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力学

力学

百科名片

力学之父牛顿

力学是物理学的一个分支，主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。

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。

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。

　　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

宇宙体系图

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。

　　力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。

力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。

　　机械运动是物质运动的最基本的形式。

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，则是其中的特殊情况。

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。

　　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，则意味着各作用力在某种意义上的平衡。

因此，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μηχανη──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。

齿轮

力学总体介绍

　　通常理解的力学，是指一切研究对象的受力和受力效应的规律及其应用的学科的总称。

人类早期的生产实践活动是力学最初的起源。

　　物理学的建立是从力学开始的，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。

最终，力学和物理学各自发展成为自然学科中两个相互独立的、自成体系的学科分类。

在力学与物理学之间不存在隶属关系。

　　按研究对象的物态进行区分，力学可以分为固体力学和流体力学。

根据研究对象具体的形态、研究方法、研究目的的不同，固体力学可以分为理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、板壳力学、塑性力学、断裂力学、机械振动、声学、计算力学、有限元分析等等，流体力学包含流体力学、流体动力学等等。

根据针对对象所建立的模型不同，力学也可以分为质点力学、刚体力学和连续介质力学。

连续介质通常分为固体和流体，固体包括弹性体和塑性体，而流体则包括液体和气体。

　　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，在习惯上

固体力学表示图

被认为是物理学的其它分支，不属于力学的范围。

　　力学具备完整的学科结构和体系。

力学是机械工程、土木工程、道路桥梁、航空航天工程、材料工程等的基础，在人类的实践活动中无处不在，并且深刻地影响着人类的实践活动。

理论力学介绍

　　理论力学是研究物体的机械运动规律及其应用的科学，理论力学是力学的学科基础。

　　它可分为静力学、运动学和动力学三部分：

①静力学：

研究物体在平衡状态下的受力规律；②运动学：

研究物体机械运动的描述，如速度、切向加速度、法向加速度等等，但不涉及受力；③动力学：

讨论质点或者质点系受力和运动状态的变化之间的关系。

　　16世纪到17世纪间，理论力学开始发展为一门独立的、系统的学科。

伽利略通过对抛体和落体的研究，提出惯性定律并用以解释地面上的物体和天体的运动。

17世纪末牛顿提出力学运动的三条基本定律，使经典力学形成系统的理论。

根据牛顿三定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行星的运动轨道。

此后两个世纪中在很多科学家的研究与推广下，终于成为一门具有完善理论的经典力学。

阿基米德

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、汲水等器具，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。

牛顿继承和发展前人的研究成果（特别是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，力学的研究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。

这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。

其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。

　　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纳维、柯西、泊松、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。

　　从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。

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。

开普勒

20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，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等。

　　这时的先导者是普朗特和卡门，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20世纪60年代起，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。

　　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。

到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。

　　力学不仅是一门基础科学，同时也是一门技术科学，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就已经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，促使了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。

　　力学既是基础科学又是技术科学这种二重性，有时难免会引起分别侧重基础研究和应用研究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，它们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。

　　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，流体包括液体和气体；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的模型。

固体力

1220S电脑全自动插拔力试验机

学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。

　　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、固体力学和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出现了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；属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成，现在则有空气动力学、气体动力学、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。

着重用数值计算手段的计算力学，是广泛使用电子计算机后才出现的，其中有计算结构力学、计算流体力学等。

对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。

　　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。

科学《力学篇》文书

力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和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、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。

　　20世纪以来，力学有了很大的发展，创立了一系列重要的新概念、新理论和新方法。

力学与其它学科的交叉和融合日显突出，形成了许多力学交叉学科：

力学与物理学的交叉形成了物理力学，与生命科学的交叉形成了生物力学，与环境科学和地学的交叉形成了环境力学，以及爆炸力学、等离子体力学等都形成了力学的新的学科生长点，不断地丰富着力学的研究内容和方法，并使力学学科始终保持着旺盛的生命力。

同时，人类社会和经济发展的更高需求将不断促进力学与其他学科的交叉，促进力学交叉学科发展到一个崭新的阶段。

　　力学研究方法遵循认识论的基本法则：

实践——理论——实践。

　　力学家们根据对自然现象的观察，特别是定量观测的结果，根据生产过程中积累的经验和数据，或者根据为特定目的而设计的科学实验的结果，提炼出量与量之间的定性的或数量的关系。

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，屏弃或暂时屏弃一些次要因素。

　　力学中把这种过程称为建立模型。

质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是各种不同的模型。

在模型的基础上可以运用已知的力学或物理学的规律，以及合适的数学工具，进行理论上的演绎工作，导出新的结论。

　　依据所得理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加

力学试验仪器

以验证。

在理论演绎中，为了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，又是单纯的数字，不受尺寸、单位制、工程性质、实验装置类型的牵制。

　　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；有些着重实验技术等等。

而更大量的则是着重在运用现有力学知识，解决工程技术中或探索自然界奥秘中提出的具体问题。

　　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。

应用研究更需要对应用对象的工艺过程、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。

　　力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本据。

机械运动是物质运动的最基本的形式。

机械运动亦即力学运动。

　　在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。

最突出的有：

以人类登月、建立空间站、

人类登上了月球

航天飞机等为代表的航天技术；以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术；以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的机械工业，可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台；以排水量达5×105t的超大型运输船和航速可达30多节、深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业；可以安全运行的原子能反应堆；在地震多发区建造高层建筑；正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车，等等，甚至如两弹引爆的核心技术，也都是典型的力学问题。

　　总之还有许多的问题。

自然哲学数学原理文书

《自然哲学的数学原理》（又译《自然哲学之数学原理》，拉丁文：

PhilosophiaeNaturalisPrincipiaMathematica），是英国伟大的科学家艾萨克·牛顿的代表作。

成书于1687年。

简介

　　《自然哲学的数学原理》是第一次科学革命的集大成之作，被认为是古往今来最伟大的科学著作，它在物理学、数学、天文学和哲学等领域产生了巨大影响。

在写作方式上，牛顿遵循古希腊的公理化模式，从定义、定律（公理）出发，导出命题；对具体的问题（如月球的运动），他把从理论导出的结果和观察结果相比较。

全书共分五部分，首先“定义”，这一部分给出了物质的量、时间、空间、向心力等的定义。

第二部分是“公理或运动的定律”，包括著名的运动三定律。

接下来的内容分为三卷。

前两卷的标题一样，都是“论物体的运动”。

第一卷研究在无阻力的自由空间中物体的运动，许多命题涉及已知力解定受力物体的运动状态（轨道、速度、运动时间等），以及由物体的运动状态确定所受的力。

第二卷研究在阻力给定的情况下物体的运动、流体力学以及波动理论。

压卷之作的第三卷是标题是“论宇宙的系统”。

由第一卷的结果及天文观测牛顿导出了万有引力定律，并由此研究地球的形状，解释海洋的潮汐，探究月球的运动，确定彗星的轨道。

本卷中的“研究哲学的规则”及“总释”对哲学和神学影响很大。

1.阿基米德

　　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。

2.伽利略

　　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。

3.牛顿

　　牛顿继承和发展前人的研究成果（特别是开普勒的行星运动三定律），提出物体运动三定律。

4.阿尔伯特·爱因斯坦

　　相对论的创建人，对牛顿力学的诸多问题进行整改、修复和完善，开启了物理学的新纪元。

（１）固体力学

　　经典的连续介质力学将可能会被突破。

新的力学模型和体系，将会概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素，以及这些因素的演化，从而使复合材料（包括陶瓷、聚合物和金属）的强化、韧化和功能化立足于科学的认识之上。

　　固体力学将融汇力-热-电-磁等效应。

机械力与热、电、磁等效应的相互转化和控制，目前大都还限于测量和控制元件上，但这些效应的结合孕育着极有前途的新机会。

近来出现的数百层叠合膜“摩天大厦”式的微电子元器件，已迫切要求对这类力-热-电耦合效应做深入的研究。

以“Mechronics”为代表的微机械、微工艺、微控制等方面的发展，将会极大地推动对力-热-电-磁耦合效应的研究。

（2）流体力学

　　今后，空天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展。

在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定。

吸气式发动机中H2，O2在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践未能解决的难题。

超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带来一系列新问题。

（3）一般力学

　　一般力学近来已开始进入生物体运动问题的研究，研究了人和动物行走、奔跑及跳跃中的力学问题。

这种在宏观范围内对生物体进行的研究，已经带来了一些新的结果。

亿万年生物进化的结果，的确把优化的运动机能赋与了生存下来的物种。

对其进一步研究，可以提供生物进化方向的理性认识，也可为人类进一步提高某些机构或机械的性能提供方向性的指导。

以下几个方面的问题应当给予充分重视：

（1）固体的非平衡/不可逆热力学理论；

（2）塑性与强度的统计理论；（3）原子乃至电子层次上子系统（原子键，位错，空位等缺陷）的动力学理论。

为深入进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟（如分子动力学）和现代宏、细、微观实验与观测技术。

工科离不开力学，在工科基础课中，开设了不同的力学课程：

理论力学，假设物体不发生变形，用传统数学物理方法研究一切质点，物体的运动，静力学和动力学原理，机械原理的理论基础。

材料力学，传统方法研究物体在各种载荷下，包括静力，静扭矩，静弯矩，振动，碰撞等，机械零部件和装配设计，机械加工的理论基础。

流体力学，研究一切流体在容器、管道中运动规律和力学特性，液压、气动、热分析的理论基础。

分析力学，使用计算数学方法分析力学有限元素法，把受力对象拆解成有限个元素，对每个元素进行受力分析，通过联立偏微分方程组，用泛函求解，计算出每个元素，每个节点的应力应变。

联立方程组可化为刚度矩阵和自由度组成的矩阵方程。

（4）生物力学

　　当今生物力学发展正经历着深刻的变化。

生命科学与包括力学在内的基础和工程科学交叉、融合目前已愈来愈成为当今生命科学的研究热点，同时也是力学学科的新生长点。

基础研究逐步精细化及定量化，大量数据的积累要求模型化及数学化，为生物力学研究开辟了新的用武之地。

现代分子和细胞生物学既提出大量新课题，又带来了许多新工具，推动着生物力学由宏观向微（细）观深入、并强调宏-微（细）观相结合。

实际应用的不断涌现，催生着以解决与应用相关的工程技术问题为目标的新的生物工程学。

这一新的生物工程学远远超出了基于微生物的、以发酵工程为标志的生物技术及以医疗仪器研发为目标的生物医学仪器这两个传统的领域。

不断寻求新的力学和物理原理与方法，与生命科学及其它基础和工程科学进一步融合，已成为当今生物力学发展的主要特色。

当今生物力学正经历从“X×Bio=Bio-X”（交叉）到“Bio×X=X-Bio”（融合）的转变。

在基础研究层面上，它将与生物物理学、生物数学、生物信息学、生物化学等紧密结合，重点研究生物学的定量化和精确化问题；在应用研究层面上，组织工程、药物设计与输运、血流动力学、骨-肌肉-关节力学等正在或已经得到临床或工业界的认同，其核心是解决关键技术问题。

　　当前生物力学的发展特点可大致归纳为：

内涵扩大（生物医学工程；生物工程），有机融合（生命科学与基础和工程科学），微观深入（细胞-亚细胞-分子层次；定量生物学），以及宏观-微观相结合（组织工程、器官力学；信息整合与系统生物学）。

宏观生物力学研究仍为主流，但宏观-微观相结合、微观生物力学研究发展十分迅速。

当前生物力学发展的前沿领域主要包括：

1）细胞-分子力学；2）器官-组织力学；3）骨骼-肌肉-关节力学；4）生物力学新概念、新技术与新方法等。

（5）环境力学

　　环境力学是力学与环境科学相互结合而形成一门新兴交叉学科，主要研究自然环境中的变形、破坏、流动、迁移及其伴随的物理、化学、生物过程和导致的物质、动量、能量输运，定量化描述环境的演化规律和对人类生存环境的影响。

环境力学的发展十分有利于深化人们对环境问题中的物理过程和基本规律的认识，促进环境问题的定量化研究。

　　21世纪的环境力学研究，既要注重学科发展的自身规律和要求，又要紧密结合国家需求和工程实际，将机理研究、规律分析与防治措施有机地结合起来。

结合我国的经济和社会发展需求，我国的环境力学研究必须抓住一个基础（复杂介质流动和多过程耦合）、两个经济发展地区（西部和沿海）、三个方面（水环境、大气环境、灾害与安全），确立重点发展领域，促进学科的发展。

　　一方面，强调环境力学中的共性科学问题，包括：

（1）环境流动与输运的基本方程和求解方法；

（2）气、液、固界面的耦合；（3）多相、多组分、多过程，以及多尺度的耦合分析等；（4）“环境力学”中模型实验的尺度效应问题等。

　　另一方面，瞄准西部开发和沿海经济开发，以及重大工程和影响的实际环境问题，包括：

（1）西部干旱、半干旱环境治理的动力学过程—土壤侵蚀机理、沙尘暴形成和输送机理、以及荒漠化治理；

（2）以水或气为载体的物质输运过程—污染物排放过程的精确预报、河口海岸泥沙、污染物输运及其对生态环境的影响规律；（3）重大环境灾害发生机理及预报—热带气旋、风暴潮/洪水预测、滑坡/泥石流产生机理、全球变暖等