力学史，是力学的一个分支，也是科学史的一个分支，它记述和研究人类从自然现象和生产活动中认识和应用物体机械运动规律的历史。力学是研究物质机械运动规律的科学，最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验，人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。中国春秋时期，在墨翟及其弟子的著作《墨经》中，就有关于力的概念，杠杆的平衡及重心、强度和刚度的概念。土木工程涉及的力学可主要分为理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学六部分。

理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。

所谓机械运动，是指物体在空间的位置随时间的变化。物质的运动有各种各样，它表现为位置的变动、发热、发光、发生电磁现象、化学过程，以至于人们头脑中的思维活动等不同的运动形式。机械运动是物质运动的最简单、最初级的一种形式，它是人们在生产和生活中经常遇到的。例如，各种交通工具的运动，机器的运转，大气和河水的流动，人造卫星和宇宙飞船的运行，建筑物的振动，等等，都是机械运动。

理论力学所研究的内容是以伽利略和牛顿所建立的基本定律为基础的，属于古典力学的范畴。19世纪后半叶，由于近代物理的发展，发现许多力学现象不能用古典力学的定律来解释，因而产生了研究物质高速运动力学规律的相对论和研究微观粒子运动规律的量子力学。在这些新的研究领域内，古典力学内容已不再完全适用。但是应该肯定，在研究速度远小于光速（30万千米/秒）的宏观物体的运动，特别是研究一般工程上的力学问题时，古典力学的足够准确性已为实践所证实。同时，在古典力学基础上诞生的各个新的力学分支正在迅速地发展。

远在奴隶社会时代，人们通过生产劳动，创造了一些简单的工具和机械（如斜面、杠杆等），并在不断使用和改进这些工具和机械中，积累了不少经验，从经验里获得知识，形成了力学规律的起点。中国古代在《墨经》《考工记》《论衡》和《天工开物》等书籍文献中，对于力的概念、杠杆原理、滚动磨擦、功的概念、材料的强度，以及天文学等方面的知识都有相当多的记载。由此可见，中国古代勤劳勇敢的劳动人民在很早就积累了丰富的力学知识。在欧洲，比“墨经”晚一些时期，相继出现了亚里士多德的《物理学》和阿基米德的《论比重》等著作，奠定了静力学的基础。欧洲在漫长的中世纪里，经历了长期的封建统治，生产力和科学的发展受到严重的阻碍。及至15世纪的后半期，由于商业资本的兴起，手工业、航海工业和军事工业等都得到了空前的发展，从而促使力学和其他科学随之迅速发展。

在16到17世纪，力学开始形成一门独立的系统的学科。伽利略根据实验，提出了惯性定律的内容和加速度的概念，从而奠定了动力学的基础。在这个基础上，经过笛卡儿、惠更斯等的努力，后来由牛顿总其大成。牛顿于1687年在他的名著《自然哲学的数学原理》中，完备地提出了动力学的三个基本定律，并从这些定律出发将动力学作了系统的叙述。牛顿运动定律是整个古典力学的基础。

18～19世纪是理论力学发展成熟的时期，相继提出了重要的虚位移原理、达朗伯原理以及著名的拉格朗日方程，这时以动力学普遍方程为基础的分析力学发展起来了。19世纪上半叶，由于大量机器的使用，促使功和能的概念形成，并发现了能量守恒与转化定律。这个定律不仅在工程技术问题中具有重大的意义，而且沟通了机械运动与其他形式的运动之间的联系。另外，在刚体动力学、运动稳定性和变质量质点动力学等方面也有许多重要的成就。

材料力学是固体力学中最早发展起来的一个分支，它研究材料在外力作用下的力学性能、变形状态和破坏规律，为工程设计中选用材料和选择构件尺寸提供依据。在固体力学各分支中，材料力学的分析和计算方法一般说来最为简单，但材料力学对于其他分支学科的发展起着启蒙和奠基作用。在古代建筑中，尽管还没有严格的科学理论，但人们从长期生产实践中，对构件的承力情况已有一些定性或较粗浅的定量认识。例如，从圆木中截取矩形截面的木梁，当高宽比为3∶2时最为经济，这大体上符合现代材料力学的基本原理。早期的材料力学是以木材、石头等脆性材料为研究主题，由于其变形很小，所以不可避免地具有很大的局限性。随着工业的发展，在车辆、船舶、机械和大型建筑工程的建造中所碰到的问题日益复杂，单凭经验已无法解决，这样，在对构件强度和刚度长期定量研究的基础上逐渐形成了材料力学。现在中国国际上流行的材料力学是在20世纪50年代引用苏联苏联的教材和教学模式的基础上建立起来的。

1638年，意大利数学家、天文学家、力学家伽利略（Galileo Galilei，1564～1642）在荷兰莱登出版了世界上第一本材料力学教本《两种新的科学》，首先提出了材料的力学性质和强度计算的方法。人们认为，材料力学作为一门学科，就是从这里开始的。但是，任何一门科学都不可能是个别人在短期内创造出来的，往往是在几代人经过艰苦探索和创造而逐渐形成的。在达·芬奇、伽利略、惠更斯、库仑、麦克斯韦、欧拉、柯西、T.杨（Thomas Young，1773～1829）、伯努利、C.-L.-M.-H.纳维耶（Claude-Louis-Marie-Henri Navier，1785～1836）、A.J.C.B.de 圣维南（Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant ，1797～1886）等人的努力下，材料力学形成了一门系统的科学。英国科学家胡克在1678年发表了根据弹簧实验观察所得的“力与变形成正比””这一重要物理定律（即胡克定律），奠定了材料力学的基础。从18世纪起，材料力学开始沿着科学理论的方向发展。

高速车辆、飞机、大型机械以及铁路桥梁等的出现，使减轻构件的自重成为亟待解决的问题。随着冶金工业的发展，新的高强度金属（如钢和铝合金等）逐渐成为主要的工程材料，从而使薄型和细长型构件大量被采用。这类构件的失稳破坏屡有发生，引起工程界的注意，从而成为构件刚度和稳定性理论发展的推动力。由于超高强度材料和焊接结构的广泛应用，低应力脆断和疲劳事故又成为新的研究课题，促使这方面的研究迅速发展。材料力学的研究通常包括两大部分：一部分是材料的力学性能（或称机械性能）的研究，材料的力学性能参量不仅可用于材料力学的计算，而且也是固体力学其他分支的计算中必不可少的依据；另一部分是对杆件进行力学分析。

杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆受弯曲（有时还应考虑剪切）的梁和受扭转的梁等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时，根据材料性质和变形情况的不同，可将问题分为线弹性问题、几何非线性问题、物理非线性问题三类。

线弹性问题是指在杆变形很小，而且材料服从胡克定律的前提下，对杆列出的所有方程都是线性方程，相应的问题就称为线性问题。对这类问题可使用叠加原理，即为求杆件在多种外力共同作用下的变形（或内力），可先分别求出各外力单独作用下杆件的变形（或内力），然后将这些变形（或内力）叠加，从而得到最终结果。

几何非线性问题是指杆件变形较大，就不能在原有几何形状的基础上分析力的平衡，而应在变形后的几何形状的基础上进行分析。这样，力和变形之间就会出现非线性关系，这类问题称为几何非线性问题。

物理非线性问题是指材料内的变形和内力之间（如应变和应力之间）不满足线性关系，即材料不服从胡克定律。解决这类问题可利用卡氏第一定理、克罗蒂～恩盖塞定理或采用单位载荷法等。

结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组合体，如飞机机身和机翼、桥梁、屋架和承力墙等。

人类在远古时代就开始制造各种器物，如弓箭、房屋、舟楫以及乐器等，这些都是简单的结构。随着社会的进步，人们对于结构设计的规律以及结构的强度和刚度逐渐有了认识，并且积累了经验，这表现在古代建筑的辉煌成就中，如埃及的金字塔，中国的万里长城、赵州安济桥、北京故宫等等。尽管在这些结构中隐含有力学的知识，但并没有形成一门学科。就基本原理和方法而言，结构力学是与理论力学、材料力学同时发展起来的。所以结构力学在发展的初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到19世纪初，由于工业的发展，人们开始设计各种大规模的工程结构，对于这些结构的设计，要作较精确的分析和计算。因此，工程结构的分析理论和分析方法开始独立出来，到19世纪中叶，结构力学开始成为一门独立的学科。

19世纪出现了许多结构力学的计算理论和方法。法国的纳维于1826年提出了求解静不定结构问题的一般方法。从19世纪30年代起，由于要在桥梁上通过火车，不仅需要考虑桥梁承受静载荷的问题，还必须考虑承受动载荷的问题，又由于桥梁跨度的增长，出现了金属桁架结构。

从1847年开始的数十年间，学者们应用图解法、解析法等来研究静定桁架结构的受力分析，这奠定了桁架理论的基础。1864年，英国的麦克斯韦创立单位载荷法和位移互等定理，并用单位载荷法求出桁架的位移，由此学者们终于得到解静不定问题的方法。基本理论建立后，在解决原有结构问题的同时，还不断发展新型结构及其相应的理论。19世纪末到20世纪初，学者们对船舶结构进行了大量的力学研究，并研究了可动载荷下的梁的动力学理论以及自由振动和受迫振动方面的问题。20世纪初，航空工程的发展促进了对薄壁结构和加劲板壳的应力和变形分析，以及对稳定性问题的研究。同时桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝土材料，这就要求科学家们对钢架结构进行系统的研究，在1914年德国的A.本迪克森（A.Bendixen）创立了转角位移法，用以解决刚架和连续梁等问题。

到了20世纪20年代，人们又提出了蜂窝夹层结构的设想。根据结构的“极限状态””这一概念，学者们得出了弹性地基上梁、板及刚架的设计计算新理论。对承受各种动载荷（特别是地震作用）的结构力学问题，也在实验和理论方面做了许多研究工作。后来，在二三十年代，对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计算方法，使一般的设计人员都可以掌握和使用了。

随着结构力学的发展，疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题先后进入结构力学的研究领域。20世纪中叶，电子计算机和有限元法的问世使得大型结构的复杂计算成为可能，从而将结构力学的研究和应用水平提到了一个新的高度。林同炎（Tung-Yen Lin，1912～2003）院士在1934年发表了轰动美国建筑界的论文《直接力矩分配法》，后被命名为“林氏法”。为推动现代结构技术发展奠定了基础。

结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量出现，向结构力学提供了新的研究内容并提出新的要求。计算机的发展，为结构力学的计算分析提供了有力的工具。另一方面，结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。

弹性力学是固体力学的重要分支，它研究弹性物体在外力和其他外界因素作用下产生的变形和内力，也称为弹性理论。它是材料力学、结构力学、塑性力学和某些交叉学科的基础，广泛应用于建筑、机械、化工、航天等工程领域。

人类从很早时就已经知道利用物体的弹性性质了，比如古代弓箭就是利用物体弹性的例子。当时人们还是不自觉的运用弹性原理，而人们有系统、定量地研究弹性力学，是从17世纪开始的。

弹性力学的发展初期主要是通过实践，尤其是通过实验来探索弹性力学的基本规律。英国的胡克和法国的马略特于1680年分别独立地提出了弹性体的变形和所受外力成正比的定律，后被称为胡克定律。牛顿于1687年确立了力学三定律。

在17世纪末第二个时期开始时，人们主要研究梁的理论。到19世纪20年代法国的C.-L.纳维耶（Claude-Louis Navier，1785～1836）和A.-L.柯西（Augustin-Louis Cauchy，1789～1857）基本上建立了弹性力学的数学理论。柯西在1822～1828年间发表的一系列论文中，明确地提出了应变、应变分量、应力和应力分量的概念，建立了弹性力学的几何方程、运动（平衡）方程、各向同性以及各向异性材料的广义胡克定律，从而奠定了弹性力学的理论基础，打开了弹性力学向纵深发展的突破口。

1855～1858年法国的圣维南发表了关于柱体扭转和弯曲的论文，可以说是第三个时期的开始。在他的论文中，理论结果和实验结果密切吻合，为弹性力学的正确性提供了有力的证据。1881年德国的赫兹（Hertz）解出了两弹性体局部接触时弹性体内的应力分布；1898年德国的基尔施（Kirsch）在计算圆孔附近的应力分布时，发现了应力集中。这些成就解释了过去无法解释的实验现象，在提高机械、结构等零件的设计水平方面起了重要作用，使弹性力学得到工程界的重视。

从20世纪20年代起，弹性力学在发展经典理论的同时，广泛地探讨了许多复杂的问题，出现了许多边缘分支：各向异性和非均匀体的理论，非线性板壳理论和非线性弹性力学，考虑温度影响的热弹性力学，研究固体同气体和液体相互作用的气动弹性力学和水弹性理论以及黏弹性理论等。磁弹性和微结构弹性理论也开始建立起来。此外，还建立了弹性力学广义变分原理。这些新领域的发展，丰富了弹性力学的内容，促进了有关工程技术的发展。

塑性力学作为固体力学的一个重要分支，其发展的历史虽然可以追溯到18世纪的70年代，但真正得到充分发展并日臻成熟的是在20世纪的40年代和50年代初。特别是理想塑性理论，这时已达到成熟并开始在工程实践中得到应用的阶段。塑性变形现象发现较早，然而对它进行力学研究，是从1773年库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736～1806）土壤压力理论，提出土的屈服条件后开始的。

H.特雷斯卡（Henri Tresca，1814～1885）于1864年对金属材料提出了最大剪应力屈服条件。随后圣维南于1870年提出在平面情况下理想刚塑性的应力-应变关系，他假设最大剪应力方向和最大剪应变率的方向一致，并解出柱体中发生部分塑性变形的扭转和弯曲问题以及厚壁筒受内压的问题。莱维（Levy）于1871年将塑性应力-应变关系推广到三维情况。1900年格斯特通过薄管的联合拉伸和内压试验，初步证实最大剪应力屈服条件。

   此后20年内进行了许多类似实验，提出多种屈服条件，其中最有意义的是米泽斯（Mises）于1913年从数学简化的要求出发提出的屈服条件（后称米泽斯条件）。米泽斯还独立地提出和莱维一致的塑性应力-应变关系（后称为莱维-米泽斯本构关系）。泰勒（Taylor）于1913年、洛德（Lode）于1926年为探索应力-应变关系所作的实验都证明，莱维-米泽斯本构关系是真实情况的一级近似。

为更好地拟合实验结果，罗伊斯于1930年在普朗特的启示下，提出包括弹性应变部分的三维塑性应力-应变关系。至此，塑性增量理论初步建立。但当时增量理论用在解决具体问题方面还有不少困难。早在1924年，亨奇就提出了塑性全量理论，由于便于应用，曾被纳戴等人，特别是伊柳辛等苏联学者用来解决大量实际问题。

虽然塑性全量理论在理论上不适用于复杂的应力变化历程，但是计算结果却与板的失稳实验结果很接近。为此在1950年前后展开了塑性增量理论和塑性全量理论的辩论，促使从更根本的理论基础上对两种理论进行探讨。另外，在强化规律的研究方面，除等向强化模型外，普拉格又提出随动强化等模型。电子计算机的发展，为塑性力学的研究和应用开创了广阔的前景，特别是促进了有限单元法的应用。1960年，阿吉里斯（Argyris）提出初始荷载法可作为有限单元方法，解决弹塑性问题的基础。自此，以理想塑性为基础的塑性力学已经达到定型的阶段，而具有加工硬化的塑性力学至今仍是在发展中的研究课题。

20世纪60年代以后，有限元法的发展，提供恰当的本构关系已成为解决问题的关键。所以70年代关于塑性本构关系的研究十分活跃，主要从宏观与微观的结合，从不可逆过程热力学以及从理性力学等方面进行研究。

断裂力学研究的内容几乎完全是断裂为主的破坏。1920年格里菲思（Griffith）研究玻璃中裂纹的脆性扩展，成功地提出了以含裂纹体的应变能释放率为参量的裂纹失稳扩展准则，其内容是：结构体系内裂纹扩展，体系内总能量降低，降低的能量用于裂纹增加新自由表面的表面能，裂纹扩展的临界条件是裂纹扩展力（即应变能释放率）等于扩展阻力（裂纹扩展，要增加自由表面能而引起的阻力）。很好地解释了玻璃的低应力脆断现象。格里菲思（Griffith）理论可用于估算脆性固体的理论强度，并给出了断裂强度与缺陷尺寸之间的正确关系。

1944年泽纳（Zener）和霍洛蒙（Hollmon）又首先把格里菲思理论用于金属材料的脆性断裂。不久，欧文（Irwin）指出，格里菲思的能量平衡应该是体系内储存的应变能与表面能、塑性变形所做的功之间的能量平衡；并且还指出，对于延性大的材料，表面能与塑性功相比一般是很小的。同时把G定义为“能量释放率”或“裂纹驱动力”，即裂纹扩展过程中增加单位长度时系统所提供的能量，或裂纹扩展单位面积系统能量的下降率。

20世纪50年代，欧文（Irwin）又提出表征外力作用下，弹性物体裂纹尖端附近应力强度的一个参量-应力强度因子，建立以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则-应力强度因子准则（亦称K准则）。其内容为：裂纹扩展的临界条件为K1＝K1c，其中K1为应力强度因子，可由弹性力学方法求得，K1c为材料的临界应力强度因子或平面应变断裂韧度，可由试验测定。欧文的另一贡献是他还指出：能量方法相当于应力强度方法。

1963年韦尔斯（Wells）发表有关裂纹张开位移（crack opening displacement; COD）的著作，提出以裂纹张开位移作为断裂参量判别裂纹失稳扩展的一个近似工程方法。其内容是：不管含裂纹体的形状、尺寸、受力大小和方式如何，当裂纹张开位移δ达到临界值时，裂纹开始扩展。是表征材料性能的常数，由试验得到。对于韧性材料，短裂纹平面应力断裂问题，特别是裂纹体内出现大范围屈服和全面屈服情况可采用此法。

1968年赖斯（Rice）提出围绕含裂纹体裂纹尖端的一个与路径无关的回路积分，定义为二维含裂纹体的J积分。J积分可用来描述裂纹尖端附近在非线性弹性情况下的应力应变场，建立了J1＝J1c的断裂准则。J1c为表征材料断裂韧性的临界J积分值，可由试验确定。

由于研究的观点和出发点不同，断裂力学分为微观断裂力学和宏观断裂力学。微观断裂力学是研究原子位错等晶体尺度内的断裂过程，宏观断裂力学是在不涉及材料内部断裂机理的条件下，通过连续介质力学分析和试样的实验作出断裂强度的估算与控制。

土木工程力学是一门既古老又年轻的学科，在古代和现代科学技术发展中都具有举足轻重的地位。由此可以预见，未来的技术发展离不开力学，技术的发展也会促进力学本身的进步。