力的作用；其任务是培养学生认识机械和机械工程的能力，使工科类非机械类专业具有工程特色，适应高新科学技术和社会发展的需要。
2002—2012年是我国机械工业快速发展的10年，机械工业的产业规模已超过美、日、德，居世界各国之首。党的十八大提出要“确保到2020年实现全面建成小康社会宏伟目标”，机械工业面临着艰巨的任务。机械工业虽已取得了很大成绩，但与先进工业国家相比，我国机械设备的制造技术水平仍有不小的差距，一是自主创新能力不强，基础研究开发仍较薄弱，一些行业的高档装备仍需依赖进口。二是经济发展方式、生产效率、管理水平、经营理念与先进工业国家同行业相比仍有较大差距。因此，从人才培养角度上看，不仅需要培养机械专业的人才，努力提高机械工业自主创新能力，提升核心竞争力，更需要培养行业配套辅助人才，进一步优化产业结构和产品结构，提高对外开放水平，积极开展国际化经营。
本教材编写内容不仅涉及传统的机械工程基础知识，还重点介绍了现代工程技术的发展现状；同时结合工程实例，介绍相关知识在工程中如何去应用，提高学生的感性认识和学习兴趣。主要特点包括：（1）紧扣基础知识，增加工程应用实例。
除了基本知识的介绍外，本教材在每个知识点后，增加“工程应用介绍”小节，给出国内外对该项技术实际应用的场合和应用示例。让学生了解该知识在实际生活中如何应用，能够起到哪些作用，带来什么好处。不仅能够提高学生的学习兴趣，还能帮助学生理解各个知识点的内涵，进一步明确学习的目的。（2）增加现代工程技术的内容，拓展知识体系的前瞻性。
本教材在每个知识点后，举例介绍该知识在国内外最新的发展情况，作为学生拓展知识体系的素材。同时增加现代工业技术的章节，从设计、制造、管理等方面介绍现代工程技术的发展情况，使教学过程与时俱进，具有一定的前瞻性。（3）增加机械工程管理技术的内容，保证了机械工程技术的全面性。
我国机械工业的发展过程中，除了需要大量的自主设计、制造人才外，还需要大量的工程管理人员，本教材增加了机械工程管理技术，从生产的管理模式入手，介绍机械工程管理的内容和常用的管理技术，丰富了教学的内容，并保证了教学的全面性。（4）融入了电子制造技术，体现时代特色。
由于电子制造技术的飞速发展，教材在介绍传统机械制造技术的基础上，适应时代发展的需求，增加了现代电子装联技术的基本原理和实现技术，使学生具备本专业领域的基础理论和技术开发技能，以及在生产实际中分析问题与解决问题的能力，为提高我国电子组装行业的技术水平准备人才。
本教材共4篇，分14章系统地讲解了机械工程发展历程、基础知识、制造技术和管理技术等内容。本教材可作为综合大学工科非机械类专业学生普及机械工程基本知识的用书，还可以作为机械类专业学生了解机械工程基本内容入门的教科书。
参加本教材编写的有：仝勖峰（第1章，第4章，第5章，第10章，第13章），常建涛（第8章，第11章，第12章），殷磊（第6章，第7章，第9章，第14章），马洪波（第2章，第3章，第9章）。全书由仝勖峰主编，常建涛、殷磊副主编，黄进主审。
本教材的编写得到西安电子科技大学教材基金资助，特别提出感谢。
本教材的编写过程中，编者借鉴、参考了其他书刊和资料的部分内容，在此对相关作者表示衷心的感谢。徐萌萌和黄芬，她们在教材的整理和图文处理方面付出了细致、艰辛的劳动，在此表示诚挚的谢意。还要特别感谢电子工业出版社陈晓莉编审，本书能够出版离不开她的指导和帮助。
由于业务水平和学科知识的局限，书中不妥之处在所难免，恳请使用本书的读者批评并提出宝贵意见。
编者
2015年5月
绪论篇
第1章 机械与机械工程
1.1 机械工程概论的基本内容
机械是一切能够完成机械运动的装置，用来实现力和能量的传递和转换。人类在发展的进程中，都会借助不同种类的机械来满足工作和生活的需求。无论是原始社会的石器、杠杆，农耕社会的风车、水车等简单工具，还是工业革命后的蒸汽机、内燃机、纺织机、机床等复杂机械，以及现代社会的计算机、航天飞机等各种先进的机械系统，都在人类文明的发展中起到了重要的作用。
机械可以突破人类的生理极限，实现人类无法直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。人类已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。借助于电子信息技术，机械产品的发展前景将更加广阔，在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。
机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和维修各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。自18世纪60年代英国工业革命以后，以蒸汽机、内燃机、电动机作为动力源的机械促进了制造业、运输业的快速发展，人类开始进入现代化的文明社会。20世纪电子计算机的发明，自控技术、信息技术、传感技术的有机结合，使机械进入完全现代化阶段。机器人、数控机床、高速运载工具、重型机械及其他大量先进机械设备加速了人类社会的进步，机械已经成为现代社会生产和服务的五大要素（人、资金、能量、材料、机械）之一。
机械工程的学科内容按工作性质可分为：（1）建立和发展可实际和直接应用于机械工程的工程理论基础。如工程力学、流体力学、工程材料学、材料力学、燃烧学、传热学、热力学、摩擦学、机构学、机械原理、机械零件、金属工艺学和非金属工艺学等。（2）研究、设计和发展新机械产品，改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和未来的需要。（3）机械产品的生产，如生产设施的规划和实现、生产计划的制订和生产调度、编制和贯彻制造工艺、设计和制造工艺装备、确定劳动定额和材料定额以及加工、装配、包装和检验等。（4）机械制造企业的经营和管理，如确定生产方式、产品销售以及生产运行管理等。（5）机械产品的应用，如选择、订购、验收、安装、调整、操作、维修和改造各产业所使用的机械产品和成套机械设备。（6）研究机械产品在制造和使用过程中所产生的环境污染和自然资源过度耗费问题及处理措施。
机械工程概论是普及机械和机械工程的基础知识、基本概念和基本内容的课程。具有开拓学生视野、增加知识面、拓宽专业、提高学生工程能力的作用；其任务是培养学生认识机械和机械工程的能力，使工科类非机械专业具有工程特色，适应高新科学技术和社会发展的需要。本课程的主要内容如下：
第一篇为绪论篇，主要介绍机械工程学科的内容，以及机械工程发展历史和发展趋势，其目的是让学生建立对机械和机械工程的基本认识。
第二篇为基础篇，主要讲解了机械工程中涉及的基础技术，内容包括：工程力学、工程材料学、公差与互换性技术、机械原理、机械零件、机械设计方法及现代设计技术等。要求学生理解和掌握机械工程涉及的基础知识和技术，了解各种技术在机械工程中的应用范围。
第三篇为制造篇，主要介绍了常见的工程制造技术，包括机械制造的基本方法、设备，电子制造技术的方法和设备、特种制造技术和先进制造技术；要求学生掌握各种机械制造方法的原理和过程，理解现代制造技术的需求和解决方式。
第四篇为管理篇，主要从生产管理方面介绍了传统工业的组织方法和现代工作管理的新理念，内容包括生产方式、生产过程的管理内容、管理技术以及先进管理理念等。要求学生掌握工业生产的组织方式，理解现代工业发展的趋势和应对策略。
1.2 机械工程与国民经济
近代世界技术、经济的发展历史证明，每一次重大的技术、经济变革，无不是从新机器的发明开始的。而每一项重要新机器的发明，从蒸汽机、电动机到原子能设备、电子计算机，都把生产力向前推进了一大步，都把社会生产提高到了一个新水平。
机械工业是国民经济的主导，在国民经济中占有日益重要的地位和作用。没有好的机械制造技术，就没有好的工业，没有巩固的国防，何谈人民的便利、国家的富强。所以，提高机械工程技术，实现国家工业化，并进而实现工业、农业、科学技术和国防的现代化，乃是世界各国发展本国经济，改变落后面貌，建设独立国富民强国家的普遍道路。机械工程的服务领域很广，凡使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，无不需要机械工程的服务。现代机械工程有6大服务领域：（1）研制和提供能量转换机械，包括将热能、化学能、原子能、电能、流体压力能和天然机械能转换为适合于应用的机械能的各种动力机械，以及将机械能转换为所需要的其他能量的能量转换机械。（2）研制和提供用以生产各种产品的机械，包括农、林、牧、渔业机械和矿山机械以及各种重工业机械和轻工业机械等。（3）研制和提供从事各种服务的机械，如物料搬运机械，交通运输机械，医疗机械，办公机械，通风、采暖和空调设备以及除尘、净化、消声等环境保护设备等。（4）研制和提供家庭和个人生活用的机械，如洗衣机、电冰箱、钟表、照相机、运动器械和娱乐器械等。（5）研制和提供各种机械武器，我国在新型导弹、战斗机，航空母舰等先进武器研究方面已经取得一定进步，但和军事强国还存在很大差距。提高国防能力是人民安居乐业的保证，也是现代工业重点服务的对象。（6）改善人类生存环境，工程技术的发展在提高人类物质文明和生活水平的同时，也对自然环境起破坏作用。20世纪中期以来，最突出的问题是资源，尤其是能源的大量消耗和对环境的污染。未来，机械新产品的研制将以降低资源耗费，发展纯净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为重要任务。
从机械工程的服务领域看以看出，机械工业作为一个生产机器设备、生产工具的工业部门，在国民经济的发展中担负着十分重要的任务，起着非常重要的作用。首先机械工业是国民经济的装备部。无论农业、重工业、轻工业、交通运输业、邮电业、商业以及国防建设和科学文教卫生事业的发展，都需要机械工业提供多样的、符合需要的装备。其次，机械工业是国民经济的“改造部”。一个国家要使整个国民经济建立在现代化的基础上，就需要依靠技术进步，不断地对国民经济各个部门进行技术改造。这就要求机械工业不断向国民经济各个部门提供先进的现代化技术装备，以保证国民经济技术改造的需要。第三，机械工业是国民经济的服务部。它不仅要为重工业服务，而且要为农业、轻工业和国民经济其他部门服务；不仅要为基本建设服务，而且要为现有企业的挖潜、革新、改造服务；不仅要为满足国内需要服务，而且要为扩大出口服务；不仅要为生产建设提供劳动手段，而且要为满足人民生活的需要向市场提供坚固耐用、物美价廉的消费品。
因此，机械工程是国民经济赖以发展的基础，在国民经济的发展中占有很重要的地位，在社会经济发展中有很大的作用。
在全球化市场竞争日益激烈的情况下，中国机械工程的整体水平与发达国家尚有差距，竞争力还比较弱。在迈向机械制造强国的征途中，发展的形势将更严峻、面临的挑战将更大。这就要求我们必须能够科学、准确地预测未来、适应形势、不断探索，开创新路，努力向“制造大国”和“制造强国”迈进，为我国国民经济的全面发展做出贡献。
1.3“机械工程概论”课程的学习目的与方法
机械工业是国民经济的基础性产业，机械工业的发展对整个国民经济的发展和民族振兴具有举足轻重的作用。近些年，我国机械工业快速发展，机械工业的产业规模已超过美、日、德，居世界各国之首。从人才培养角度上看，机械工程师在社会中扮演的角色越来越重要。这就要求工科院校培养的学生不再是传统意义上的工程师“毛坯”，而是掌握最新工程知识和技术，勇于创新，适应现代工程环境的高质量、高水平、有大工程意识的卓越工程师。教育部2010年6月开始实施的卓越工程师培养计划，是一项为造就适应新环境的工程人才，建设创新型国家，增强国家核心竞争力而进行的重要举措。
卓越工程师培养计划（以下简称“卓越计划”）的目标宗旨是：培养卓越工程后备人才，要坚持面向工业界、面向世界、面向未来。21世纪的工业界是一个没有国界的工业界，工程师没有国界限制。现代工程需要大量科学理论基础扎实、工程技术高超、富于创造力、兼具组织管理能力和人文情怀的高水平、高素质的杰出的工程人才。虽然我国目前已经是一个工程教育大国，但不是工程强国，人数多而不精，缺乏工程实践能力和创新能力强的杰出人才，无法满足新世界新环境下现代工程的需要。加紧培养一批具有较强的实践能力和创新意识，能够满足社会发展需要的工程技术人才已经刻不容缓。未来10年是我国创新工程科技人才培养的重大战略机遇期，“卓越计划”的实施对于提高我国核心竞争力，实现经济的持续健康快速发展具有重要意义。
因此，通过机械工程概论课程的学习，可以培养学生对机械工程的学习兴趣和学习积极性，掌握机械工程方面的基础知识和基本技能，帮助学生建立机械工程师的思维方式和实践能力。为进一步将学生培养成为能够从事机械工程领域设计、制造、科技开发、应用研究、运行管理和经营等方面的工作的卓越工程师奠定基础。
机械工程概论课程内容广泛，涉及工程力学、材料学、机械原理、机械零件、公差与互换性技术、机械设计技术、机械制造技术等多种专业技术的基础知识。虽然从总体上这些知识具有一定的内在联系，但对于初学者来说，很难建立知识点的关联性。另外，由于篇幅限制和课时限制，每种专业知识都无法深入讲解，这就对学生的理解和学习过程带来了很大的困难。因此，必须掌握科学教学方法和正确学习方法，才能达到课程的培养目的。
在课程的学习过程中，除了基本的学习方法外，还需要做到以下几点：（1）改革教学方法与手段，建立以学生自主学习为主的教学方式。
传统的教学方法和手段基本上是建立在以知识传授为中心的人才培养模式上的。它表现在课堂教学上强调书本知识的传授，其教学方法多为知识灌输的传授方法。这样的教学方式所培养的学生其基础知识扎实，但知识面窄，自我获取知识的能力差，缺乏个性。因此，教学方法的改革就是要既重视知识传授又重视能力的培养，首先是获取新知识能力的培养。这就要求教师由“教会”学生的教学方式，向引导学生自己“学会”从而达到学生“会学”的教学方式转变，培养学生自主学习的能力。课堂教学就要求教师讲授要着重启发学生的思维，调动学生学习的主动性和引导学生学习，并充分利用现代多媒体的教学手段来提高课堂教学效果和信息量，以扩展学生的知识面。（2）结合企业活动和金工实习，突出工程实践和创新能力培养。
工程实践能力和创新设计能力是新世纪具有竞争力的高素质工程技术人才的重要素质。为了有效地培养学生的工程实践能力和创新设计能力，可以通过应用现有的金工实习中心、机械基础相关实验室，突破和改变传统教学中纯机械、单一机构和单一零件的展示教学，增强学生对真实机械系统的认知。同时结合企业中存在的实际问题，分析各种技术在企业实际生产活动中的应用情况和应用方法，建立知识与工程应用的关联性，从多种角度提高学生对知识的认知能力，进而建立一定的工程实践能力和创新能力。（3）鼓励学生积极参与机械学科竞赛以及各种企业实践活动。
依托实际的竞赛项目或者企业实践项目，直面真实世界的挑战。学生在真实的工程实践中真正学会发现问题、应用所学理论知识分析问题、尝试去解决问题。在这个实地学习过程中，学生个人的动手能力、分析问题以及寻找解决方案的能力都得到提高。另外，在竞赛和企业活动过程中，专职教师和企业工程师所具备的企业经营管理的理念、企业文化氛围以及工程师言行举止的潜移默化，使得学生可以掌握教学过程中很难学到的书本之外的知识和工作技能。并学会与同学沟通与协作，共同进步，形成团队的力量，齐心协力应对现代工程实践的种种挑战。
第2章 机械工程简史及发展概况
2.1 概述
1.推动人类历史的5次大变革
在人类历史的发展中，发生了几次决定人类命运与发展的大转折，被史学界誉为大革命。
第一次革命发生在大约200万年前。由于自然条件的突然变化，生活在树上的类人猿被迫到陆地上觅食，它们学会了用木棍和石块这些天然工具。天然工具的使用，锻炼了他们的大脑和手指。
第二次革命发生在大约50万年前。人类学会了制造和使用简单的木制和石制工具从事劳动，继而发现可以利用火获得熟食，并学会了钻木取火。食用熟食使人类更加聪明，而且延长了人类的寿命。
第三次革命发生在大约15000年前。人类学会了制作和使用简单的机械，开始了农耕与畜牧，提高了生产率，促进了人类社会的快速发展。
第四次革命发生在1750年到1850年之间。1760年，瓦特经过10余年的努力和不断改进，在爱丁堡制造出第一台真正近现代意义上的改良蒸汽机。1804年，英国人特莱维茨克发明并制造出第一台蒸汽机车。1830年，在法国修筑了从圣亚田到里昂的铁路。蒸汽机与铁路的普及，革命性地促进了西方工业生产的发展，奠定了现代工业的基础。
第五次革命是计算机技术导致的一场现代工业革命。进入20世纪，计算机的发明与广泛应用，改变了人类传统的生活方式和工作方式。
进入21世纪，计算机技术、信息技术、网络技术以及由其带动的相关科学的发展，推动了科学迅速前进，机械工程学也发生了极大变化，制造业发展的重要特性是向全球化、网络化、虚拟化方向发展，出现了又一次工业革命的态势。
2.机械工程与人类社会的发展
人类的生存、生活、工作与机械密切相关。现在许多人住上了水、电、气齐全的高楼大厦，使用微波炉、电磁炉、冰箱、彩电、音响、电话、手机、计算机等现代化设备，许多家庭还拥有了家庭轿车。我们身上的衣服是通过纺织机纺线、织布机织成布，再用缝纫机制成的；吃的粮食是用机械播种、收割、加工。这一切都离不开机械。机械给人类带来幸福，促进了人类社会的发展与进步。如果没有现代机械，现代人将回到一种什么样的生活方式，真是难以想象。为了更好地了解现代机械文明，了解机械发展史是极为必要的。
由于自然条件的突然变化，生活在树上的类人猿被迫到陆地上觅食，为了与各种野兽抗争，它们学会了用天然的木棍和石块保卫自己，并用之猎取食物。通过使用天然工具，锻炼了它们的大脑和手指，并逐步通过敲击石块和磨制，学会了制造、使用简单的木制和石制的工具，从事各种劳动。可以认为，这种发明与使用这些最简单工具的创举，是类人猿进化为人类的一个决定性因素。在以后漫长的岁月里，人类发现了火的价值并学会了钻木取火，使人类的生活质量有了很大的提高，加速了人类的进化过程。学会了把磨尖的石块安装在木棍上等更进一步的工具制造，推动了人类智慧的进一步提高。公元前4000年左右，人类又发现了金属，掌握了冶炼技术，各类工具的使用因此有了迅速的发展。
在我们中华民族五千年的文明史中，我国古代劳动人民在机械工程领域中的发明、创造尤为突出。绝大部分的发明创造是出于生存、生活和生产的需要，一些发明创造是战争的需要，还有一些发明创造是探索科学技术的需要。根据我国古代发明创造的演变过程可以知道，任何一种机械的发明都经历了由粗到精、逐步完善与发展的过程。例如，加工粒的机械，最初是把粒放在一块大石上，用手拿一块较小的石块往复搓动，再吹去糠皮以得米；第二步发明了杵臼；第三步发明了脚踏碓，使用了人体的一部分重力工作；第四步发明了人力、畜力的石磨和石碾；第五步发明了使用风力、水力的石磨和石碾。不但实现了连续的工作，节省了人力，提高了效率，而且学会了使用自然力，完成了由工具到机械的演变过程。
在兵器领域中，由弹弓发展为弓箭，又发展为弩箭；发明火药后，由人力的弓箭发展为火箭，直到发展为雏形的飞弹和雏形的两级火箭。在我国的古代战争中，有大量的雏形火箭的实战记载。
从机械定义的角度看，我国是世界上最早给机械下定义的国家。公元前5世纪，春秋时代的子贡就给机械下了定义：机械是能使人用力寡而成功多的器械（庄子外篇天地第十二）。后来的韩非子也有类似的定义：舟车机械之利，用力少，做功大，则人多（韩非子卷第十五）。而最早给机械下定义的欧洲人是公元前一世纪的一个叫Vitruvius的古罗马建筑师，他的定义是：机械是由木材制造且具有相互联系的几部分所组成的一个系统，它具有强大的推动物体的力量。直到公元1724年，德国的一位叫Leopold的机械师给机械做了比较接近现代的定义：机械是一种人造的设备，用来产生有利的运动，在不能用其他方法节省时间和力量的地方，它能做到节省。Leopold提出了机械的运动、时间与省力的概念。经过多年的完善与发展，现代机械的概念是：机械是机器与机构的总称，把执行机械运动、用来变换或传递能量、物料与信息的装置称为机器；把用来变换或传递运动与动力的、用运动副联接的、且有一个构件为机架的构件系统称为机构。这使机械的定义更加科学化。
我国古代的机械发明、使用与发展，远远领先于世界水平。但长期的封建统治，限制了生产力和科学技术的发展。在最近的四五百年，我国在机械工程领域的发展已落后于西方强国。自从新中国成立以后，在短短的几十年里，只能做少量的修理和装配工作的机械工业发展为能够生产汽车、火车、轮船、金属切削机床、大型发电机等许多机械设备的机械工业。特别是实行改革开放政策以来，我国机械工业的发展更为迅速，与发达国家的差距正在缩小，有些产品已处于世界先进水平。
2.2 中国机械发展史简介
中国是世界上机械发展最早的国家之一。中国古代在机械方面有许多发明创造，在动力的利用和机械结构的设计上都有自己的特色。许多专用机械的设计和应用，如指南车、地动仪（见图2.1）和被中香炉（见图2.2）等，均有独到之处。中国古代金属冶铸技术发明时间较早且技术精湛，如商周时期的青铜器，朴质雄浑；春秋时期的青铜器，纤细精巧，形成了中国古代青铜器的独特风格。图2.1 地动仪1—都柱；2—八道；3—牙机；4—龙首；5—铜丸；6—龙体；7—蟾蜍；8—仪体；9—仪盖；10—地盘图2.2 被中香炉
但是，我国古代不重视对已发明器械的绘图工作，有不少的发明创造因为没有绘图的帮助，很难搞明白。而真正作出发明创造的人不会用文字记载，或由于社会的不重视而没有记载，这些都影响了我国古代科学技术的进步。以下简要说明我国在各时期的机械工程。
1.传统机械的形成和积累时期
石器的使用标志着这一时期的开始。这个漫长的时期，经历了三个发展阶段。
第一个阶段相当于旧石器时代。这一阶段的工具主要用石料和木料制作，同时也有一些骨制工具。在工艺方面以石器打制工艺为主，主要是经过敲击和初步修整使石块成石器。当时的石器工具的种类有砍砸器、刮削器、石锤、尖状器、石球、石矛和石链等。
第二个阶段是新石器时代。这一阶段在石器制造方面以磨制工艺为主，同时对石器的制造有了一套完整的工艺过程。这一阶段出现了大量的生产工具，如斧、铲、凿、磨盘、磨棒、柞臼、钻、网坠、纺轮、犁、刀、锄、耘田器等。工具的种类不但有所增加，而且出现了不少专用工具，反映了这一阶段机械的发展水平有了显著的提高。
第三个阶段大约从新石器时代晚期到西周时期。新石器时代晚期，人们已能用石范和泥范铸造简陋的工具和武器。夏代以前和夏代，先后出现了无辐条的辁和各种有辐条的车轮；殷商和西周时已有相当精致的两轮车。独木舟和筏等水上运输工具早就相继出现。殷商时期，随着手工业生产的发展和技术水平的提高，青铜冶铸技术得到高度发展，到西周时期，青铜冶铸技术达到了高潮。青铜器的出现标志着一种新的机械技术和制造工艺的诞生。
总的来看，这一时期在材料方面，由以石质材料为主发展为以木、铜质材料为主。在结构方面由简单工具发展为复合工具和较为复杂的机械。在制造工艺方面经历了由石器制造工艺向铜器和其他机械工艺的转变。这些情况说明在这一时期中国传统机械技术已经形成并有了一定的发展。
2.传统机械的迅速发展和成熟时期
春秋时期铁器和生铁冶铸技术开始出现。黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和锻钢的出现，加速了由铜器向铁器时代的过渡。春秋中期以后发明了失蜡铸造法和低熔点合金铸焊技术，战国时期又有了叠铸和锚链铸造等工艺。西汉中期已炼出灰口铸铁，并出现了壁厚3～5mm的薄壁铸铁件。
这一时期的农业机械发展很快，出现了三脚耧这样的重要播种机械。还发明了高效粮食加工机械——风扇车。磨等谷物加工机械都已出现，并有了很大的发展。东汉时期还出现了用齿轮传动的连磨和用水力推动的槽车和水车。西汉时期已有犁壁出现，到东汉时期犁的结构已经基本定型。
陆上交通运输工具也有很大的发展。1980年出土的秦始皇陵铜车马代表了当时铸造技术、金属加工和组装工艺的水平。东汉以后出现了记里鼓车（见图2.3）和指南车（见图2.4）。记里鼓车有一套减速齿轮系，通过鼓镯的音响分段报知里程。三国马钧所造的指南车除用齿轮传动外，还有自动离合装置，在技术上又胜记里鼓车一筹。自动离合装置的发明，说明传动机构齿轮系已发展到相当的程度。图2.3 记里鼓车图2.4 指南车
在动力方面，这一时期除使用前面的动力外，开始利用水力为机械的原动力，出现了一些水力机械。在结构原理方面也有新的突破。在不少机械上出现了齿轮机构、凸轮机构和曲柄连杆机构等复杂的传动机构。水排、水雄、指南车以及浑天仪、地动仪等机械的出现反映了这一时期的机械在结构原理方面已经达到了相当高的水平。
在纺织机械方面出现了手摇纺车、布机和提花机等重要机械。这一时期的造船技术已比较发达，格、舵、帆等部件逐渐完善了起来，并且能够制造大型的楼船和战船。
在这一时期，生产过程中的机械系统有了很大的变化。许多机械已用自然力代替人力作为原动力。对机械的操作开始由直接操作向间接操作转变。动力和运动的传输开始由机械本身来完成，对机械的控制开始由人的直接控制向间接控制发展。
3.传统机械的全面发展和繁盛时期
从三国时期到元代中期是中国机械发展的第三个时期。与前两个时期相比，其主要特点是机械的总体技术水平有了极大的提高，古代机械得到了全面发展。这一时期经过了两个发展阶段。
第一阶段为三国到隋唐五代时期。这一时期我国传统机械持续发展。在工艺方面有较大进步，锻造农具开始在农具中占主导地位。铸造技术有了新的发展，出现了一些大型铸件。水力机械在这一阶段得到了进一步发展，两晋时期出现了自动磨车、舂车、水碾等水力机械。唐代出现了筒车（见图2.5），从人力提水发展为水力提水。唐代耕犁的结构有新的改进，出现了可以转动的犁梁装置。唐代末期机械制造已有较高水平，如西安出土的唐代银盒，其内孔与外圆的不同心度很小，子母口配合严紧，刀痕细密，这些都说明当时机械加工精度已达到新的水平。图2.5 筒车
第二个阶段是宋元时期，这是中国传统机械发展的高峰时期。在农业机械方面有很大的进步，宋代出现了锻制的犁刀装置，还较广泛采用了铁搭、犁等新式农具。各种水力机械得到了更广泛的利用。南宋末期又创造出先进的水转大纺车，三摧、五摧（锭）手摇纺车曾是当时世界上比较先进的人力纺纱机具。元代薛景石所著《梓人遗制》是木工名家总结亲身经验之作，并详细记述了当时通行的纺织机具和车辆，以古代著名的木制机械技术专著而留世。兵器制造技术在这一阶段发展很快，出现了大炮、管形火器和喷射火箭等新式武器。这一时期天文和计时仪器发展迅速，北宋苏颂和韩公廉等制成的木构水运仪象台，能用多种形式表现天体时空的运行，它由水力驱动，其中有一套擒纵机构。水运仪象台代表了当时机械制造的高度水平，是当时世界上先进的天文钟。元代的滚柱轴承也属当时世界上先进的机械装置。这一阶段还有一些重大的发明，如出现了活字印刷术和双作用活塞风箱，还发明了冷锻和冷拔工艺。
在这一时期，我国出现了许多杰出的机械制造家，如马钧、祖冲之、李皋、张思训、燕肃、苏颂、郭守敬和王祯等，为传统机械的发展做出了重要贡献。中国在机械加工、农业机械、纺织机械、造船和仪器制造等多方面都走在了世界的前列。不少机械传到了国外，对世界科学技术的发展产生了一定的影响。
4.传统机械缓慢发展时期
从元代后期到清代中期是中国机械发展进入缓慢发展时期。这一时期，传统机械仍有一定的发展。在热处理方面，明代出现了“冷待淬火”工艺，并且对淬火工艺的功能有了较深刻的认识；在兵器制造技术方面，出现了大量的新式兵器，还出现了《火龙经》、《火龙神器阵法》等兵器专著。在造船方面也有很大进展，郑和下西洋的船队是世界上最大的船队。郑和所乘宝船长约137米，12张帆，舵杆高11米多，是古代最大的远洋船舶。
5.中国机械发展的转变时期
鸦片战争的失败使统治阶级内部不少人物认识到先进技术的作用，他们出面倡导学习西方科学技术、引进先进的机器生产，兴起了洋务运动。在这期间，先后创办了一批军事工业和民用工业，大量引进了西方的机械设备和工艺。同时，我国自己也开始了一些机械的研制工作。如1862年研制出第一台蒸汽机，1865年制造了第一艘蒸汽船。
6.中国机械发展的复兴时期
新中国建立后，中国机械的发展进入了新的时期。先进社会制度的建立推动了机械科学技术的向前发展。新中国成立后，我国不但很快能够自行设计和制造飞机、汽车、轮船、机车等现代机械，而且改变了旧中国以修配为主的状态，建立了门类比较齐全，具有一定规模的机械工业体系。我国的机械科技的研究水平有了很大的提高。建国后建立了机械科学研究院、电器科学研究院等科研机构，并陆续建立了机床、工具、通用机械、仪表、电气传动、汽车、轴承、内燃机等一系列专业研究设计机构。
十一届三中全会以来后，实行改革开放的新政策，调整产业布局，改革高等教育和科研部门，中国的机械工业焕发了青春，机械工业得到迅速发展，与世界发达国家的差距逐步缩小，个别领域已经达到或领先世界水平。
我们中华民族在过去的几千年中，在机械工程领域中的发明创造有着极其辉煌的成就。不但发明的数量多，质量高，发明时间也早。我们过去的历史是光荣的，为实现中华民族的再度辉煌，我们的任务十分艰巨。在过去的悠久岁月里，机械的发明与使用繁荣了人类社会，促进了人类文明的发展。在高科技迅速发展的今天，机械的种类更加繁多，性能更加先进。机械手、机器人、机-光-电-液一体化的智能型机械、办公自动化机械等大量的先进的科技含量高的机械正在改变人类的生活与工作。希望有志于机械工程专业的青年，继承我们祖先的光荣传统，发明创造出更多、更好的新型高科技机械。我们相信，21世纪的中国机械工业将会重新对世界的发展与进步做出更大的贡献。
2.3 世界机械发展史简介
1.世界各国的古代机械发展不平衡
古代由于交通不方便，文化交流很少，世界上几个独立文化区域的机械发展很不平衡，如东亚和南亚、西亚和欧洲的机械发展情况各不相同。中国古代机械起源早，发展较快，在14世纪前居世界前列，是独立发展的，与其他地区联系不多。公元前3500年，古巴比伦已经出现带轮子的车、钻孔用的弓形钻。公元前2686年，古埃及开始将牛拉的原始木犁和金属镰刀用于农业。公元前8世纪，古埃及的水钟、虹吸管、鼓风箱和活塞式唧筒等流体机械也得到初步的发展及应用。公元前600—公元400年（称为古典文化时期），在古希腊诞生了一些著名的哲学家和科学家，他们对古代机械的发展做出了杰出的贡献。如希罗夫解释了杠杆、滑轮、轮与轴、螺纹等简单机械的负重理论，至今仍有参考意义。脚踏车床一直沿用到中世纪，为近代车床的发展奠定了基础。
公元400—1000年间，由于古希腊和古罗马文化的消沉，欧洲的机械技术基本处于停顿状态。直到公元1000年以后，随着农业和手工业的发展，意、法、英等国家相继兴办大学，发展自然科学和人文科学，培养人才，同时吸取当时中国、阿拉伯和波斯帝国的先进科学技术，机械技术开始恢复和发展。
2.西方各国的机械工程发展史
西方各国的古代机械工程发展非常缓慢。直到16世纪，欧洲进入文艺复兴时代，机械工程领域中的发明创造如雨春笋，机械制造业空前发展。文艺复兴时期的代表人物、意大利著名画家达·芬奇设计了变速器、纺织机、泵、飞机、车床、锉刀制作机、自动锯螺纹加工机等大量机械，并画了印刷机、钟表、压缩机、起重机、卷扬机等大量机械草图。一场大规模的工业革命在欧洲发生，大批的发明家涌现出来，各种专科学校﹑大学﹑工厂纷纷建立，机械代替了大量的手工业，生产迅速发展。
18世纪中期，英国出现纺织机。1760年，英国纺织工人哈格里夫斯设计一台将8个纱锭竖排起来由一个轮子带动的纺纱机。1771年，克朗普顿设计了水力纺纱机，它纺出的纱线比手工纺的更结实更精细，而且速度更快。1785年，卡特赖特发明简单的自动织布机。由于纺纱和织布的生产速度的提高，需要更多的原料。于是，1783年美国人惠特尼发明了轧棉机，它的发明既促进了英国纺纱工业的发展，又推到了美国棉花种植业的扩大。
1698年，英国的萨弗里制成一台能从矿井中抽水的蒸汽水泵，被称为“矿工之友”。1705年，纽科门制成了大气式蒸汽机，这是第一台具有使用意义的蒸汽装置。1769年，在英国大学工作的瓦特在前人科学研究和实验的基础上，对蒸汽机做了重大改进，创造出更好更实用的蒸汽机。1780年，蒸汽机为工厂提供了强大的动力，成为动力之王。对在英国发生的工业革命起了关键性的和主导的作用。
1680年，荷兰的物理学家惠更斯开始研究内燃机。1833年，英国的赖特提出了一种原动机的设想。1838年，巴尼特制出第一台装有点火装置的内燃机。1892年，德国狄塞尔提出压燃式内燃机原理，为提高内燃机热效率做出了重要贡献。1897年，他制成第一台压缩点火式内燃机，解决了汽车、轮船等许多机器的动力源问题，机械工业发展进入一个新阶段。1880年，21岁的狄塞尔以优异的成绩在慕尼黑工业大学毕业之后，经过17年的坚持不懈研究，克服各种困难，终于在1897年研制成功了压缩点火式内燃机，为机械文明发展做出了很大贡献。
英国科学家法拉第发现电磁感应现象，科学家们开始研制发电机。1870年比利时人格拉姆制造出第一台使用的发电机，由蒸汽机驱动，主要用于照明和电镀。1873年，维也纳举行了世界博览会，在实验发电机时，由于操作失误，外部电流流向了发电机，发电机却突然转动起来，这一偶然的发现，触动了科学家的灵感，不久工程电动机诞生。电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。电力工业和电器制造业迅速发展，人类跨入了“电气时代”。
1882年，瑞典科学家拉瓦尔研制出了冲击型汽轮机。1884年，英国的帕森斯研制出多级反动式汽轮机，这是第一台有实用意义的汽轮机。1896年，法国科学家拉托研制出多级冲动式汽轮机。汽轮机的进一步发展是把冲击式和反作用式结合起来，改善了汽轮机的性能。
战争的爆发与持续，加速了枪炮等武器的研制与生产。欧洲的战争、第一次世界大战等，对兵器的配件要求催生了互换性技术的出现。良好的互换性必须由高精度的测量工具和加工机床来保证。因此，19世纪的机床和测量工具的发明与革新进展很快，同时，钢铁工业也获得很快的发展，互换性的发明使机械工业进入大批量的生产阶段。
第二次世界大战以后，第一代电子计算机的诞生及其发展，促进了机械发展的智能化和自动化，机械工程和许多学科的有机结合，又促进了机械工程的高速发展。人类进入现代机械文明的时代。
2.4 机械工程展望
人类从使用简单工具到今天能够设计复杂的现代机械，经历了漫长的过程。随着社会的进步和生产的不断发展，各种各样的机械不断地进入社会的各个领域，承担着大量人力所不能或不便的工作，尤其是电子计算机的发明与自动控制理论的发展，使现代机械文明得以体现。但伴随着机械文明的到来，也必须要注意到防止使用机械带来的不利因素。2.4.1 现代机械文明存在的问题
1.机械文明中的环境问题（1）机械文明中的空气污染
由于内燃机技术的普及，人类制造出大量的汽车。在发展公共交通运输的同时，汽车已进入人们家庭，人们在欣喜若狂地讴歌汽车文明的时候，突然发现所呼吸的空气不再清洁，患呼吸道疾病的人数急剧增加，人们这才知道汽车排放的尾气和汽车轮子卷起的灰尘已危害了人类的健康。尽管单个车辆的尾气排放达标，但众多的汽车尾气仍然造成了空气污染。因此，研究无公害汽车已引起人们的极大关注，没有污染的太阳能汽车、电动汽车、污染小的燃氢汽车、天然气汽车都在研制过程中，其中液化气和电力驱动汽车已经进入市场。为解决空气污染和交通堵塞问题，一些西方国家甚至提倡骑自行车上班。
钢铁冶炼工业、水泥制造工业、建筑施工工地及运土工程车、火力发电工业及家庭取暖锅炉每天都向天空中排放大量的有毒气体与有害的粉尘。世界各国每年燃煤约20亿吨，产生数百万吨的烟尘及有害气体。直径大于101μm的粉尘飘落地面，污染树木和花草，使大面积森林枯萎；直径小于10μm的粉尘则长期飘浮在空中；0.2μm的粉尘可以进入人的肺里，粉尘污染正在威胁人类的生命。目前，在北京地区的环境污染中，可吸入颗粒（粉尘）是最为突出的污染。如果再考虑到化学工业的污染，空气污染对人类的威胁更加严重，患呼吸道疾病的人群数量日益增多。发明无污染或减少污染的新型机械，将是摆在机械工程人员面前的一个重要任务。（2）机械文明中的噪声污染
到过南极的科学家说过，那里太安静了。生活在地球上机械文明中的人却处在各种污染之中，有害的粉尘和气体通过口、鼻、皮肤进入人体，而噪声通过人耳进入人体。轰鸣的机器声、刺耳的汽车声，建筑工地的施工噪声扰民现象时有发生。即使在舒适的家中，也处于电冰箱、电视机、空调、电风扇、音响和计算机的噪声包围之中。研究表明，长期处于80dB噪声污染中的人，极易生病，减少寿命。我国有近70%的城市居民生活在噪声超标的环境中。噪声危害已成为继空气污染之后的人类公共健康的第二个杀手。降低一切机器的噪声，或者发明低噪声的机器，是现代人们对机器性能的基本要求之一。（3）机械文明中的水污染
水污染的原因很多，工厂排放的废水、家庭洗涤废水与垃圾、农药、船舶运输中的燃料泄漏等都会造成大面积的水污染。如何使河水、湖水、井水、海水变得洁净，人们想尽了办法，也进行了各种尝试，但收效甚微。目前，我国的水资源污染问题已相当严重，湖河中的鱼类大量死亡、饮水中毒事件时有发生，严格执行水资源保护法是一项艰巨的任务。因此，发明对水没有污染的机器，将是造福人类的重大贡献。
消除机械文明中的空气污染、水污染、噪声污染，寻求新能源、新型复合材料，是关系到全人类生存与发展的头等大事，也是发展21世纪知识经济中的重要课题。
2.机械文明中的能源问题
机械需要能源，也需要金属等资源，而地球上的资源却是有限的。美国的麻省理工学院（MIT）于1972年发表报告，对地球上的资源做了预测，摘要如下：
① 按目前使用率的1.8%速度增长，铁资源可用93年。
② 按目前使用率的6.4%速度增长，铝资源可用31年。
③ 按目前使用率不变，石油资源可用31年。
④ 按目前使用率的4.1%增长，煤资源可用111年。
⑤ 按目前使用率的2.7%增长，天然气资源可用22年。
⑥ 按目前使用率的4.6%速度增长，铜资源可用21年。
假如发现埋藏量为现在的5倍，铁可使用173年，铝可使用55年，铜可使用48年，煤可使用150年，石油可使用50年，天然气可使用49年。
地球上的资源是有限的，因此，为了人类的生存，节省机器的能源，寻找新能源，发明制造机器的新型复合材料，是机械工程技术人员以及全人类的共同的艰巨而伟大的任务。2.4.2 机械工程展望
1.机械工程与人类的生存环境
工程技术的发展在提高人类物质文明和生活水平的同时，也对自然环境起了破坏作用。20世纪中期以来，暴露出来的严重问题有两个方面：资源（其中最严重的是能源）的大量消耗和环境的严重污染。在能源方面，通过改进核裂变动力装置，发展太阳能、地热、潮汐能、海水温差能等，可以减少对非再生的石化能源的依赖。从长远的观点看，核聚变几乎是无穷尽的未来能源。以核物理学将来的成就为基础，机械工程与其他工程技术一起，在21世纪中完成核聚变动力装置的开发和推广或许能够彻底解决世界的能源问题。使用这种新能源可同时消除大气污染。陆地和海底中的金属矿藏的蕴藏量极为丰富，只要改进采矿和选矿的工艺，提高采矿和选矿机械的性能，降低可以经济利用的矿石品位，并充分回收金属废料，在有足够的能量供应的条件下，可以极大地减缓金属矿藏蕴藏量的下降速率。化学工程、冶金工程等生产流程中所产生的废弃、废水等环境污染源，通过改进流程、增加净化机械和设施并提高其净化效率，在技术上是能够加以消除的。
机械工程一向以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性，即提高人类的利益为目标来研制和发展新的机械产品。新机械的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。
2.机械工程与人工智能
机械工程是传统的工程技术。机械可以完成人用双手和双目以及双足双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多科学幻想成为现实。
人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系。其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能的发展在很大程度上消除了这个限制。
3.机械工程的专业化和综合化
19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大专院校中，它一般与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始专业细化，陆续出现了专业化的分支学科。这种细化的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。由于机械工程的知识总量已扩大到远非一个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。因此，自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。
综合-专业分化-再综合的反复循环，不能是现有专业的简单合并，而是在更高一级上的综合，其目的是为了能更好地发挥专业知识的作用。不同专业的专家们不仅需要具有精湛的专业知识，而且需要具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程的整体面貌，才能形成协同工作的有力集体。正确地而不是教条地处理知识的综合与专业的关系，是新技术革命时代中培养机械工程人才的主要课题。
2.5 举例：第一次世界大战中的机械工程
第一次世界大战成为一系列新技术发展的催化剂。战争期间，才发明不久的飞机受到重视，很快进入实用阶段。在大战期间，汽车的机动性引起人们的关注。战前在欧洲和美国街道上占主导地位的马车，很快被汽车取代。德国等原料缺乏的国家，为了应付敌方的封锁，大力发展化学合成技术，从而推动了化工技术的发展。军队和战争对物资的旺盛需求，也促使人们不断地改进生产流程，为生产管理的革新提供了条件。这些新技术的发展与机械工程的发展有着密切的联系。
下面通过两个具体实例，说明第一次世界大战中机械工程的发展。
1.战斗机的发展
随着第一次世界大战的爆发，飞机很快被用于战争，起初主要作为侦察机使用，后来为了阻止对方的空中侦察活动，用来驱逐敌机的作战飞机应运而生，这就是战斗机。
由于战斗机一举两得，一经问世便开始生产，陆续投入前线使用。典型飞机有法国的法尔芒F.20和英国的F.E.2b等，这些飞机多采用推进式设计。采用推进式设计的飞机虽然便于安装武器和进行射击，但机动性差，对付不了较为灵活的拉进式侦察机。而拉进式侦察机的缺点则是影响机枪向前方射击。为此，法国飞机设计制造家索尔尼埃和飞行员加罗斯经过共同研究，在桨叶后面安装钢制楔形偏导板，以挡开击中的子弹。这就是被航空史上认为第一种可有效进行空战的飞机。
1915年4月18日，加罗斯驾驶飞机在德军阵地上空被地面防空火力击中，并被强烈的西北风吹到了德军阵地后方，在一片林间空地上迫降被俘。德国飞机设计师安东尼·福克及他的同伴们对该机上的偏导板进行了仔细分析研究，并由此受到启发，发明了使用凸轮的射击同步协调器。这种装置可依靠螺旋桨的转动来控制机枪的射击，当枪口指向桨叶间隙时子弹射出，而枪口对准桨叶时停止射击。这种装置在作战中发挥很大作用，一时间，德国完全控制了天空。
为了扭转局面，英国和法国分别设计了两款名叫德·哈维兰D.H.2和斯帕德S.7的全新飞机。德·哈维兰D.H.2是一种推进式的双翼飞机，机枪装在机身头部，不存在螺旋桨影响射击的问题。斯帕德S.7的机身较长，采用无上反角的矩形双层翼，装一台V形8缸水冷式活塞发动机，具有良好的稳定性和操纵性，尤其是速度和爬升性能突出。
到第一次世界大战结束时，飞机的飞行性能已有显著提高，飞行时速由80～115千米提高到180～220千米。飞行高度由3000～5000米提高到8000米，航程增大到440千米。飞机的结构和动力装置都有较大的改进。许多国家建立了专门的航空科学技术研究机构和航空工业，航空活动已发展到相当大的规模，飞机、发动机和其他航空装备的研究、设计和制造已形成较为严密的体系。
2.“陆战之王”——坦克的发展
被称为“陆战之王”的坦克诞生于第一次世界大战。在19世纪末20世纪初，蒸汽机技术、内燃机技术、装甲和履带推进技术及火炮技术等都已基本成熟。
第一次大战爆发的时候，机枪一类的速射兵器已大量使用，战场上战壕纵横、碉堡林立，交战双方往往难以突破对方的防线，谁要主动进攻，谁就会损失惨重，因此付出很大的代价。现实迫切需要研制一种能够把火力、机动、防护三者有机结合的新式武器。最早产生制造坦克想法的是英军的上校斯文顿，他首先提出了用履带式拖拉机加装钢板以抵抗机枪火力的构想。
1915年，英国政府采纳了斯文顿的建议，利用汽车、拖拉机、枪炮制造和冶金技术，试制了坦克的样本。1916年，世界上第一辆参加实战的坦克-“马克Ⅰ”型坦克诞生。该坦克外廓呈菱形，两条履带从上方绕过车体，车后伸出一对转向轮，可以承载8人。
经过第一世界大战的洗礼，坦克在战争中的威力使其名声大振。为了适应未来战争的需要，第一次世界大战结束后，世界各国加紧研制自己的坦克，坦克家族从此兴旺起来，并与战斗机一起在第二次世界大战的欧洲战场的各重大战役中起到了决定性作用。
基础篇
第3章 工程力学
3.1 工程力学的主要内容
工程力学一般包括理论力学和材料力学两个部分。理论力学研究物体由于受力引起的机械运动的规律，理论力学一般包括静力学、运动学和动力学三部分内容。静力学研究物体受力分析的方法和物体在外力作用下处于平衡状态的条件。物体的受力分析研究物体与周围其他物体之间的联系，并将其从周围物体中分离出来，分析其上所受的力，这些力包括主动力（如重力）和约束力（约束力取决于周围物体限制的性质，即约束的类型与性质）。
材料力学研究构件由于受力引起的变形和发生破坏的规律，材料力学研究构件的强度、刚度和稳定性三类问题，材料的强度指构件受力中抵抗破坏的能力，刚度指构件受力中抵抗变形的能力，稳定性质构件受力中保持其原有平衡形式的能力。3.1.1 工程力学的基本概念
1.力与力系
力的定义：力是物体间相互机械作用，它能使物体的机械运动状态发生变化，同时使物体发生形变。
力的效应：运动效应——引起物体运动状态的变化或速度的变化；变形效应——引起物体形状改变。
力的三要素：大小、方向、作用点。力是矢量，一般用黑体字母F、P、Q表示；矢量的模，即表示力的大小，用一般大写字母F、P、Q表示；矢量的方向，即力的方向；矢量的始点或终点，即为力的作用点；力的单位，一般采用国际制：有牛顿（N），千牛顿（kN），1kg·f=9.8N。
力系：平衡力系，即为满足平衡条件的力系；等效力系，即作用在刚体上的力系可由另一力系所代替，而不改变运动效应，这两个力系称为“等效力系”。
2.合力与分力
合力：如果一个力系与一个力对刚体的作用效果相同，则这个力称为这个力系的合力，而力系中的各力为分力。分力与合力的关系如图3.1所示。
合力R的数值和方向：
力的正交分解：将力沿两个互相垂直（正交）的方向分解为两个分力。力的正交分解如图3.2所示。图3.1 分力与合力关系图
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