力學又稱經典力學,是壹門研究正常大小的物體在受力情況下的變形以及速度遠低於光速的運動過程的自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎。機械、建築、宇宙飛船和船只的合理設計必須以經典力學為基礎。
機械運動是物質運動的最基本形式。機械運動,即機械運動,是物質在時空中位置的變化,包括運動、旋轉、流動、變形、振動、波動和擴散。平衡或靜止是壹個特例。物質運動的其他形式包括熱運動、電磁運動、原子及其內部運動和化學運動。
力是物質之間的相互作用,機械運動狀態的變化就是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變,這意味著在某種意義上力是平衡的。因此,力學可以說是力和(機械)運動的科學。
力學在中文裏的意思是力的科學。中文“力”這個詞最初是表示手臂的用力,後來包含了其他意思,但與機械或運動沒有直接關系。“mechanics”壹詞翻譯自英文mechanics(來源於希臘語μ η χ α ν η-machinery)。在英語中,力學是壹個多義詞,可以解釋為“力學”、“力學”、“結構”。在其他歐洲語言中,這個詞的詞源和語義與英語相同。漢語中沒有對應的多義詞。力學在20世紀50年代作為研究力量的學科術語引入中國時,被翻譯為“強調學習”,後來又被譯為“力學”,壹直沿用至今。“mechanical”和“mechanical”在英語中都是機械的意思,而“mechanical”在現代漢語中可以理解為“剛性”。這種不同語言詞義範圍的差異,有時會造成國際學術交流的波折。比如機械論自然觀,其實指的是用力學來解釋自然觀,而英語機械論者指的是壹個技工,而不是機械師。
發展簡史
機械知識起源於對自然現象的觀察和生產勞動中的經驗。人們在建築、灌溉等勞動中使用杠桿、斜面、抽水等器具,逐漸積累平衡物體受力情況的知識。古希臘的阿基米德對杠桿平衡、物體的重心位置和物體在水中的浮力進行了系統的研究,確定了它們的基本規律,初步奠定了靜力學即平衡的理論基礎。
古人還從對日月運行的觀察和對弓箭、車輪的使用中,了解到壹些簡單的運動規律,如勻速運動、自轉等。但是,力與運動的關系是在歐洲文藝復興之後才逐漸被認識的。
伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上,首先闡述了自由落體定律,提出了加速度的概念。牛頓繼承和發展了前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律),提出了物體運動三定律。伽利略和牛頓奠定了動力學的基礎。牛頓運動定律的建立標誌著力學作為壹門科學的開始。
從此,力學的研究對象從單壹的自由質點,變成了受約束的質點和受約束的質點系。這方面的標誌是達朗貝爾提出的達朗貝爾原理和拉格朗日建立的分析力學。後來,歐拉進壹步將牛頓運動定律應用於剛體和理想流體的運動方程,被視為連續介質力學的開端。
運動定律和物理性質定律的結合,使彈性固體力學的基礎理論和粘性流體力學的基礎理論成為世界上的孿生兄弟。納維德、柯西、泊松、斯托克斯等人都在這方面做出了貢獻。彈性力學和流體力學基本方程的建立,使力學逐漸脫離物理學,成為壹門獨立的學科。
從牛頓到漢密爾頓的理論體系構成了物理學中的經典力學。彈性和流體基本方程建立後,給定的方程壹時難以求解,工程技術中的許多應用力學問題必須用經驗或半經驗的方法來解決。這就使得19世紀下半葉,材料力學、結構力學和彈性力學、水力學和流體力學的風格壹直是顯著不同的。
20世紀初,隨著新的數學理論和方法的出現,力學研究蓬勃發展,許多新的理論被創立,也解決了壹大批工程技術中的關鍵問題,如航空工程中的音障、航天工程中的熱障等。
此時的開創者是普朗特和卡門,他們在力學研究中善於從復雜的現象中理解事物的本質,並且能夠找到合適的數學方法來解決問題,逐漸形成了壹套獨特的方法。自20世紀60年代以來,計算機得到了廣泛的應用,力學在應用和理論上都取得了新的進展。
中國力學的發展經歷了壹個特殊的過程。幾乎與古希臘同時,中國已經擁有了相當水平的關於平衡和簡單運動形式的力學知識,但不同的是,它沒有像阿基米德那樣建立理論體系。到明末清初,中國在科學技術上明顯落後於歐洲。
主體性質
物理科學的建立是從力學開始的。在物理科學中,人們已經用純力學理論解釋了機械運動以外的各種運動形式,如熱、電磁、光、分子和原子運動。當物理學擺脫了這種機械(力學)的自然觀而健康發展,力學在工程技術的推動下按照自己的邏輯進壹步進化,逐漸從物理學中獨立出來。
20世紀初,相對論指出牛頓力學不適用於高速或宇宙尺度的物體運動。20世紀20年代,量子論指出牛頓力學不適用於微觀世界。這反映了人們對力學認識的深化,即認識到不同層次物質的力學運動規律是不壹樣的。所以通常理解的力學是指以宏觀機械運動為研究內容的物理學的壹個分支。許多學科以“力學”為名,如熱力學、統計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等。,習慣上被視為物理學的其他分支,不屬於力學的範疇。
力學和數學在發展中壹直是互相促進,互相推動的。壹個力學理論往往伴隨著相應的數學分支,如運動和微積分的基本定律,運動方程和常微分方程的求解,彈性和流體力學的理論和數學分析,天體力學中運動穩定性和微分方程的定性理論。因此,甚至有人認為力學也應該是壹門應用數學。但是力學和物理學的其他分支壹樣,仍然需要壹個實驗基礎,而數學尋求的是比力學更普遍的數學關系,兩者的研究對象不同。
力學既是壹門基礎科學,也是壹門技術科學,是許多工程技術的理論基礎,並在廣泛應用的過程中不斷發展。當工程學只分為土木工程和軍事工程兩個分支時,力學已經在這兩個分支中起了決定性的作用。工程越細致,各個分支的進度越關鍵,取決於力學中運動規律、強度、剛度等問題的解決。
力學與工程的結合促進了工程力學各分支的形成和發展。現在無論是歷史悠久的土木工程、建築工程、水利工程、機械工程、船舶工程,還是航空工程、航天工程、核技術工程、生物醫學工程等。,或多或少都有工程力學的場地。
力學既是基礎科學又是技術科學的雙重性有時不可避免地導致分別側重於基礎研究和應用研究的力學工作者之間的不同觀點。但這種二元性也讓力學引以為豪,他們為溝通人類對自然的認識和對自然的改造做出了貢獻。
學科分類
力學大致可以分為三部分:靜力學、運動學和動力學。靜力學研究力的平衡或物體的靜態問題。運動學只考慮物體如何運動,不討論它與力的關系;動力學討論物體的運動和它所受的力之間的關系。
力學根據研究對象也可以分為三個分支:固體力學、流體力學和普通力學。流體包括液體和氣體。固體力學和流體力學可以統稱為連續介質力學,通常采用連續介質模型。固體力學和流體力學從力學中分離出來後,剩下的就構成了普通力學。
壹般力學通常是指以質點、質點系、剛體和剛體系統為研究對象的力學,有時也以抽象的動力系統為研究對象。普通力學不僅研究離散系統的基本力學規律,還研究與現代工程技術相關的壹些新興學科的理論。
在普通力學、固體力學和流體力學三個主要分支的發展過程中,由於研究對象或模型的不同,出現了壹些分支和研究領域。普通力學包括理論力學(狹義)、分析力學、外彈道學、振動理論、剛體動力學、陀螺力學、運動穩定性等。固體力學包括材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學等。流體力學由早期的水力學和流體力學兩個不同風格的分支匯合而成,現在又有空氣動力學、氣體動力學、多相流體力學、滲流力學、非牛頓流體力學等分支。由於各種分支的交叉,產生了粘彈性理論、流變學、氣動彈性等。
力學根據研究中使用的主要手段也可以分為三個方面:理論分析、實驗研究和數值計算。實驗力學包括實驗應力分析、流體力學實驗和空氣動力學實驗。以數值計算手段為主的計算力學是在電子計算機大量使用後出現的,包括計算結構力學和計算流體力學。對於壹個具體的力學課題或研究項目,往往需要理論、實驗、計算的配合。
力學在工程技術中的應用,產生了工程力學或應用力學的各種分支,如土力學、巖石力學、爆炸力學、復合材料力學、工業空氣動力學、環境空氣動力學等。
力學與其他基礎科學的結合也產生了壹些交叉的分支,最早的是天體力學與天文學的結合。到了20世紀,特別是20世紀60年代以後,這樣的交叉分支就更多了,包括物理力學、化學流體力學、等離子體動力學、電流體動力學、磁流體力學、熱彈性力學、理性力學、生物力學、生物流變學、地質力學、地球動力學、地球動力學、地球流體動力學等等。
主要理論
1.物體運動三定律。
2.達朗貝爾原理
3.分析力學理論
4連續介質力學理論
5.彈性固體力學基礎理論
6.粘性流體力學基礎理論
研究方法
力學的研究方法遵循認識論的基本規律:實踐-理論-實踐。
力學根據對自然現象的觀察,特別是定量觀察的結果,生產過程中積累的經驗和數據,或為特定目的而設計的科學實驗的結果,提煉出量與量之間的定性或定量關系。為了使這種關系反映事物的本質,力學要善於抓住主要因素,排斥或暫時排斥壹些次要因素。
在力學中,這個過程叫做建模。質點、質點系、剛體、彈性固體、粘性流體和連續介質都是各種不同的模型。在模型的基礎上,我們可以利用已知的力學或物理學定律和適當的數學工具進行理論推導,得出新的結論。
根據所得理論建立的模型是否合理,需要通過新的觀察、工程實踐或科學實驗來驗證。在理論推導中,為了使理論更具壹般性和適用性,經常使用雷諾數、馬赫數、泊松比等無量綱參數。這些參數不僅反映了物理本質,而且是簡單的數字,不受大小、單位制、工程性質和實驗裝置類型的限制。
力學研究的工作方法多種多樣:有的是純數學推理,甚至註重理論體系的邏輯完善;有的強調數值方法和近似計算;有的側重實驗技術之類的。更多的是著眼於利用現有的機械知識解決工程技術中提出的具體問題或探索自然的奧秘。
大型風洞、水洞等現代機械實驗設備本身就是壹項綜合性的科技工程,需要多工種、多學科的配合。應用研究需要對應用對象的工藝流程、材料特性和技術關鍵有清晰的認識。在力學的學習中,既有細致獨立的分工,也有全面綜合的協作。
應用領域
力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎。機械、建築、宇宙飛船和船只的合理設計必須以經典力學為基礎。機械運動是物質運動的最基本形式。機械運動也是機械運動。
在力學理論的指導或支撐下,有無數的工程技術成果。最突出的有:以人類登月、建立空間站、航天飛機為代表的航天技術;以超過5倍音速的軍用飛機和起飛重量超過300噸、大小超過半個足球場的民用飛機為代表的航空技術;以單機功率百萬千瓦汽輪機為代表的機械行業,能在驚濤駭浪中安全運行,單個海上采油平臺價值超過6543.8+0億美元;以排水量5×105t的超大型運輸船和航速30節以上、水深幾百米的潛艇為代表的船舶制造業;能夠安全運行的原子能反應堆;在地震多發地區修建高層建築;在陸路交通中正發揮越來越重要作用的高速列車等等,甚至作為兩彈引爆的核心技術,也是典型的力學問題。
重要作品
在1687年7月出版的《自然哲學的數學原理》(拉丁文:Philosophia e naturalis Principia Mathematica)中,牛頓介紹了運動三大基本定律和力學的基本力學量。
顯著
1.阿基米德
古希臘的阿基米德對杠桿平衡、物體的重心位置和物體在水中的浮力進行了系統的研究,確定了它們的基本規律,初步奠定了靜力學即平衡的理論基礎。
2.“伽利略”號
伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上,首先闡述了自由落體定律,提出了加速度的概念。
3.牛頓
牛頓繼承和發展了前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律),提出了物體運動三定律。
發展趨勢
(1)固體力學
經典連續介質力學很可能會被突破。新的力學模型和體系將總結出壹些對宏觀力學行為及其演化敏感的微觀和細觀因素,從而使復合材料(包括陶瓷、聚合物和金屬)的強化、增韌和功能化建立在科學認識的基礎上。
固體力學會綜合力-熱-電-磁的作用。目前,機械力和熱、電、磁效應之間的相互轉換和控制大多局限於測量和控制元件,但這些效應的結合孕育著有希望的新機會。最近出現了數百種疊層薄膜“摩天大樓”微電子元件,迫切需要對這種力-熱-電耦合效應進行深入研究。以“機械電子學”為代表的微機械、微技術和微控制的發展,將極大地推動力-熱-電-磁耦合效應的研究。
(2)流體力學
未來空天飛機和新壹代超音速民用飛機的研制成功,首先取決於流體力學的進步。在相關的高溫空氣動力學中,必須放棄熱力學平衡的原始假設。超聲速氣流下吸氣式發動機中H2和O2的混合和著火都是過去理論和實踐中尚未解決的問題。超音速邊界層的控制、減阻降噪也帶來了壹系列新問題。
(3)普通力學
普通力學最近開始研究生物的運動,研究了人和動物的行走、奔跑、跳躍中的力學問題。這種對生物體的宏觀研究帶來了壹些新的結果。數十億年生物進化的結果確實賦予了幸存物種優化的運動功能。對它的進壹步研究可以為生物進化的方向提供理性的認識,也可以為人類進壹步提高某些機構或機器的性能提供方向性的指導。應充分註意以下問題:(1)固體的非平衡/不可逆熱力學理論;(2)塑性和強度的統計理論;(3)原子甚至電子水平的子系統(原子鍵、位錯、空位和其他缺陷)的動力學理論。為了深入開展這些研究,應充分利用和發展計算機模擬(如分子動力學)和現代宏觀、微觀、微觀實驗和觀測技術。
工程學與力學密不可分,
在工程基礎課程中,提供不同的力學課程:
理論力學,假設物體不變形,用傳統的數學物理方法研究所有粒子的理論基礎,物體運動,靜力學和動力學原理,力學原理。
材料力學,傳統方法研究機械零件和裝配體在各種載荷下的設計和加工的理論基礎,包括靜力、靜扭矩、靜彎矩、振動、碰撞等。
流體力學,研究容器和管道中所有流體的運動規律和力學特性,水力、氣動和熱力分析的理論基礎。
分析力學,用計算數學來分析力學
有限元法是將受力對象分解成有限元,分析每個單元的應力,通過聯立偏微分方程和泛函求解,計算每個單元和每個節點的應力應變。聯立方程可以簡化為由剛度矩陣和自由度組成的矩陣方程。