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力学

力学(mechanics)研究物质机械运动规律的科学。自然物质有很多层次,从宇宙体系,宏观天体和常规天体,到微观粒子、纤维、晶体,到微观分子、原子、基本粒子。一般理解的力学侧重于研究自然或人工的宏观物体。

力学是一门独立的基础学科,与力有关、运动和介质(固体、液体、气体和等离子体),宏、细、微观力学的学科,主要研究机械运动及其与物理学的相似性、化学、生物运动耦合现象。力学既是一门基础学科,也是一门技术学科。它研究能量和力以及它们与固体的关系、液体和气体的平衡、变形或运动之间的关系。力学可分为静力学、运动学和动力学,静力学研究力的平衡或物体的静态问题;运动学只考虑物体如何运动,不讨论它与力的关系;动力学讨论物体的运动和它所受的力之间的关系。

现代机械实验设备,如大型风洞、输水隧道的建立和使用本身就是一项综合性的科技工程,需要多工种配合、多学科的协作。


目录

发展简史

机械知识起源于对自然现象的观察和生产劳动中的经验。人们在建筑、在灌溉和其他劳动中使用杠杆、斜面、水泵等仪器,逐渐积累了对平衡物体受力的认识。古希腊的阿基米德最初奠定了静力学的基础,即平衡论。古代人还从对日、观察月亮运行和弓箭、在轮子的使用中,学习一些简单的运动规律,比如匀速运动和转动。但是,力与运动的关系是在欧洲文艺复兴之后才逐渐被认识的。

从16世纪到17世纪,力学开始发展成为一门独立的学科、系统的学科。伽利略首先阐述了自由落体运动定律,提出了加速度的概念,并在实验研究和理论分析的基础上提出了解释地面上物体和天体运动的惯性定律。17世纪末,牛顿继承和发展了前人的研究成果(尤其是开普勒 行星运动的三大定律)提出了机械运动的三个基本定律,使经典力学形成了系统的理论。

根据牛顿 成功地解释了万有引力定律落体定律和行星在地球上的轨道。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。在接下来的两个世纪里,在众多科学家的研究和推动下,它终于成为一门理论完善的经典力学。从此,力学的研究对象从单一的自由质点,变成了受约束的质点和受约束的质点系。这相位的标志是D D 提出的阿朗贝尔原理朗伯和拉格朗日建立的分析力学。后来,欧拉进一步应用牛顿 的运动定律推广到刚体和理想流体的运动方程,这被认为是连续介质力学的开端。

运动定律和物理性质定律的结合,使得弹性固体力学的基础理论和粘性流体力学的基础理论成为世界上的孪生兄弟,而在这方面做出贡献的正是纳维德、柯西、泊松、斯托克斯等人。随着弹性力学和流体力学基本方程的建立,力学逐渐从物理学中分离出来,成为一门独立的学科。从牛顿到汉密尔顿的理论体系构成了物理学中的经典力学。弹性和流体基本方程建立后,给定的方程一时难以求解,工程技术中的许多应用力学问题必须用经验或半经验的方法来解决。这使得19世纪下半叶,在材料力学中、结构力学和弹性力学之间,以及水力学和流体力学之间,在风格上一直存在着显著的差异。

20世纪初,随着新的数学理论和方法的出现,力学研究再次繁荣起来,许多新的理论被创立同时解决了一大批工程技术上的关键问题,如航空工程中的声屏障航天工程中的热障等。这个时候,先驱者是普朗特和卡门他们善于从力学研究中的复杂现象中理解事物的本质,并能找到合适的数学方法解决问题,逐渐形成了一套独特的方法。

自20世纪60年代以来,计算机得到了广泛的应用,力学在应用和理论上都取得了新的进展。中国力学的发展经历了一个特殊的过程。几乎与古希腊同时,中国就有了相当水平的关于平衡和简单运动形式的力学知识,但不同的是没有像阿基米德那样建立理论体系。到明末清初,中国在科学技术上明显落后于欧洲。

科学原理

力学是研究物质机械运动规律的科学。自然物质有很多层次,从宇宙体系,宏观天体和常规天体,到微观粒子、纤维、晶体微观分子、原子、基本粒子。

一般理解的力学侧重于研究自然或人工的宏观物体。但由于学科的相互渗透,有时也涉及到各个层面的对象和相关规律,无论是宇宙层面还是微观层面。

力学又称经典力学,是一门研究正常大小的物体在受力情况下的变形以及速度远低于光速的运动过程的自然科学。机械运动是物质在时间中运动、空间位置的变化,包括运动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。平衡或静止是一个特例。

物质运动的其他形式是热运动、电磁运动、原子及其内部运动和化学运动等。力是物质之间的相互作用,机械运动状态的变化就是由这种相互作用引起的。静动状态不变,意味着所有的力在某种意义上都是平衡的因此,力学可以说是力的总和(机械)运动的科学。

力学在中文里的意思是力的科学。汉语“力”这个词最初的意思是手臂用力,后来它包含了其他含义,但它与机械或运动没有直接关系。力学”英语中的 quot机械与工程quot是 quot机械与工程quot(源自希腊语μ η χ α ν η ──机械)在英语中,mechanics是一个多义词,可以解释为“力学”,也可释作“机械学”结构”等。

在其他欧洲语言中,这个词的词源和语义与英语相同。汉语中没有对应的多义词。20世纪50年代力学作为研究力量的学科术语引入中国时,被翻译成英文“重学”,后来改译作“力学”,一直使用至今。

力学的”和“机械的”在英语里和机械一样,而在现代汉语里,“机械的”又可理解为“刻板的”这种不同语言词义范围的差异,有时会造成国际学术交流的波折。例如机械的(mechanical)其实自然观指的是用力学解释自然观,而英语机械论者指的是力学,不是力学。

学科分类

力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分,静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学只考虑物体怎样运动,不讨论它与所受力的关系;动力学讨论物体运动和所受力的关系。力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支。根据研究对象具体的形态、研究方法、研究目的的不同,固体力学可以分为理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、板壳力学、塑性力学、断裂力学、机械振动、声学、计算力学、有限元分析等等,流体力学包含流体静力学、流体动力学等等。根据针对对象所建立的模型不同,力学也可以分为质点力学、刚体力学和连续介质力学。连续介质通常分为固体和流体,固体包括弹性体和塑性体。固体力学和流体力学从力学分出后,余下的部分组成一般力学。
一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学,有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外,还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。
一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在发展过程中,又因对象或模型的不同出现了一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学(狭义的)、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学陀螺力学、运动稳定性等;属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等;流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成,到了21世纪则有空气动力学、气体动力学多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学等分支。各分支学科间的交叉结果又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学等。
力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面:理论分析、实验研究和数值计算。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验空气动力实验等。着重用数值计算手段的计算力学,是广泛使用电子计算机后才出现的,其中有计算结构力学、计算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目,往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支,诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。力学和其他基础科学的结合也产生一些交叉性的分支,最早的是和天文学结合产生的天体力学。
在20世纪特别是60年代以来,出现更多的这类交叉分支,其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学电流体动力学磁流体力学热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。
20世纪以来,力学有了很大的发展,创立了一系列重要的新概念、新理论和新方法。力学与其它学科的交叉和融合日显突出,形成了许多力学交叉学科:力学与物理学的交叉形成了物理力学,与生命科学的交叉形成了生物力学,与环境科学和地学的交叉形成了环境力学,以及爆炸力学、等离子体力学等都形成了力学的新的学科生长点,不断地丰富着力学的研究内容和方法,并使力学学科始终保持着旺盛的生命力。同时,人类社会和经济发展的更高需求将不断促进力学与其他学科的交叉,促进力学交叉学科发展到一个崭新的阶段。

主要理论

1.物体运动三定律。2.达朗贝尔原理3.分析力学理论4 连续介质力学理论5.弹性固体力学基本理论6.粘性流体力学基本理论

研究方法

力学研究方法遵循认识论的基本法则:实践——理论——实践。力学家们根据对自然现象的观察,特别是定量观测的结果,根据生产过程中积累的经验和数据,或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果,提炼出量与量之间的定性的或数量的关系。
为了使这种关系反映事物的本质,力学家要善于抓住起主要作用的因素,撇弃或暂时撇弃一些次要因素。力学中把这种过程称为建立模型。质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是各种不同的模型。在模型的基础上可以运用已知的力学或物理学的规律,以及合适的数学工具,进行理论上的演绎工作,导出新的结论。依据所得理论建立的模型是否合理,有待于新的观测、工程实践或者科学实验等加以验证。在理论演绎中,为了使理论具有更高的概括性和更广泛的适用性,往往采用一些无量纲参数如雷诺数马赫数泊松比等。这些参数既反映物理本质,又是单纯的数字,不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。
力学研究工作方式是多样的:有些只是纯数学的推理,甚至着眼于理论体系在逻辑上的完善化;有些着重数值方法和近似计算;有些着重实验技术等等。而更大量的则是着重在运用现有力学知识,解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。
现代的力学实验设备,诸如大型的风洞、水洞,它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目,需要多工种、多学科的协作。应用研究更需要对应用对象的工艺过程、材料性质、技术关键等有清楚的了解。在力学研究中既有细致的、独立的分工,又有综合的、全面的协作。

应用领域

力学是物理学、天文学和许多工程学的基础,机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。机械运动是物质运动的最基本的形式。机械运动亦即力学运动。
在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。最突出的有:以人类登月、建立空间站航天飞机等为代表的航天技术;以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术;以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的机械工业,可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台;以排水量达5×10⁵t的超大型运输船和航速可达30多节、深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业;可以安全运行的原子能反应堆;在地震多发区建造高层建筑;正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车,等等,甚至如两弹引爆的核心技术,也都是典型的力学问题。
力学发展到今天已经构建成了宏伟的大厦,能够解决我们生存空间内的许多问题,但也有解释和解决不了的问题,需要继续探索,为其添砖加瓦,使其更完善。

重要著作

自然哲学的数学原理》(又译《自然哲学之数学原理》,拉丁文:Philosophiae Naturalis Principia Mathematica),是英国伟大的科学家艾萨克·牛顿的代表作。成书于1687年。《自然哲学的数学原理》是第一次科学革命的集大成之作,被认为是古往今来最伟大的科学著作,它在物理学、数学、天文学和哲学等领域产生了巨大影响。在写作方式上,牛顿遵循古希腊的公理化模式,从定义、定律(公理)出发,导出命题;对具体的问题(如月球的运动),他把从理论导出的结果和观察结果相比较。全书共分五部分,首先“定义”,这一部分给出了物质的量、时间、空间、向心力等的定义。

第二部分是“公理或运动的定律”,包括著名的运动三定律。接下来的内容分为三卷。前两卷的标题一样,都是“论物体的运动”。第一卷研究在无阻力的自由空间中物体的运动,许多命题涉及已知力解定受力物体的运动状态(轨道、速度、运动时间等),以及由物体的运动状态确定所受的力。第二卷研究在阻力给定的情况下物体的运动、流体力学以及波动理论。压卷之作的第三卷是标题是“论宇宙的系统”。由第一卷的结果及天文观测牛顿导出了万有引力定律,并由此研究地球的形状,解释海洋的潮汐,探究月球的运动,确定彗星的轨道。本卷中的“研究哲学的规则”及“总释”对哲学和神学影响很大。

著名人物

阿基米德

阿基米德
阿基米德
古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究,确定它们的基本规律,初步奠定了静力学即平衡理论的基础。

伽利略伽利雷

伽利略
伽利略
伽利略在实验研究和理论分析的基础上,最早阐明自由落体运动的规律,间接证明了自由落体运动是匀变速直线运动,提出加速度的概念。

艾萨克牛顿

牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒行星运动三定律),提出物体运动三定律。(牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律)

爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦
阿尔伯特·爱因斯坦
《相对论》的创建人,对牛顿力学的诸多问题进行整改、修复和完善,开启了物理学的新纪元。

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