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力學(xué)簡(jiǎn)史

更新時(shí)間:2010-12-26瀏覽:2922次

力學(xué)的一個(gè)分支,也是科學(xué)史的一個(gè)分支,它記述和研究人類(lèi)從自然現(xiàn)象和生產(chǎn)活動(dòng)中認(rèn)識(shí)和應(yīng)用物體機(jī)械規(guī)律的歷史。力學(xué)發(fā)展在歷史年代順序上和學(xué)科邏輯順序上大體相同,這種發(fā)展反映出人類(lèi)認(rèn)識(shí)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐步深化的過(guò)程。牛頓定律的建立是力學(xué)發(fā)展過(guò)程中重要的里程碑.經(jīng)典力學(xué)從此奠定基礎(chǔ)并根據(jù)學(xué)科自身的邏輯規(guī)律發(fā)展著。在近代和現(xiàn)代,力學(xué)隨著研究?jī)?nèi)容的深入和研究領(lǐng)域的擴(kuò)大逐漸形成各個(gè)分支,近年來(lái)又出現(xiàn)了跨分支、跨學(xué)科綜合研究的趨勢(shì)。

  力學(xué)的發(fā)展是分析和綜合想結(jié)合的過(guò)程。從總的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立以前力學(xué)研究的歷史大致可分為兩個(gè)時(shí)期:  古代,從遠(yuǎn)古到公元5世紀(jì),對(duì)平衡和運(yùn)動(dòng)有初步的了解;
中世紀(jì),從6世紀(jì)到16世紀(jì),這個(gè)時(shí)期對(duì)力、運(yùn)動(dòng)以及它們之間的關(guān)系的認(rèn)識(shí)已有發(fā)展,為牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立作了準(zhǔn)備。

  牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立和從此以后力學(xué)研究的歷史大致可分為四個(gè)時(shí)期:
從17世紀(jì)初到18世紀(jì)末,經(jīng)典力學(xué)的建立和完善化;
19世紀(jì),力學(xué)各主要分支的建立;
從1900年到1960年,近代力學(xué),它和工程技術(shù)特別是航空、航天技術(shù)密切;
1960年以后,現(xiàn)代力學(xué),力學(xué)同計(jì)算技術(shù)和自然科學(xué)其他學(xué)科廣泛結(jié)合。
 

古代力學(xué)(公元6世紀(jì))  


  人類(lèi)zui早的力學(xué)知識(shí)是從對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動(dòng)中獲得的。中國(guó)西安半坡村遺址(新石器時(shí)代仰韶文化,公元前3000多年) 出土的汲水壺采取尖底的形式,且壺空時(shí)在水面上會(huì)傾倒而壺滿(mǎn)時(shí)又能自動(dòng)恢復(fù)豎直位置。埃及第四王朝建立的胡夫陵墓即金字塔(公元前2600) 每邊長(zhǎng)232米,高146米,斜面傾角約為5o ,用230余萬(wàn)塊巨石壘成,平均每塊重2.5噸,建造運(yùn)用滑輪組。有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)的很多知識(shí)是同對(duì)天體運(yùn)行觀測(cè)有的,中國(guó)河南安陽(yáng)出土的甲骨文(約公元前1400) 已有日食和月食的常規(guī)記錄。巴比倫人發(fā)現(xiàn)(公元前700) 日食、月食的沙羅周期。生產(chǎn)水平接近的不同地區(qū),在勞動(dòng)中運(yùn)用力學(xué)知識(shí)也往往相似。古希臘羅馬有一種提水壺(amphora), 它的外形和力學(xué)特點(diǎn)同中國(guó)半坡村的汲水壺類(lèi)似。又如有一種灌溉設(shè)備,用短柱或樹(shù)杈支撐一根橫木,橫木一端掛水桶,另一端系重物,提水時(shí)可以省力。

 靜力學(xué)的發(fā)端  中國(guó)春秋時(shí)期墨翟及其弟子的著作《墨經(jīng)》(公元前4~公元前3世紀(jì))
中,有涉及力的概念、杠桿平衡、重心、浮力、強(qiáng)度、剛度的敘述。古希臘阿爾庫(kù)塔斯的著作中也有關(guān)于靜力學(xué)的記錄。為靜力學(xué)奠定基礎(chǔ)的是阿基米德,他在研究杠桿平衡、平面圖形重心位置時(shí),先建立一些公設(shè),而后用數(shù)學(xué)論證的方法導(dǎo)出一些定理,阿基米德關(guān)于杠桿公設(shè)之一是:不等距的等重不能平衡,杠桿將向距離大的一側(cè)傾斜。約公元一世紀(jì),亞歷山大的希羅更明確為平衡時(shí)“運(yùn)動(dòng)著的力和所經(jīng)歷的時(shí)間成反比”。經(jīng)過(guò)一千多年的發(fā)展, 運(yùn)動(dòng)方法演化為虛位移原理,幾何方法演化為用力矩表達(dá)的平衡條件。

 有關(guān)運(yùn)動(dòng)的觀念  古代對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的描述只限于勻速直線(xiàn)和勻速圓周運(yùn)動(dòng),亞里士多德
認(rèn)為行星軌道應(yīng)是zui的圓。托勒密的地心說(shuō)認(rèn)為,太陽(yáng)繞地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng),行星繞太陽(yáng)作勻速圓周運(yùn)動(dòng);至于運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系,古人尚無(wú)正確的認(rèn)識(shí)。對(duì)運(yùn)動(dòng)的記錄大多停留在定性的描述,許多和哲學(xué)觀點(diǎn)相。

 生產(chǎn)技術(shù)和力學(xué)  古代的建筑工程和器物制造反映出當(dāng)時(shí)的力學(xué)水平。阿基米德制造過(guò)
能牽動(dòng)船只的機(jī)械、表示日月運(yùn)行的機(jī)械,但他認(rèn)為這不能和純科學(xué)相提并論。這種把以數(shù)學(xué)為根據(jù)的力學(xué)理論和工程技術(shù)中于應(yīng)用的力學(xué)分離開(kāi)來(lái)的觀點(diǎn)在后世時(shí)隱時(shí)現(xiàn)。中國(guó)對(duì)力學(xué)的理解只能在技術(shù)應(yīng)用中看到,而理論上的說(shuō)明始終未能越出定性描述的范圍。都江堰工程約興建于公元前3世紀(jì),由分洪工程、開(kāi)鑿工程和閘壩工程組成一個(gè)整體,它經(jīng)歷歷代整修至今仍在發(fā)揮作用。中國(guó)音律所采用的三分損益律: 各音程比(即振動(dòng)頻率比) 交錯(cuò)地為三比二、三比四,這反映了中國(guó)早期樂(lè)器制造方面的理論水平。古羅馬建筑師維特魯威著有《論建筑》,討論了起重機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)形式。羅馬帝國(guó)在公元100年左右已建成許多水道。

  現(xiàn)存法國(guó)南部的尼姆渡槽長(zhǎng)40公里,離地面約48米,結(jié)構(gòu)采用多層半圓石拱形式。中國(guó)張衡制造的地動(dòng)儀中采用可在地震時(shí)喪失平衡的倒立柱子來(lái)帶動(dòng)機(jī)構(gòu)使龍口中含的銅丸落入下面蟾蜍口中以指明地震震源的方向。
中世紀(jì)的力學(xué)(6-16世紀(jì))  


  西羅馬帝國(guó)滅亡后,歐洲進(jìn)入了中世紀(jì)。古希臘羅馬的科學(xué)通過(guò)阿拉伯人得以繼承和發(fā)展。歐洲的科學(xué)進(jìn)展遲緩,到文藝復(fù)興時(shí)期才得以回升,而中國(guó)的科學(xué)技術(shù)沿襲原有傳統(tǒng),并在12~13世紀(jì)達(dá)到高峰。這些特點(diǎn)也反映在力學(xué)中以下按地區(qū)介紹這個(gè)時(shí)期的力學(xué)成就。

阿拉伯  阿拉伯人在7~8世紀(jì)興起以后,搜羅和保存古希臘羅馬的典籍,包括數(shù)學(xué)、
天文、物理等方面的著作,并把許多著作譯成阿拉伯文。阿拉伯人繼承并發(fā)展了關(guān)于靜力學(xué)中平衡規(guī)律和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的知識(shí)。塔比·本·庫(kù)拉的《秤書(shū)》從運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)討論杠桿平衡條件,他說(shuō)平衡時(shí)“運(yùn)動(dòng)力”由力和運(yùn)動(dòng)的距離兩者決定。哈齊尼的《智慧之重》一書(shū)中記載了多種金屬的比重。天文學(xué)家巴塔尼觀測(cè)了太陽(yáng)遠(yuǎn)地點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。12~13世紀(jì),許多科學(xué)著作陸續(xù)由阿拉伯文譯成拉丁文并傳入歐洲。

歐 洲  在這一千多年中,歐洲的科學(xué)神學(xué)的束縛,進(jìn)展很慢。宗教勢(shì)力把古人的學(xué)
說(shuō)化,不容許違犯。原來(lái)限于當(dāng)時(shí)歷史條件不完整的認(rèn)識(shí),這時(shí)成為阻礙科學(xué)進(jìn)步的教條。唯名主義尊重事實(shí),在和這些教條作斗爭(zhēng)中,促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。但歐洲科學(xué)的回升在文藝復(fù)興時(shí)代。這時(shí)資本主義的生產(chǎn)方式已逐漸形成并開(kāi)始發(fā)展。遠(yuǎn)洋航行和探險(xiǎn)事業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。中國(guó)古代的重大發(fā)明造紙、火藥、指南針、印刷術(shù)等先后傳入歐洲。在力學(xué)方面, 達(dá)·芬奇研究過(guò)斜拋體和自由落體的運(yùn)動(dòng),以及摩擦對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響,還作過(guò)鐵絲的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)。烏巴爾迪在其《力學(xué)卷》利用虛速度列出平衡條件。

中 國(guó)  這一千多年中.中國(guó)的科學(xué)技術(shù)按照固有的傳統(tǒng)發(fā)展著。當(dāng)時(shí)歐洲科學(xué)受到
神學(xué)的束縛時(shí),中國(guó)的科學(xué)技術(shù)總的來(lái)說(shuō)居于世界地位。力學(xué)科學(xué)仍然以和工程技術(shù)、生產(chǎn)應(yīng)用相結(jié)合的形式出現(xiàn)。但仍然未能作邏輯分析推理,特別是未能作數(shù)學(xué)分析。一些尚存的建筑物從它們的結(jié)構(gòu)中反映出當(dāng)時(shí)所具備的力學(xué)知識(shí):591~599年建筑的趙州橋,跨度37.4米,采用拱券高只有7米的淺拱;1056年建成的山西應(yīng)縣木塔,采用筒式結(jié)構(gòu)和各種斗拱,900多年來(lái)經(jīng)受過(guò)多次地震的考驗(yàn)。利用反推力的帶火藥的箭是火箭的雛形。宋代李誡的《營(yíng)造法式》指出梁截面高與寬之比以3:2為好。沈括的《夢(mèng)溪筆談》記載了頻率為1:2的琴弦共振,既固體彈性波的空腔效應(yīng)等力學(xué)知識(shí)。

  當(dāng)歐洲資本主義萌芽、科學(xué)技術(shù)開(kāi)始復(fù)蘇時(shí),中國(guó)仍處于封建社會(huì),科學(xué)技術(shù)仍以舊的方式緩慢地前進(jìn),科學(xué)水平漸漸落后于歐洲。除了封建社會(huì)統(tǒng)治這個(gè)社會(huì)原因外,就科學(xué)本身而言,可能是中國(guó)傳統(tǒng)的科學(xué)始終沒(méi)有出現(xiàn)象古希臘阿基米德那種嚴(yán)格推理的風(fēng)尚,也沒(méi)有后來(lái)歐洲出現(xiàn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn),而一直停留在綜合而不是分析、定性而不是定量的描述上。在力學(xué)中始終沒(méi)有提煉出加速度的概念,也就不可能建立力學(xué)的科學(xué)體系.經(jīng)典力學(xué)是從歐洲傳入中國(guó)的,這個(gè)輸入從明末開(kāi)始,由于閉關(guān)自守,中間中斷了一百多年。19世紀(jì)中葉西方科學(xué)再度傳入中國(guó)。從此中國(guó)的力學(xué)隨著世界潮流前進(jìn)。
力學(xué)主要分支的建立(19世紀(jì))  


  19世紀(jì),歐洲主要國(guó)家相繼完成了產(chǎn)業(yè)革命.以機(jī)器為主體的工廠(chǎng)制度代替了手工業(yè)和工場(chǎng)手工業(yè).大機(jī)器生產(chǎn)對(duì)力學(xué)提出更高的要求.客觀現(xiàn)實(shí)促進(jìn)了力學(xué)在工程技術(shù)和應(yīng)用方面的發(fā)展.另一方面,一些學(xué)者又竭力實(shí)現(xiàn)力學(xué)體系的完善化,把力學(xué)同當(dāng)時(shí)蓬勃發(fā)展的數(shù)學(xué)理論廣泛結(jié)合,促使力學(xué)原理的應(yīng)用范圍從質(zhì)點(diǎn)系、剛體擴(kuò)大到可變固體和流體.彈性固體和粘性流體的基本方程同時(shí)誕生,標(biāo)志著數(shù)學(xué)彈性力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)兩分支的建立,也標(biāo)志著力學(xué)開(kāi)始從物理學(xué)中分離出來(lái).

 結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)   19世紀(jì)中固體方面的力學(xué)的發(fā)展,除材料力學(xué)更趨完善并逐漸
發(fā)展為桿件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)外,主要是數(shù)學(xué)彈性力學(xué)的建立。材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)與當(dāng)時(shí)土木建筑技術(shù)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)让芮邢嚓P(guān),而彈性力學(xué)在當(dāng)時(shí)很少有直接的應(yīng)用背景,主要是為探索自然規(guī)律而作的基礎(chǔ)研究。
  1807年T.楊提出彈性模量的概念,指出剪切和伸縮一樣,也是一種彈性變形.雖然楊氏模量的形式與現(xiàn)代定義不一樣,但楊的工作成為彈性理論建立的前奏。彈性力學(xué)基本方程建立后A.J.C.B.de圣維南著手方程求解,得到一些有價(jià)值的原則結(jié)果。

水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)  這一時(shí)期內(nèi)有關(guān)流體方面的力學(xué)發(fā)展情況類(lèi)似于固體方面,在實(shí)踐
的推動(dòng)下水力學(xué)發(fā)展出不少經(jīng)驗(yàn)公式或半經(jīng)驗(yàn)公式;另一方面在數(shù)學(xué)理論上zui主要的進(jìn)展是粘性流體運(yùn)動(dòng)基本方程,即納維-斯托克斯方程的建立。

  力學(xué)知識(shí)zui早起源于對(duì)自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動(dòng)中的經(jīng)驗(yàn)。人們?cè)诮ㄖ?、灌溉等勞?dòng)中使用杠桿、斜面、吸水器具,逐漸積累起對(duì)平衡物體受力情況的認(rèn)識(shí)。古希臘的阿基米德對(duì)杠桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到浮力等作了系統(tǒng)的研究,確定它們的基本規(guī)律,初步奠定了靜力學(xué)即平衡理論的基礎(chǔ)。古代人還從對(duì)日、月運(yùn)行的觀察和弓箭、車(chē)輪等使用中了解一些簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,如勻速的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。但是對(duì)力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,只是在歐洲文藝復(fù)興時(shí)期以后逐漸有了正確的認(rèn)識(shí)。伽利略在實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上,zui早闡明自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,提出加速度的概念。I.牛頓繼承和發(fā)展前人的研究成果(特別是J.開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定律),提出物體三定律.伽利略、牛頓奠定了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開(kāi)始成為一門(mén)科學(xué)。此后力學(xué)的進(jìn)展在于它所考慮的對(duì)象由單個(gè)的自由質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)向受約束的質(zhì)點(diǎn)系;這方面的標(biāo)志是J.Ie.R.達(dá)朗伯提出的達(dá)朗伯原理和J.-L.拉格朗日建立的分析力學(xué)。L.歐拉又進(jìn)一步把牛頓運(yùn)動(dòng)定律推廣用于剛體和理想流體的運(yùn)動(dòng)方程。歐拉建立理想流體的力學(xué)方程可看作是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的肇端。至此以前,有關(guān)固體的彈性、流體的粘性、氣體的可壓縮性等的物質(zhì)屬性方程已經(jīng)陸續(xù)建立。運(yùn)動(dòng)定律和物性定律這二者的結(jié)合,促使彈性固體力學(xué)基本理論和粘性流體力學(xué)基本理論孿生于世。在這方面作出貢獻(xiàn)的是C.-L.-M.-H.納維、A.-L.柯西、S.-D.泊松、G.G.斯托克斯等人。彈性力學(xué)和流體力學(xué)基本方程建立,使得力學(xué)逐漸脫離物理學(xué)而成為獨(dú)立學(xué)科。另一方面,從拉格朗日分析力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的哈密頓體系,繼續(xù)在物理系中起作用。從牛頓到哈密頓的理論體系組成物理學(xué)中的經(jīng)典力學(xué)和牛頓力學(xué)。在彈性和流體基本方程建立后,所給出的方程一時(shí)難以求解,工程技術(shù)中許多應(yīng)用力學(xué)問(wèn)題還須依靠經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的方法解決。這使得19世紀(jì)后半葉在材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)同彈性力學(xué)之間,水利學(xué)和水動(dòng)力學(xué)之間一直存在著風(fēng)格上的顯著差別.到20世紀(jì)初,在流體力學(xué)和固體力學(xué)中,實(shí)際應(yīng)用同數(shù)學(xué)理論的上述兩個(gè)方面開(kāi)始結(jié)合,此后力學(xué)便蓬勃發(fā)展起來(lái),創(chuàng)立了許多新理論,同時(shí)也解決了工程技術(shù)中大量的關(guān)鍵性問(wèn)題,如航空工程中的聲障問(wèn)題和航天工程中的熱障問(wèn)題。這種理論和實(shí)際密卻結(jié)合的力學(xué)的先導(dǎo)者是L.普朗特和T.von卡門(mén)。他們?cè)诹W(xué)研究工作中善于從復(fù)雜的現(xiàn)象中洞察事物本質(zhì),又能尋找合適的解決問(wèn)題的數(shù)學(xué)途徑,逐漸形成一套*的方法。從60年代起,電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用日廣,力學(xué)無(wú)論在應(yīng)用上或理論上都有了新的發(fā)展。力學(xué)繼承它過(guò)去同航空和航天工程技術(shù)結(jié)合的傳統(tǒng),在同其他各種工程技術(shù)以及同自然科學(xué)的其他學(xué)科的結(jié)合中,開(kāi)拓自己新的應(yīng)用領(lǐng)域。
  力學(xué)在中國(guó)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)特殊的過(guò)程。與古希臘幾乎同時(shí),中國(guó)古代對(duì)平衡和簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式就已具備相當(dāng)水平的力學(xué)知識(shí),所不同的是未建立起象阿基米德那樣的理論系統(tǒng)。在文藝復(fù)興前的約一千年時(shí)間內(nèi),整個(gè)歐洲的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展緩慢,而中國(guó)科學(xué)技術(shù)的綜合性成果甚稱(chēng),其中有些在當(dāng)時(shí)世界居于地位。這些成果反映出豐富的力學(xué)知識(shí),但終未形成系統(tǒng)的力學(xué)理論。到明末清初,中國(guó)科學(xué)技術(shù)已顯著落后于歐洲。經(jīng)過(guò)曲折的過(guò)程,到19世紀(jì)中葉,牛頓力學(xué)才由歐洲傳入中國(guó)。以后,中國(guó)力學(xué)的發(fā)展便隨同世界潮流前進(jìn)。
經(jīng)典力學(xué)的建立(17世紀(jì)初-18世紀(jì)末)  


  近二百年中,歐洲資本主義生產(chǎn)方式陸續(xù)取代了封建的生產(chǎn)方式。商業(yè)和航海的迅速發(fā)展,需要科學(xué)技術(shù)。17世紀(jì)中葉,歐洲各國(guó)紛紛成立科學(xué)院,創(chuàng)辦科學(xué)期刊。航海需要觀測(cè),天文觀測(cè)和對(duì)天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究受到重視。從力學(xué)學(xué)科本身說(shuō),天體受力和運(yùn)動(dòng)比地上物體的受力和運(yùn)動(dòng)單純。因此,力學(xué)中的規(guī)律往往首先在天體運(yùn)行研究中被發(fā)現(xiàn)。

 動(dòng)力學(xué)  伽利略對(duì)動(dòng)力學(xué)的主要貢獻(xiàn)是他的慣性原理和加速度實(shí)驗(yàn)。他研究了地面
上自由落體、斜面運(yùn)動(dòng)、拋射體等運(yùn)動(dòng), 建立了加速度概念并發(fā)現(xiàn)了勻加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。C.惠更斯在動(dòng)力學(xué)研究中提出向心力、離心力、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、復(fù)擺的擺動(dòng)中心等重要概念。I.牛頓繼承和發(fā)展了這些成,提出物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和萬(wàn)有引力定律。運(yùn)動(dòng)三定律是:
*定律:  任何一個(gè)物體將保持它的靜止?fàn)顟B(tài)或作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),除非有施加
 于它的力迫使它改變此狀態(tài)。
  
第二定律:  物體運(yùn)動(dòng)量的改變與施加于的力成正比,并發(fā)生于該力的作用線(xiàn)方
 向上。
  
第三定律:  對(duì)于任何一個(gè)作用必有一個(gè)大小相等而方向相反的反作用。
  歐拉是繼牛頓以后對(duì)力學(xué)貢獻(xiàn)zui多的學(xué)者.除了對(duì)剛體運(yùn)動(dòng)列出運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力學(xué)方程并求得一些解外,他對(duì)彈性穩(wěn)定性作了開(kāi)創(chuàng)性的研究,并開(kāi)辟了流體力學(xué)的理論分析,奠定了理想流體力學(xué)的基礎(chǔ),在這一時(shí)期經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建和下一時(shí)期彈性力學(xué)、流體力學(xué)成長(zhǎng)為獨(dú)立分支之間,他起到了承上啟下的作用.

 靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)  靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)可以看作是動(dòng)力學(xué)的組成部分,但又具有獨(dú)立的性
質(zhì).它們是在動(dòng)力學(xué)之前產(chǎn)生的,又可以看作是動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的前提。斯蒂文從“*運(yùn)動(dòng)不可能”公設(shè)出發(fā)論證力的平行四邊形法則,他還在前人用運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)解釋平衡條件的基礎(chǔ)上,得到虛位移原理的初步形式。為拉格朗日的分析力學(xué)提供依據(jù)。力系的簡(jiǎn)化和平衡的系統(tǒng)理論,即靜力學(xué)的體系的建立則是L.潘索在《靜力學(xué)原理》一書(shū)中完成的。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面,伽利略提出加速度以后,惠更斯考慮點(diǎn)在曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中的加速度。剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究成果則屬于歐拉、潘索。物理學(xué)家A.-M安培提出“運(yùn)動(dòng)學(xué)”一詞,并建議把運(yùn)動(dòng)學(xué)作為力學(xué)的獨(dú)立部分。至此,力學(xué)明確分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三部分。

 固體和流體的物性  在建立運(yùn)動(dòng)和平衡基本定律的同時(shí),有關(guān)物質(zhì)力學(xué)性能的基本定
律也在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)。R.胡克1660年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)彈性體的力和變形之間存在著正比關(guān)系。在流體方面,B.帕斯卡指出不可壓縮靜止流體各向壓力(壓強(qiáng))相同。牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中指出流體阻力與速度差成正比,這是粘性流體剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之間正比關(guān)系的zui初形式.1636年M.梅森測(cè)量了聲音的速度。R.玻意耳于1662年和E.馬略特于1676年各自獨(dú)立地建立氣體壓力和容積關(guān)系的定律。上述對(duì)物性的了解對(duì)后來(lái)彈性力學(xué)、粘性流體力學(xué)、氣體力系等學(xué)科的出現(xiàn)作了準(zhǔn)備。

 應(yīng)用力學(xué)  許多學(xué)者的研究工作是和工匠一起進(jìn)行的。惠更斯和一些鐘表匠一起制
造鐘表。玻意耳和工匠帕潘一起研制水壓機(jī)。A.帕倫不僅研究梁的彎曲問(wèn)題,也研究水輪機(jī)的效率問(wèn)題。許多有工程實(shí)際意義的方法產(chǎn)生了,如蘭哈爾的半圓拱的計(jì)算方法,靜力學(xué)中伐里農(nóng)的索多邊形方法。
研究方法  


  力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識(shí)論的基礎(chǔ)法則:實(shí)踐-理論-實(shí)踐。力學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)和作為技術(shù)科學(xué)從不同側(cè)面反映這個(gè)法則。力學(xué)家們根據(jù)對(duì)自然現(xiàn)象的觀察,特別是定量觀察的結(jié)果,根據(jù)生產(chǎn)工程中積累的經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)的關(guān)系。為了使這種關(guān)系反映事物的本質(zhì),力學(xué)家要善于抓住起主要作用的因素,摒棄或暫時(shí)摒棄一些次要因素。力學(xué)中把這種過(guò)程稱(chēng)為建立模型。質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體、彈性體、粘性流體、連續(xù)介質(zhì)等各種不同模型。在模型的基礎(chǔ)上可以運(yùn)用已知的力學(xué)的或物理學(xué)的規(guī)律(必要時(shí)作一些假設(shè))以及合適的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行理論上的演繹中,為使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性,往往采用一些無(wú)量綱參數(shù)如雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、泊松比等。這些參數(shù)既反映物理本質(zhì),又是單純數(shù)字,不受尺寸、單位制、工程性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)裝置類(lèi)型的牽制。根據(jù)*個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)所得理論結(jié)論建立的模型是否合理,有待于新的觀測(cè)、工程實(shí)踐或者科學(xué)實(shí)驗(yàn)等第二個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)加以驗(yàn)證。采用上述無(wú)量綱參數(shù)以及通過(guò)有關(guān)的量綱分析使得這種驗(yàn)證能更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行。對(duì)一個(gè)單獨(dú)的類(lèi)型課題或研究任務(wù)來(lái)說(shuō),這種實(shí)踐和理論環(huán)節(jié)不一定能分得清,也可能和其他課題或任務(wù)的某個(gè)環(huán)節(jié)相互交叉,相互影響。課題或任務(wù)中每一項(xiàng)具體工作又可能只涉及一個(gè)環(huán)節(jié)或一個(gè)環(huán)節(jié)的一部分。因此,從局部看來(lái),力學(xué)研究工作方式是多樣的:有些只是純數(shù)學(xué)的推理,甚至著眼于理論體系在邏輯上的完善化;有些著重?cái)?shù)值方法和近似計(jì)算;有些著重實(shí)驗(yàn)技術(shù);有些著重在天文觀測(cè)和考察自然現(xiàn)象中積累數(shù)據(jù);而更大量的則是著重在運(yùn)用現(xiàn)有力學(xué)知識(shí)來(lái)解決工程技術(shù)中或探索自然界奧秘中提出的具體問(wèn)題。每一項(xiàng)工程又都需要具備自身有關(guān)的知識(shí)和其他學(xué)科的配合。數(shù)學(xué)推理需要各種現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識(shí),包括一些抽象數(shù)學(xué)分支的知識(shí)。數(shù)值方法和近似計(jì)算要了解計(jì)算技術(shù)、計(jì)算方法和計(jì)算數(shù)學(xué)。現(xiàn)代的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,諸如大型的風(fēng)洞、水洞,它們的建立和使用本身就是一個(gè)綜合性的科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目,需要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究更需要對(duì)運(yùn)用對(duì)象的工藝過(guò)程、材料性質(zhì)、技術(shù)關(guān)鍵等有清楚的了解。在力學(xué)研究中既有細(xì)致的、獨(dú)立的分工,又有綜合的、全面的協(xié)作。從力學(xué)研究和對(duì)力學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的整體來(lái)說(shuō),實(shí)踐是檢驗(yàn)理論正確與否的*標(biāo)準(zhǔn)。以上各種工作都是力學(xué)研究*的部分。
學(xué)科性質(zhì)  


  力學(xué)原是物理學(xué)的一個(gè)分支。物理科學(xué)的建立則是從力學(xué)開(kāi)始的。在物理科學(xué)中,人們?cè)眉兇饬W(xué)理論解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)以外的各種形式的運(yùn)動(dòng),如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機(jī)械(力學(xué))的自然觀而獲得健康發(fā)展時(shí),力學(xué)則在工程技術(shù)的推動(dòng)下按自身邏輯進(jìn)一步演化,逐漸從物理學(xué)中獨(dú)立出來(lái)。20世紀(jì)初,相對(duì)論指出牛頓力學(xué)不適用于速度接近光速或者宇宙尺度內(nèi)的物體運(yùn)動(dòng);20年代,量子力學(xué)指出牛頓力學(xué)不適用于微觀世界。這反映人們對(duì)力學(xué)認(rèn)識(shí)的深化,即認(rèn)識(shí)到物質(zhì)在不同層次上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不同的。通常理解的力學(xué)只以研究宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)為主,因而有許多帶“力學(xué)”名稱(chēng)的學(xué)科如熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、相對(duì)論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等習(xí)慣上被認(rèn)為是物理學(xué)的分支,而不屬于力學(xué)的范圍。但由于歷*的原因,力學(xué)和物理學(xué)仍有著特殊的親緣關(guān)系,特別是在以上各“力學(xué)”分支和牛頓力學(xué)之間,許多概念、方法、理論都有不少相似之處。
  力學(xué)與數(shù)學(xué)在發(fā)展中始終相互推動(dòng),相互促進(jìn)。一種力學(xué)理論往往和相應(yīng)的一個(gè)數(shù)學(xué)分支相伴產(chǎn)生,如運(yùn)動(dòng)基本定律和微積分,運(yùn)動(dòng)方程的求解和常微分方程定性理論,彈性力學(xué)及流體力學(xué)的基本方程和數(shù)學(xué)分析理論,天體力學(xué)中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和微分方程定性理論等。有人甚至認(rèn)為力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用數(shù)學(xué)。但是力學(xué)和物理學(xué)一樣,還有需要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的一面,而數(shù)學(xué)尋求的是比力學(xué)更帶普遍性的數(shù)學(xué)關(guān)系,兩者有各自的研究對(duì)象。
  力學(xué)同物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科一樣,是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科,它所闡明的規(guī)律帶有普遍性質(zhì)。
  力學(xué)又是一門(mén)技術(shù)科學(xué),它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ),又在廣泛的應(yīng)用工程中不斷得到發(fā)展。當(dāng)工程學(xué)還只分民用工程學(xué)(即土木工程學(xué))和軍事工程學(xué)兩大分支時(shí)。力學(xué)在這兩個(gè)分支中以起著舉足輕重的作用。工程學(xué)越分越細(xì),各分支中許多關(guān)鍵性的進(jìn)展都有賴(lài)于力學(xué)中有關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、強(qiáng)度、剛度等問(wèn)題的解決。力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合促使工程力學(xué)各分支的形成和發(fā)展?,F(xiàn)在,無(wú)論是歷史較久的土木工程、生物醫(yī)學(xué)工程等,都或多或少有工程力學(xué)的活動(dòng)場(chǎng)地。力學(xué)作為一門(mén)技術(shù)科學(xué),并不能代替工程學(xué),只是指出工程技術(shù)中解決力學(xué)問(wèn)題的途徑,而工程學(xué)則從更綜合的角度考慮具體任務(wù)的完成。同樣地,工程力學(xué)也不能代替力學(xué),因?yàn)榱W(xué)還有探索自然界一般規(guī)律的任務(wù)。
  力學(xué)既是基礎(chǔ)科學(xué)又是技術(shù)科學(xué)這種二重性,有時(shí)難免會(huì)引起側(cè)重基礎(chǔ)研究一面和側(cè)重應(yīng)用研究一面的力學(xué)家之間不同看法。但這種二重性也使力學(xué)家感到自豪,他們?yōu)闇贤ㄈ祟?lèi)認(rèn)識(shí)自然界和改造自然兩個(gè)方面作出了貢獻(xiàn)
學(xué)科分類(lèi)  


  力學(xué)可粗分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分,靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問(wèn)題;運(yùn)動(dòng)學(xué)只考慮物體怎樣運(yùn)動(dòng),不討論它與所受力的關(guān)系;動(dòng)力學(xué)討論物體運(yùn)動(dòng)和所受力的關(guān)系。
  力學(xué)也可按所研究的對(duì)象區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個(gè)分支,流體包括流體和氣體。固體力學(xué)和流體力學(xué)可統(tǒng)稱(chēng)為連續(xù)介質(zhì)力學(xué),它們通常都采用連續(xù)介質(zhì)模型。固體力學(xué)和流體力學(xué)從力學(xué)分出后,余下部分組成一般力學(xué)。一般力學(xué)通常是指以質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體、剛體系為研究對(duì)象的力學(xué),有時(shí)還把抽象的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)也作為研究對(duì)象。一般力學(xué)除了研究離散系統(tǒng)的基本力學(xué)規(guī)律外,還研究某些與現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)的新興學(xué)科的理論。一般力學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)這三個(gè)主要分支在發(fā)展過(guò)程中又因?qū)ο蠡蚰P偷牟煌霈F(xiàn)一些分支學(xué)科和研究領(lǐng)域。屬于一般力學(xué)的有理論力學(xué)(狹義的)、分析力學(xué)、外彈道學(xué)、振動(dòng)理論、剛體動(dòng)力學(xué)、陀螺力學(xué)、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等。屬于固體力學(xué)的有早期形成的材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué),稍后形成的彈性力學(xué)、塑性力學(xué),近期出現(xiàn)的散體力學(xué)、斷裂力學(xué)等流體力學(xué)是由早期多相流體力學(xué)、滲流力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)等分支。各分支學(xué)科間的交叉結(jié)果又產(chǎn)生粘彈性理論、流變學(xué)、氣動(dòng)彈性力學(xué)等。
  力學(xué)也可按研究時(shí)所采用的主要手段區(qū)分為三個(gè)方面: 理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算。實(shí)驗(yàn)力學(xué)包括實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析、水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)等。著 用數(shù)值計(jì)算手段的計(jì)算力學(xué)是廣泛使用電子計(jì)算機(jī)后出現(xiàn)的,其中有計(jì)算結(jié)構(gòu)力 學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)。對(duì)一個(gè)具體的力學(xué)課題或研究項(xiàng)目,往往需要理論、實(shí)驗(yàn)和 計(jì)算三方面的相互配合。
  力學(xué)在工程技術(shù)方面的應(yīng)用結(jié)果形成工程力學(xué)或應(yīng)用力學(xué)的各種學(xué)科分支, 諸如土力學(xué)、巖石力學(xué)、爆炸力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、環(huán)境空氣 動(dòng)力學(xué)等。
  力學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合也產(chǎn)生一些分支,zui早的是天文學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的天體力學(xué)。在20世紀(jì)特別是60年代以來(lái),出現(xiàn)更多的這類(lèi)交叉分支,其中有物理力學(xué)、 物理-化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、等離子體動(dòng)力學(xué)、電流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱彈性力 學(xué)、理性力學(xué)、生物力學(xué)、生物流變學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、 地球流體力學(xué)等。
  力學(xué)分支的這種錯(cuò)綜復(fù)雜情況是自然科學(xué)研究中綜合和分析這兩個(gè)不可分割的方面在力學(xué)發(fā)展過(guò)程中的反映??茖W(xué)的發(fā)展總是分中有合,合中有分。

 

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