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力學(xué)簡史

更新時間:2010-12-26瀏覽:2921次

力學(xué)的一個分支,也是科學(xué)史的一個分支,它記述和研究人類從自然現(xiàn)象和生產(chǎn)活動中認(rèn)識和應(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)展反映出人類認(rèn)識由簡單到復(fù)雜逐步深化的過程。牛頓定律的建立是力學(xué)發(fā)展過程中重要的里程碑.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)隨著研究內(nèi)容的深入和研究領(lǐng)域的擴(kuò)大逐漸形成各個分支,近年來又出現(xiàn)了跨分支、跨學(xué)科綜合研究的趨勢。

  力學(xué)的發(fā)展是分析和綜合想結(jié)合的過程。從總的發(fā)展趨勢來看,牛頓運(yùn)動定律建立以前力學(xué)研究的歷史大致可分為兩個時期:  古代,從遠(yuǎn)古到公元5世紀(jì),對平衡和運(yùn)動有初步的了解;
中世紀(jì),從6世紀(jì)到16世紀(jì),這個時期對力、運(yùn)動以及它們之間的關(guān)系的認(rèn)識已有發(fā)展,為牛頓運(yùn)動定律的建立作了準(zhǔn)備。

  牛頓運(yùn)動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時期:
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zui早的力學(xué)知識是從對自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動中獲得的。中國西安半坡村遺址(新石器時代仰韶文化,公元前3000多年) 出土的汲水壺采取尖底的形式,且壺空時在水面上會傾倒而壺滿時又能自動恢復(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232米,高146米,斜面傾角約為5o ,用230余萬塊巨石壘成,平均每塊重2.5噸,建造運(yùn)用滑輪組。有關(guān)運(yùn)動學(xué)的很多知識是同對天體運(yùn)行觀測有的,中國河南安陽出土的甲骨文(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),在勞動中運(yùn)用力學(xué)知識也往往相似。古希臘羅馬有一種提水壺(amphora), 它的外形和力學(xué)特點同中國半坡村的汲水壺類似。又如有一種灌溉設(shè)備,用短柱或樹杈支撐一根橫木,橫木一端掛水桶,另一端系重物,提水時可以省力。

 靜力學(xué)的發(fā)端  中國春秋時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,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“運(yùn)動著的力和所經(jīng)歷的時間成反比”。經(jīng)過一千多年的發(fā)展, 運(yùn)動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)動的觀念  古代對機(jī)械運(yùn)動的描述只限于勻速直線和勻速圓周運(yùn)動,亞里士多德
認(rèn)為行星軌道應(yīng)是zui的圓。托勒密的地心說認(rèn)為,太陽繞地球作勻速圓周運(yùn)動,行星繞太陽作勻速圓周運(yùn)動;至于運(yùn)動和力的關(guān)系,古人尚無正確的認(rèn)識。對運(yùn)動的記錄大多停留在定性的描述,許多和哲學(xué)觀點相。

 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)時的力學(xué)水平。阿基米德制造過
能牽動船只的機(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)分離開來的觀點在后世時隱時現(xiàn)。中國對力學(xué)的理解只能在技術(shù)應(yīng)用中看到,而理論上的說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、開鑿工程和閘壩工程組成一個整體,它經(jīng)歷歷代整修至今仍在發(fā)揮作用。中國音律所采用的三分損益律: 各音程比(即振動頻率比) 交錯地為三比二、三比四,這反映了中國早期樂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。羅馬帝國在公元100年左右已建成許多水道。

  現(xiàn)存法國南部的尼姆渡槽長40公里,離地面約48米,結(jié)構(gòu)采用多層半圓石拱形式。中國張衡制造的地動儀中采用可在地震時喪失平衡的倒立柱子來帶動機(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))  


  西羅馬帝國滅亡后,歐洲進(jìn)入了中世紀(jì)。古希臘羅馬的科學(xué)通過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)興時期才得以回升,而中國的科學(xué)技術(shù)沿襲原有傳統(tǒng),并在12~13世紀(jì)達(dá)到高峰。這些特點也反映在力學(xué)中以下按地區(qū)介紹這個時期的力學(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)動學(xué)方面的知識。塔比·本·庫拉的《秤書》從運(yùn)動學(xué)觀點討論杠桿平衡條件,他說平衡時“運(yùn)動力”由力和運(yùn)動的距離兩者決定。哈齊尼的《智慧之重》一書中記載了多種金屬的比重。天文學(xué)家巴塔尼觀測了太陽遠(yuǎn)地點的進(jìn)動。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。宗教勢力把古人的學(xué)
說化,不容許違犯。原來限于當(dāng)時歷史條件不完整的認(rèn)識,這時成為阻礙科學(xué)進(jìn)步的教條。唯名主義尊重事實,在和這些教條作斗爭中,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)興時代。這時資本主義的生產(chǎn)方式已逐漸形成并開始發(fā)展。遠(yuǎn)洋航行和探險事業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。中國古代的重大發(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)·芬奇研究過斜拋體和自由落體的運(yùn)動,以及摩擦對物體運(yùn)動的影響,還作過鐵絲的拉伸強(qiáng)度試驗。烏巴爾迪在其《力學(xué)卷》利用虛速度列出平衡條件。

中 國  這一千多年中.中國的科學(xué)技術(shù)按照固有的傳統(tǒng)發(fā)展著。當(dāng)時歐洲科學(xué)受到
神學(xué)的束縛時,中國的科學(xué)技術(shù)總的來說居于世界地位。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)時所具備的力學(xué)知識: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多年來經(jīng)受過多次地震的考驗。利用反推力的帶火藥的箭是火箭的雛形。宋代李誡的《營造法式》指出梁截面高與寬之比以3:2為好。沈括的《夢溪筆談》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。

  當(dāng)歐洲資本主義萌芽、科學(xué)技術(shù)開始復(fù)蘇時,中國仍處于封建社會,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。除了封建社會統(tǒng)治這個社會原因外,就科學(xué)本身而言,可能是中國傳統(tǒng)的科學(xué)始終沒有出現(xiàn)象古希臘阿基米德那種嚴(yán)格推理的風(fēng)尚,也沒有后來歐洲出現(xiàn)的科學(xué)實驗,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)是從歐洲傳入中國的,這個輸入從明末開始,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。從此中國的力學(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),歐洲主要國家相繼完成了產(chǎn)業(yè)革命.以機(jī)器為主體的工廠制度代替了手工業(yè)和工場手工業(yè).大機(jī)器生產(chǎn)對力學(xué)提出更高的要求.客觀現(xiàn)實促進(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)者又竭力實現(xiàn)力學(xué)體系的完善化,把力學(xué)同當(dāng)時蓬勃發(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誕生,標(biāo)志著數(shù)學(xué)彈性力學(xué)和水動力學(xué)兩分支的建立,也標(biāo)志著力學(xué)開始從物理學(xué)中分離出來.

 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,得到一些有價值的原則結(jié)果。

水力學(xué)和水動力學(xué)  這一時期內(nèi)有關(guān)流體方面的力學(xué)發(fā)展情況類似于固體方面,在實踐
的推動下水力學(xué)發(fā)展出不少經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式;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)動基本方程,即納維-斯托克斯方程的建立。

  力學(xué)知識zui早起源于對自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動中的經(jīng)驗。人們在建筑、灌溉等勞動中使用杠桿、斜面、吸水器具,逐漸積累起對平衡物體受力情況的認(rèn)識。古希臘的阿基米德對杠桿平衡、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)。古代人還從對日、月運(yùn)行的觀察和弓箭、車輪等使用中了解一些簡單的運(yùn)動規(guī)律,如勻速的移動和轉(zhuǎn)動。但是對力和運(yùn)動之間的關(guān)系,只是在歐洲文藝復(fù)興時期以后逐漸有了正確的認(rèn)識。伽利略在實驗研究和理論分析的基礎(chǔ)上,zui早闡明自由落體運(yùn)動的規(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.開普勒的行星運(yùn)動三定律),提出物體三定律.伽利略、牛頓奠定了動力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓運(yùn)動定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。此后力學(xué)的進(jìn)展在于它所考慮的對象由單個的自由質(zhì)點轉(zhuǎn)向受約束的質(zhì)點系;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)動定律推廣用于剛體和理想流體的運(yùn)動方程。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,所給出的方程一時難以求解,工程技術(shù)中許多應(yīng)用力學(xué)問題還須依靠經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法解決。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,實際應(yīng)用同數(shù)學(xué)理論的上述兩個方面開始結(jié)合,此后力學(xué)便蓬勃發(fā)展起來,創(chuàng)立了許多新理論,同時也解決了工程技術(shù)中大量的關(guān)鍵性問題,如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題。這種理論和實際密卻結(jié)合的力學(xué)的先導(dǎo)者是L.普朗特和T.von卡門。他們在力學(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,電子計算機(jī)應(yīng)用日廣,力學(xué)無論在應(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,開拓自己新的應(yīng)用領(lǐng)域。
  力學(xué)在中國的發(fā)展經(jīng)歷了一個特殊的過程。與古希臘幾乎同時,中國古代對平衡和簡單的運(yùn)動形式就已具備相當(dāng)水平的力學(xué)知識,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)興前的約一千年時間內(nèi),整個歐洲的科學(xué)技術(shù)進(jìn)展緩慢,而中國科學(xué)技術(shù)的綜合性成果甚稱,其中有些在當(dāng)時世界居于地位。這些成果反映出豐富的力學(xué)知識,但終未形成系統(tǒng)的力學(xué)理論。到明末清初,中國科學(xué)技術(shù)已顯著落后于歐洲。經(jīng)過曲折的過程,到19世紀(jì)中葉,牛頓力學(xué)才由歐洲傳入中國。以后,中國力學(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,歐洲各國紛紛成立科學(xué)院,創(chuàng)辦科學(xué)期刊。航海需要觀測,天文觀測和對天體運(yùn)動規(guī)律的研究受到重視。從力學(xué)學(xué)科本身說,天體受力和運(yùn)動比地上物體的受力和運(yùn)動單純。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)。

 動力學(xué)  伽利略對動力學(xué)的主要貢獻(xiàn)是他的慣性原理和加速度實驗。他研究了地面
上自由落體、斜面運(yùn)動、拋射體等運(yùn)動, 建立了加速度概念并發(fā)現(xiàn)了勻加速運(yùn)動的規(guī)律。C.惠更斯在動力學(xué)研究中提出向心力、離心力、轉(zhuǎn)動慣量、復(fù)擺的擺動中心等重要概念。I.牛頓繼承和發(fā)展了這些成,提出物體運(yùn)動規(guī)律和萬有引力定律。運(yùn)動三定律是:
*定律:  任何一個物體將保持它的靜止?fàn)顟B(tài)或作勻速直線運(yùn)動,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)動量的改變與施加于的力成正比,并發(fā)生于該力的作用線方
 向上。
  
第三定律:  對于任何一個作用必有一個大小相等而方向相反的反作用。
  歐拉是繼牛頓以后對力學(xué)貢獻(xiàn)zui多的學(xué)者.除了對剛體運(yùn)動列出運(yùn)動方程和動力學(xué)方程并求得一些解外,他對彈性穩(wěn)定性作了開創(chuàng)性的研究,并開辟了流體力學(xué)的理論分析,奠定了理想流體力學(xué)的基礎(chǔ),在這一時期經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)建和下一時期彈性力學(xué)、流體力學(xué)成長為獨立分支之間,他起到了承上啟下的作用.

 靜力學(xué)和運(yùn)動學(xué)  靜力學(xué)和運(yùn)動學(xué)可以看作是動力學(xué)的組成部分,但又具有獨立的性
質(zhì).它們是在動力學(xué)之前產(chǎn)生的,又可以看作是動力學(xué)產(chǎn)生的前提。斯蒂文從“*運(yùn)動不可能”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)動學(xué)的觀點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》一書中完成的。在運(yùn)動學(xué)方面,伽利略提出加速度以后,惠更斯考慮點在曲線運(yùn)動中的加速度。剛體運(yùn)動學(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)動學(xué)”一詞,并建議把運(yùn)動學(xué)作為力學(xué)的獨立部分。至此,力學(xué)明確分為靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)三部分。

 固體和流體的物性  在建立運(yùn)動和平衡基本定律的同時,有關(guān)物質(zhì)力學(xué)性能的基本定
律也在實驗的基礎(chǔ)上建立起來。R.胡克1660年在實驗室中發(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年各自獨立地建立氣體壓力和容積關(guān)系的定律。上述對物性的了解對后來彈性力學(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題,也研究水輪機(jī)的效率問題。許多有工程實際意義的方法產(chǎn)生了,如蘭哈爾的半圓拱的計算方法,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)識論的基礎(chǔ)法則:實踐-理論-實踐。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)面反映這個法則。力學(xué)家們根據(jù)對自然現(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,摒棄或暫時摒棄一些次要因素。力學(xué)中把這種過程稱為建立模型。質(zhì)點、質(zhì)點系、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)、實驗裝置類型的牽制。根據(jù)*個實踐環(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、工程實踐或者科學(xué)實驗等第二個實踐環(huán)節(jié)加以驗證。采用上述無量綱參數(shù)以及通過有關(guān)的量綱分析使得這種驗證能更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行。對一個單獨的類型課題或研究任務(wù)來說,這種實踐和理論環(huán)節(jié)不一定能分得清,也可能和其他課題或任務(wù)的某個環(huán)節(jié)相互交叉,相互影響。課題或任務(wù)中每一項具體工作又可能只涉及一個環(huán)節(jié)或一個環(huán)節(jié)的一部分。因此,從局部看來,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;有些著重數(shù)值方法和近似計算;有些著重實驗技術(shù);有些著重在天文觀測和考察自然現(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)知識來解決工程技術(shù)中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。每一項工程又都需要具備自身有關(guān)的知識和其他學(xué)科的配合。數(shù)學(xué)推理需要各種現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識,包括一些抽象數(shù)學(xué)分支的知識。數(shù)值方法和近似計算要了解計算技術(shù)、計算方法和計算數(shù)學(xué)?,F(xiàn)代的力學(xué)實驗設(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綜合性的科學(xué)技術(shù)項目,需要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究更需要對運(yùn)用對象的工藝過程、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、獨立的分工,又有綜合的、全面的協(xié)作。從力學(xué)研究和對力學(xué)規(guī)律認(rèn)識的整體來說,實踐是檢驗理論正確與否的*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)的一個分支。物理科學(xué)的建立則是從力學(xué)開始的。在物理科學(xué)中,人們曾用純粹力學(xué)理論解釋機(jī)械運(yùn)動以外的各種形式的運(yùn)動,如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運(yùn)動等。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,力學(xué)則在工程技術(shù)的推動下按自身邏輯進(jìn)一步演化,逐漸從物理學(xué)中獨立出來。20世紀(jì)初,相對論指出牛頓力學(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;20年代,量子力學(xué)指出牛頓力學(xué)不適用于微觀世界。這反映人們對力學(xué)認(rèn)識的深化,即認(rèn)識到物質(zhì)在不同層次上的機(jī)械運(yùn)動規(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)動為主,因而有許多帶“力學(xué)”名稱的學(xué)科如熱力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、相對論力學(xué)、電動力學(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,相互促進(jìn)。一種力學(xué)理論往往和相應(yīng)的一個數(shù)學(xué)分支相伴產(chǎn)生,如運(yùn)動基本定律和微積分,運(yùn)動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)是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)。但是力學(xué)和物理學(xué)一樣,還有需要實驗基礎(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象。
  力學(xué)同物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科一樣,是一門基礎(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。力學(xué)在這兩個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)展都有賴于力學(xué)中有關(guān)運(yùn)動規(guī)律、強(qiáng)度、剛度等問題的解決。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)的活動場地。力學(xué)作為一門技術(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),因為力學(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,有時難免會引起側(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祟愓J(rèn)識自然界和改造自然兩個方面作出了貢獻(xiàn)
學(xué)科分類  


  力學(xué)可粗分為靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)三部分,靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問題;運(yùn)動學(xué)只考慮物體怎樣運(yùn)動,不討論它與所受力的關(guān)系;動力學(xué)討論物體運(yùn)動和所受力的關(guān)系。
  力學(xué)也可按所研究的對象區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個分支,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、質(zhì)點系、剛體、剛體系為研究對象的力學(xué),有時還把抽象的動力學(xué)系統(tǒng)也作為研究對象。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)這三個主要分支在發(fā)展過程中又因?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)、振動理論、剛體動力學(xué)、陀螺力學(xué)、運(yùn)動穩(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)、氣動彈性力學(xué)等。
  力學(xué)也可按研究時所采用的主要手段區(qū)分為三個方面: 理論分析、實驗研究和數(shù)值計算。實驗力學(xué)包括實驗應(yīng)力分析、水動力學(xué)實驗和空氣動力實驗等。著 用數(shù)值計算手段的計算力學(xué)是廣泛使用電子計算機(jī)后出現(xiàn)的,其中有計算結(jié)構(gòu)力 學(xué)、計算流體力學(xué)。對一個具體的力學(xué)課題或研究項目,往往需要理論、實驗和 計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)空氣動力學(xué)、環(huán)境空氣 動力學(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,出現(xiàn)更多的這類交叉分支,其中有物理力學(xué)、 物理-化學(xué)流體動力學(xué)、等離子體動力學(xué)、電流體動力學(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)、地球動力學(xué)、地球構(gòu)造動力學(xué)、 地球流體力學(xué)等。
  力學(xué)分支的這種錯綜復(fù)雜情況是自然科學(xué)研究中綜合和分析這兩個不可分割的方面在力學(xué)發(fā)展過程中的反映??茖W(xué)的發(fā)展總是分中有合,合中有分。

 

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