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力学简史
点击次数:1610 发布时间:2010-12-26 返回

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规律的历史。力学发展在历史年代顺序上和学科逻辑顺序上大体相同,这种发展反映出人类认识由简单到复杂逐步深化的过程。牛顿定律的建立是力学发展过程中重要的里程碑.经典力学从此奠定基础并根据学科自身的逻辑规律发展着。在近代和现代,力学随着研究内容的深入和研究领域的扩大逐渐形成各个分支,近年来又出现了跨分支、跨学科综合研究的趋势。

  力学的发展是分析和综合想结合的过程。从总的发展趋势来看,牛顿运动定律建立以前力学研究的历史大致可分为两个时期:  古代,从远古到公元5世纪,对平衡和运动有初步的了解;
中世纪,从6世纪到16世纪,这个时期对力、运动以及它们之间的关系的认识已有发展,为牛顿运动定律的建立作了准备。

  牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历史大致可分为四个时期:
从17世纪初到18世纪末,经典力学的建立和完善化;
19世纪,力学各主要分支的建立;
从1900年到1960年,近代力学,它和工程技术特别是航空、航天技术密切;
1960年以后,现代力学,力学同计算技术和自然科学其他学科广泛结合。
 

古代力学(公元6世纪)  


  人类zui早的力学知识是从对自然现象的观察和生产劳动中获得的。中国西安半坡村遗址(新石器时代仰韶文化,公元前3000多年) 出土的汲水壶采取尖底的形式,且壶空时在水面上会倾倒而壶满时又能自动恢复竖直位置。埃及第四王朝建立的胡夫陵墓即金字塔(公元前2600) 每边长232米,高146米,斜面倾角约为5o ,用230余万块巨石垒成,平均每块重2.5吨,建造运用滑轮组。有关运动学的很多知识是同对天体运行观测有的,中国河南安阳出土的甲骨文(约公元前1400) 已有日食和月食的常规记录。巴比伦人发现(公元前700) 日食、月食的沙罗周期。生产水平接近的不同地区,在劳动中运用力学知识也往往相似。古希腊罗马有一种提水壶(amphora), 它的外形和力学特点同中国半坡村的汲水壶类似。又如有一种灌溉设备,用短柱或树杈支撑一根横木,横木一端挂水桶,另一端系重物,提水时可以省力。

 静力学的发端  中国春秋时期墨翟及其弟子的著作《墨经》(公元前4~公元前3世纪)
中,有涉及力的概念、杠杆平衡、重心、浮力、强度、刚度的叙述。古希腊阿尔库塔斯的著作中也有关于静力学的记录。为静力学奠定基础的是阿基米德,他在研究杠杆平衡、平面图形重心位置时,先建立一些公设,而后用数学论证的方法导出一些定理,阿基米德关于杠杆公设之一是:不等距的等重不能平衡,杠杆将向距离大的一侧倾斜。约公元一世纪,亚历山大的希罗更明确为平衡时“运动着的力和所经历的时间成反比”。经过一千多年的发展, 运动方法演化为虚位移原理,几何方法演化为用力矩表达的平衡条件。

 有关运动的观念  古代对机械运动的描述只限于匀速直线和匀速圆周运动,亚里士多德
认为行星轨道应是zui的圆。托勒密的地心说认为,太阳绕地球作匀速圆周运动,行星绕太阳作匀速圆周运动;至于运动和力的关系,古人尚无正确的认识。对运动的记录大多停留在定性的描述,许多和哲学观点相。

 生产技术和力学  古代的建筑工程和器物制造反映出当时的力学水平。阿基米德制造过
能牵动船只的机械、表示日月运行的机械,但他认为这不能和纯科学相提并论。这种把以数学为根据的力学理论和工程技术中于应用的力学分离开来的观点在后世时隐时现。中国对力学的理解只能在技术应用中看到,而理论上的说明始终未能越出定性描述的范围。都江堰工程约兴建于公元前3世纪,由分洪工程、开凿工程和闸坝工程组成一个整体,它经历历代整修至今仍在发挥作用。中国音律所采用的三分损益律: 各音程比(即振动频率比) 交错地为三比二、三比四,这反映了中国早期乐器制造方面的理论水平。古罗马建筑师维特鲁威著有《论建筑》,讨论了起重机械和建筑结构形式。罗马帝国在公元100年左右已建成许多水道。

  现存法国南部的尼姆渡槽长40公里,离地面约48米,结构采用多层半圆石拱形式。中国张衡制造的地动仪中采用可在地震时丧失平衡的倒立柱子来带动机构使龙口中含的铜丸落入下面蟾蜍口中以指明地震震源的方向。
中世纪的力学(6-16世纪)  


  西罗马帝国灭亡后,欧洲进入了中世纪。古希腊罗马的科学通过阿拉伯人得以继承和发展。欧洲的科学进展迟缓,到文艺复兴时期才得以回升,而中国的科学技术沿袭原有传统,并在12~13世纪达到高峰。这些特点也反映在力学中以下按地区介绍这个时期的力学成就。

阿拉伯  阿拉伯人在7~8世纪兴起以后,搜罗和保存古希腊罗马的典籍,包括数学、
天文、物理等方面的著作,并把许多著作译成阿拉伯文。阿拉伯人继承并发展了关于静力学中平衡规律和运动学方面的知识。塔比·本·库拉的《秤书》从运动学观点讨论杠杆平衡条件,他说平衡时“运动力”由力和运动的距离两者决定。哈齐尼的《智慧之重》一书中记载了多种金属的比重。天文学家巴塔尼观测了太阳远地点的进动。12~13世纪,许多科学著作陆续由阿拉伯文译成拉丁文并传入欧洲。

欧 洲  在这一千多年中,欧洲的科学神学的束缚,进展很慢。宗教势力把古人的学
说化,不容许违犯。原来限于当时历史条件不完整的认识,这时成为阻碍科学进步的教条。唯名主义尊重事实,在和这些教条作斗争中,促进了科学的发展。但欧洲科学的回升在文艺复兴时代。这时资本主义的生产方式已逐渐形成并开始发展。远洋航行和探险事业应运而生。中国古代的重大发明造纸、火药、指南针、印刷术等先后传入欧洲。在力学方面, 达·芬奇研究过斜抛体和自由落体的运动,以及摩擦对物体运动的影响,还作过铁丝的拉伸强度试验。乌巴尔迪在其《力学卷》利用虚速度列出平衡条件。

中 国  这一千多年中.中国的科学技术按照固有的传统发展着。当时欧洲科学受到
神学的束缚时,中国的科学技术总的来说居于世界地位。力学科学仍然以和工程技术、生产应用相结合的形式出现。但仍然未能作逻辑分析推理,特别是未能作数学分析。一些尚存的建筑物从它们的结构中反映出当时所具备的力学知识:591~599年建筑的赵州桥,跨度37.4米,采用拱券高只有7米的浅拱;1056年建成的山西应县木塔,采用筒式结构和各种斗拱,900多年来经受过多次地震的考验。利用反推力的带火药的箭是火箭的雏形。宋代李诫的《营造法式》指出梁截面高与宽之比以3:2为好。沈括的《梦溪笔谈》记载了频率为1:2的琴弦共振,既固体弹性波的空腔效应等力学知识。

  当欧洲资本主义萌芽、科学技术开始复苏时,中国仍处于封建社会,科学技术仍以旧的方式缓慢地前进,科学水平渐渐落后于欧洲。除了封建社会统治这个社会原因外,就科学本身而言,可能是中国传统的科学始终没有出现象古希腊阿基米德那种严格推理的风尚,也没有后来欧洲出现的科学实验,而一直停留在综合而不是分析、定性而不是定量的描述上。在力学中始终没有提炼出加速度的概念,也就不可能建立力学的科学体系.经典力学是从欧洲传入中国的,这个输入从明末开始,由于闭关自守,中间中断了一百多年。19世纪中叶西方科学再度传入中国。从此中国的力学随着世界潮流前进。
力学主要分支的建立(19世纪)  


  19世纪,欧洲主要国家相继完成了产业革命.以机器为主体的工厂制度代替了手工业和工场手工业.大机器生产对力学提出更高的要求.客观现实促进了力学在工程技术和应用方面的发展.另一方面,一些学者又竭力实现力学体系的完善化,把力学同当时蓬勃发展的数学理论广泛结合,促使力学原理的应用范围从质点系、刚体扩大到可变固体和流体.弹性固体和粘性流体的基本方程同时诞生,标志着数学弹性力学和水动力学两分支的建立,也标志着力学开始从物理学中分离出来.

 结构力学和弹性力学   19世纪中固体方面的力学的发展,除材料力学更趋完善并逐渐
发展为杆件系统的结构力学外,主要是数学弹性力学的建立。材料力学、结构力学与当时土木建筑技术、机械制造、交通运输等密切相关,而弹性力学在当时很少有直接的应用背景,主要是为探索自然规律而作的基础研究。
  1807年T.杨提出弹性模量的概念,指出剪切和伸缩一样,也是一种弹性变形.虽然杨氏模量的形式与现代定义不一样,但杨的工作成为弹性理论建立的前奏。弹性力学基本方程建立后A.J.C.B.de圣维南着手方程求解,得到一些有价值的原则结果。

水力学和水动力学  这一时期内有关流体方面的力学发展情况类似于固体方面,在实践
的推动下水力学发展出不少经验公式或半经验公式;另一方面在数学理论上zui主要的进展是粘性流体运动基本方程,即纳维-斯托克斯方程的建立。

  力学知识zui早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、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、吸水器具,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、物体在水中受到浮力等作了系统的研究,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,zui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系;这方面的标志是J.Ie.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。至此以前,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二者的结合,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,继续在物理系中起作用。从牛顿到哈密顿的理论体系组成物理学中的经典力学和牛顿力学。在弹性和流体基本方程建立后,所给出的方程一时难以求解,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,水利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。这种理论和实际密却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发展。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象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甚称,其中有些在当时世界居于地位。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。
经典力学的建立(17世纪初-18世纪末)  


  近二百年中,欧洲资本主义生产方式陆续取代了封建的生产方式。商业和航海的迅速发展,需要科学技术。17世纪中叶,欧洲各国纷纷成立科学院,创办科学期刊。航海需要观测,天文观测和对天体运动规律的研究受到重视。从力学学科本身说,天体受力和运动比地上物体的受力和运动单纯。因此,力学中的规律往往首先在天体运行研究中被发现。

 动力学  伽利略对动力学的主要贡献是他的惯性原理和加速度实验。他研究了地面
上自由落体、斜面运动、抛射体等运动, 建立了加速度概念并发现了匀加速运动的规律。C.惠更斯在动力学研究中提出向心力、离心力、转动惯量、复摆的摆动中心等重要概念。I.牛顿继承和发展了这些成,提出物体运动规律和万有引力定律。运动三定律是:
*定律:  任何一个物体将保持它的静止状态或作匀速直线运动,除非有施加
 于它的力迫使它改变此状态。
  
第二定律:  物体运动量的改变与施加于的力成正比,并发生于该力的作用线方
 向上。
  
第三定律:  对于任何一个作用必有一个大小相等而方向相反的反作用。
  欧拉是继牛顿以后对力学贡献zui多的学者.除了对刚体运动列出运动方程和动力学方程并求得一些解外,他对弹性稳定性作了开创性的研究,并开辟了流体力学的理论分析,奠定了理想流体力学的基础,在这一时期经典力学的创建和下一时期弹性力学、流体力学成长为独立分支之间,他起到了承上启下的作用.

 静力学和运动学  静力学和运动学可以看作是动力学的组成部分,但又具有独立的性
质.它们是在动力学之前产生的,又可以看作是动力学产生的前提。斯蒂文从“*运动不可能”公设出发论证力的平行四边形法则,他还在前人用运动学的观点解释平衡条件的基础上,得到虚位移原理的初步形式。为拉格朗日的分析力学提供依据。力系的简化和平衡的系统理论,即静力学的体系的建立则是L.潘索在《静力学原理》一书中完成的。在运动学方面,伽利略提出加速度以后,惠更斯考虑点在曲线运动中的加速度。刚体运动学的研究成果则属于欧拉、潘索。物理学家A.-M安培提出“运动学”一词,并建议把运动学作为力学的独立部分。至此,力学明确分为静力学、运动学、动力学三部分。

 固体和流体的物性  在建立运动和平衡基本定律的同时,有关物质力学性能的基本定
律也在实验的基础上建立起来。R.胡克1660年在实验室中发现弹性体的力和变形之间存在着正比关系。在流体方面,B.帕斯卡指出不可压缩静止流体各向压力(压强)相同。牛顿在《自然哲学的数学原理》中指出流体阻力与速度差成正比,这是粘性流体剪应力与剪应变之间正比关系的zui初形式.1636年M.梅森测量了声音的速度。R.玻意耳于1662年和E.马略特于1676年各自独立地建立气体压力和容积关系的定律。上述对物性的了解对后来弹性力学、粘性流体力学、气体力系等学科的出现作了准备。

 应用力学  许多学者的研究工作是和工匠一起进行的。惠更斯和一些钟表匠一起制
造钟表。玻意耳和工匠帕潘一起研制水压机。A.帕伦不仅研究梁的弯曲问题,也研究水轮机的效率问题。许多有工程实际意义的方法产生了,如兰哈尔的半圆拱的计算方法,静力学中伐里农的索多边形方法。
研究方法  


  力学研究方法遵循认识论的基础法则:实践-理论-实践。力学作为基础科学和作为技术科学从不同侧面反映这个法则。力学家们根据对自然现象的观察,特别是定量观察的结果,根据生产工程中积累的经验或数据的关系。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,摒弃或暂时摒弃一些次要因素。力学中把这种过程称为建立模型。质点、质点系、刚体、弹性体、粘性流体、连续介质等各种不同模型。在模型的基础上可以运用已知的力学的或物理学的规律(必要时作一些假设)以及合适的数学工具进行理论上的演绎中,为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,又是单纯数字,不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。根据*个实践环节所得理论结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第二个实践环节加以验证。采用上述无量纲参数以及通过有关的量纲分析使得这种验证能更广泛的范围内进行。对一个单独的类型课题或研究任务来说,这种实践和理论环节不一定能分得清,也可能和其他课题或任务的某个环节相互交叉,相互影响。课题或任务中每一项具体工作又可能只涉及一个环节或一个环节的一部分。因此,从局部看来,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;有些着重在天文观测和考察自然现象中积累数据;而更大量的则是着重在运用现有力学知识来解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。每一项工程又都需要具备自身有关的知识和其他学科的配合。数学推理需要各种现代数学知识,包括一些抽象数学分支的知识。数值方法和近似计算要了解计算技术、计算方法和计算数学。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。应用研究更需要对运用对象的工艺过程、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。从力学研究和对力学规律认识的整体来说,实践是检验理论正确与否的*标准。以上各种工作都是力学研究不可缺少的部分。
学科性质  


  力学原是物理学的一个分支。物理科学的建立则是从力学开始的。在物理科学中,人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动,如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。当物理学摆脱了这种机械(力学)的自然观而获得健康发展时,力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化,逐渐从物理学中独立出来。20世纪初,相对论指出牛顿力学不适用于速度接近光速或者宇宙尺度内的物体运动;20年代,量子力学指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映人们对力学认识的深化,即认识到物质在不同层次上的机械运动规律是不同的。通常理解的力学只以研究宏观的机械运动为主,因而有许多带“力学”名称的学科如热力学、统计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等习惯上被认为是物理学的分支,而不属于力学的范围。但由于历史上的原因,力学和物理学仍有着特殊的亲缘关系,特别是在以上各“力学”分支和牛顿力学之间,许多概念、方法、理论都有不少相似之处。
  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定性理论,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,是一门基础学科,它所阐明的规律带有普遍性质。
  力学又是一门技术科学,它是许多工程技术的理论基础,又在广泛的应用工程中不断得到发展。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以起着举足轻重的作用。工程学越分越细,各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分支的形成和发展。现在,无论是历史较久的土木工程、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,只是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界和改造自然两个方面作出了贡献
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。
  力学也可按所研究的对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支,流体包括流体和气体。固体力学和流体力学可统称为连续介质力学,它们通常都采用连续介质模型。固体力学和流体力学从力学分出后,余下部分组成一般力学。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、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而出现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。属于固体力学的有早期形成的材料力学、结构力学,稍后形成的弹性力学、塑性力学,近期出现的散体力学、断裂力学等流体力学是由早期多相流体力学、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、水动力学实验和空气动力实验等。着 用数值计算手段的计算力学是广泛使用电子计算机后出现的,其中有计算结构力 学、计算流体力学。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学科分支, 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分支,zui早的是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、 物理-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。
  力学分支的这种错综复杂情况是自然科学研究中综合和分析这两个不可分割的方面在力学发展过程中的反映。科学的发展总是分中有合,合中有分。
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