“力学”简介、含义、起源、历史与发展uj.docx

力学力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次，从宇观的宇宙体系，宏观的天体和常规物体，细观的颗粒、纤维、晶体，到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的互相渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。机械运动亦即力学运动是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等，而平衡或静止，则是其中的一种特殊情况。机械运动是物质运动的最基本的形式。物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。机械运动并不能脱离其他运动形式独立存在，只是在研究力学问题时突出地考虑机械运动这种形式罢了；如果其他运动形式对机械运动有较大影响，或者需要考虑它们之间的相互作用，便会在力学同其他学科之间形成交叉学科或边缘学科。力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。静止和运动状态不变，都意味着各作用力在某种意义上的平衡。力学，可以说是力和（机械）运动的科学。力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲，后来虽又含有他义，但都同机械或运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种中，此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，后来改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机械的” 在英语中同为mechanical，而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围的差异，有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的观点，而英语mechanist是指机械师，不是指力学家。 发展简史力学知识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。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。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。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，提出加速度的概念。I.牛顿继承和发展前人的研究成果（特别是J.开普勒的行星运动三定律），提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。此后力学的进展在于它所考虑的对象由单个的自由质点转向受约束的质点和受约束的质点系；这方面的标志是J.le R.达朗伯提出的达朗伯原理和J.-L.拉格朗日建立的分析力学。L.欧拉又进一步把牛顿运动定律推广用于刚体和理想流体的运动方程。欧拉建立理想流体的力学方程可看作是连续介质力学的肇端。在此以前，有关固体的弹性、流体的粘性、气体的可压缩性等的物质属性方程已经陆续建立。运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是C.-L.-M.-H.纳维、A.-L.柯西、S.-D.泊松、 G.G.斯托克斯等人。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。另一方面，从拉格朗日分析力学基础上发展起来的哈密顿体系，继续在物理学中起作用。从牛顿到W.R.哈密顿的理论体系组成物理学中的经典力学或牛顿力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得19世纪后半叶在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。到20世纪初，在流体力学和固体力学中，实际应用同数学理论的上述两个方面开始结合，此后力学便蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题。这种理论和实际密切结合的力学的先导者是L.普朗特和 T.von卡门。他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。从60年代起，电子计算机应用日广，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。力学继承它过去同航空和航天工程技术结合的传统，在同其他各种工程技术以及同自然科学的其他学科的结合中，开拓自己新的应用领域。力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时，中国古代对平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像阿基米德那样的理论系统。在文艺复兴前的约一千年时间内，整个欧洲的科学技术进展缓慢，而中国科学技术的综合性成果堪称卓著，其中有些在当时世界居于领先地位。这些成果反映出丰富的力学知识，但终未形成系统的力学理论。到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。经过曲折的过程，到19世纪中叶，牛顿力学才由欧洲传入中国。以后，中国力学的发展便随同世界潮流前进。 学科性质力学原原是物理理学的一一个分支支。物理理科学的的建立则则是从力力学开始始的。在在物理科科学中，人人们曾用用纯粹力力学理论论解释机机械运动动以外的的各种形形式的运运动，如如热、电电磁、光光、分子子和原子子内的运运动等。当当物理学学摆脱了了这种机机械（力力学）的的自然观观而获得得健康发发展时，力力学则在在工程技技术的推推动下按按自身逻逻辑进一一步演化化，逐渐渐从物理理学中独独立出来来。200世纪初初，相对对论指出出牛顿力力学不适适用于速速度接近近光速或或者宇宙宙尺度内内的物体体运动;20年年代，量量子论指指出牛顿顿力学不不适用于于微观世世界。这这反映人人们对力力学认识识的深化化，即认认识到物物质在不不同层次次上的机机械运动动规律是是不同的的。通常常理解的的力学只只以研究究宏观的的机械运运动为主主，因而而有许多多带“力力学”名名称的学学科如热热力学、统统计力学学、相对对论力学学、电动动力学、量量子力学学等在习习惯上被被认为是是物理学学的分支支，而不不属于力力学的范范围。但但由于历历史上的的原因，力力学和物物理学仍仍有着特特殊的亲亲缘关系系，特别别是在以以上各“力力学”分分支和牛牛顿力学学之间，许许多概念念、方法法、理论论都有不不少相似似之处。力学与数学在发展中始终相互推动，相互促进。一种力学理论往往和相应的一个数学分支相伴产生，如运动基本定律和微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学的基本方程和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等。有人甚至认为力学是一门应用数学。但是力学和物理学一样，还有需要实验基础的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系，两者有各自的研究对象。力学同物理学、数学等学科一样，是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质。力学又是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。当工程学还只分民用工程学(即土木工程学)和军事工程学两大分支时，力学在这两个分支中已起着举足轻重的作用。工程学越分越细，各个分支中许多关键性的进展都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。力学和工程学的结合促使工程力学各个分支的形成和发展。现在，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等，还是后起的航空工程、航天工程、核技术工程、生物医学工程等，都或多或少有工程力学的活动场地。力学作为一门技术科学，并不能代替工程学，只指出工程技术中解决力学问题的途径，而工程学则从更综合的角度考虑具体任务的完成。同样地，工程力学也不能代替力学，因为力学还有探索自然界一般规律的任务。力学既是基础科学又是技术科学这种二重性，有时难免会引起侧重基础研究一面和侧重应用研究一面的力学家之间的不同看法。但这种二重性也使力学家感到自豪，他们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。 研究方法力学研研究方法法遵循认认识论的的基本法法则：实实践-理理论-实实践。力力学作为为基础科科学和作作为技术术科学从从不同侧侧面反映映这个法法则。力力学家们们根据对对自然现现象的观观察，特特别是定定量观测测的结果果，根据据生产过过程中积积累的经经验和数数据，或或者根据据为特定定目的而而设计的的科学实实验的结结果，提提炼出量量与量之之间的定定性的或或数量的的关系。为为了使这这种关系系反映事事物的本本质，力力学家要要善于抓抓住起主主要作用用的因素素，屏弃弃或暂时时屏弃一一些次要要因素。力力学中把把这种过过程称为为建立模模型。质质点、质质点系、刚刚体、弹弹性固体体、粘性性流体、连连续介质质等是各各种不同同的模型型。在模模型的基基础上可可以运用用已知的的力学的的或物理理学的规规律(必必要时作作一些假假设)以以及合适适的数学学工具进进行理论论上的演演绎工作作，导出出新的结结论。在在理论演演绎中，为为了使理理论具有有更高的的概括性性和更广广泛的适适用性，往往往采用用一些无无量纲参参数如雷雷诺数、马赫数数、泊松松比等。这这些参数数既反映映物理本本质，又又是单纯纯的数字字，不受受尺寸、单单位制、工工程性质质、实验验装置类类型的牵牵制。依依据第一一个实践践环节所所得理论论结论建建立的模模型是否否合理，有有待于新新的观测测、工程程实践或或者科学学实验等等第二个个实践环环节加以以验证。采采用上述述无量纲纲参数以以及通过过有关的的量纲分分析使得得这种验验证能在在更广泛泛的范围围内进行行。对一一个单独独的力学学课题或或研究任任务来说说，这种种实践和和理论环环节不一一定能分分得很清清，也可可能和其其他课题题或任务务的某个个环节相相互交叉叉，相互互影响。课课题或任任务中每每一项具具体工作作又可能能只涉及及一个环环节或者者一个环环节的一一部分。因因此，从从局部看看来，力力学研究究工作方方式是多多样的：有些只只是纯数数学的推推理，甚甚至着眼眼于理论论体系在在逻辑上上的完善善化；有有些着重重数值方方法和近近似计算算；有些些着重实实验技术术；有些些着重在在天文观观测和考考察自然然现象中中积累数数据；而而更大量量的则是是着重在在运用现现有力学学知识来来解决工工程技术术中或探探索自然然界奥秘秘中提出出的具体体问题。每每一项工工程又都都需要具具备自身身有关的的知识和和其他学学科的配配合。数数学推理理需要各各种现代代数学知知识，包包括一些些抽象数数学分支支的知识识。数值值方法和和近似计计算要了了解计算算技术、计计算方法法和计算算数学。现现代的力力学实验验设备，诸诸如大型型的风洞洞、水洞，它它们的建建立和使使用本身身就是一一个综合合性的科科学技术术项目，需需要多工工种、多多学科的的协作。应应用研究究更需要要对应用用对象的的工艺过过程、材材料性质质、技术术关键等等有清楚楚的了解解。在力力学研究究中既有有细致的的、独立立的分工工，又有有综合的的、全面面的协作作。从力力学研究究和对力力学规律律认识的的整体来来说，实实践是检检验理论论正确与与否的唯唯一标准准。以上上各种工工作都是是力学研研究不可可缺少的的部分。 学科分类力学可可粗分为为静力学学、运动动学和动动力学三三部分，静静力学研研究力的的平衡或或物体的的静止问问题；运运动学只只考虑物物体怎样样运动，不不讨论它它与所受受力的关关系；动动力学讨讨论物体体运动和和所受力力的关系系。力学也也可按所所研究对对象区分分为固体体力学、流流体力学学和一般般力学三三个分支支，流体体包括液液体和气气体。固固体力学学和流体体力学可可统称为为连续介介质力学学，它们们通常都都采用连连续介质质的模型型。固体体力学和和流体力力学从力力学分出出后，余余下的部部分组成成一般力力学。一一般力学学通常是是指以质质点、质质点系、刚刚体、刚刚体系为为研究对对象的力力学，有有时还把把抽象的的动力学学系统也也作为研研究对象象。一般般力学除除了研究究离散系系统的基基本力学学规律外外，还研研究某些些与现代代工程技技术有关关的新兴兴学科的的理论。一一般力学学、固体体力学和和流体力力学这三三个主要要分支在在发展过过程中又又因对象象或模型型的不同同而出现现一些分分支学科科和研究究领域。属属于一般般力学的的有理论论力学（狭狭义的）、分分析力学学、外弹弹道学、振振动理论论、刚体体动力学学、陀螺力力学、运运动稳定定性等。属属于固体体力学的的有早期期形成的的材料力力学、结结构力学学，稍后后形成的的弹性力力学、塑塑性力学学，近期期出现的的散体力力学、断裂力力学等。流流体力学学是由早早期的水水力学和和水动力力学这两两个风格格迥异的的分支汇汇合而成成的，现现在则有有空气动动力学、气体动动力学、多相流流体力学学、渗流力力学、非牛顿顿流体力力学等分分支。各各分支学学科间的的交叉结结果又产产生粘弹弹性理论论、流变变学、气动弹弹性力学学等。力学也也可按研研究时所所采用的的主要手手段区分分为三个个方面：理论分分析、实实验研究究和数值值计算。实实验力学学包括实实验应力力分析、水动力力学实验验和空气动动力实验验等。着着重用数数值计算算手段的的计算力力学是广广泛使用用电子计计算机后后才出现现的，其其中有计计算结构构力学、计算流流体力学学等。对对一个具具体的力力学课题题或研究究项目，往往往需要要理论、实实验和计计算这三三方面的的相互配配合。力学学在工程程技术方方面的应应用结果果形成工工程力学学或应用用力学的的各种分分支，诸诸如土力力学、岩石力力学、爆炸力力学、复合材材料力学学、工业空空气动力力学、环境空空气动力力学等。力学和和其他基基础科学学的结合合也产生生一些交交叉性的的分支，最最早的是是和天文文学结合合产生的的天体力力学。在在20世世纪特别别是600年代以以来，出出现更多多的这类类交叉分分支，其其中有物物理力学学、物理化学流流体动力力学、等离子子体动力力学、电流体体动力学学、磁流体体力学、热弹性性力学、理性力力学、生物力力学、生物流流变学、地质力力学、地地球动力力学、地地球构造造动力学学、地球球流体力力学等。力学分分类的这这种错综综复杂情情况是自自然科学学研究中中综合和和分析这这两个不不可分割割的方面面在力学学发展过过程中的的反映。科科学的发发展总是是分中有有合，合合中有分分。本卷卷各条目目所依据据的分类类法也将将随时间间的推移移而有所所变动。