“力學(xué)”簡介含義起源歷史與發(fā)展

1、力學(xué)力學(xué)是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學(xué)。自然界物質(zhì)有多種層次，從宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規(guī)物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學(xué)以研究天然的或人工的宏觀對象為主。但由于學(xué)科的互相滲透，有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的對象以及有關(guān)的規(guī)律。機械運動亦即力學(xué)運動是物質(zhì)在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉(zhuǎn)動、流動、變形、振動、波動、擴散等，而平衡或靜止，則是 其中的一種特殊情況。 機械運動是物質(zhì)運動的最基本的形式。物質(zhì)運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內(nèi)部的運動和化學(xué)運動等。機械運動并不能脫離其他運動形式獨立存在，只是在研究力學(xué)問題時突出地考慮

2、機械運動這種形式罷了；如果其他運動形式對機械運動有較大影響，或者需要考慮它們之間的相互作用，便會在力學(xué)同其他學(xué)科之間形成交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科。 力是物質(zhì)間的一種相互作用，機械運動狀態(tài)的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態(tài)不變，都意味著各作用力在某種意義上的平衡。力學(xué)，可以說是力和（機械）運動的科學(xué)。力學(xué)在漢語中的意思是力的科學(xué)。漢語 力”字最初表示的是手臂使勁，后來雖又含有他義，但都同機械或運動沒有直接聯(lián)系。力學(xué)”一詞譯自英語 mechanics（源于希臘語 科刀x “ 丫刀機械）。在英語中，mechanics是一個多義詞，既可釋作力學(xué)”，也可釋作 機械學(xué)”、結(jié)構(gòu)”等。在歐洲其他語種中，此

3、詞的語源和語義都與英語相同。漢語中沒有同它對等的多義詞。mechanics在19世紀(jì)50年代作為研究力的作用的學(xué)科名詞傳入中國時，譯作里學(xué)”，后來改譯作 力學(xué)”，一直使用至今。 力學(xué)的”和 機械的”在英語中同為 mechanical,而現(xiàn)代漢語中機械的”又可理解為 刻板的“。這種不同語種中詞義包容范圍的差異，有時引起國際學(xué)術(shù)交流中的周折。例如機械的 (mechanical)自然觀，其實指用力學(xué)解釋自然的觀點，而英語mechanist是指機械師，不是指力學(xué)家。發(fā)展簡史力學(xué)知識最早起源于對自然現(xiàn)象的觀察和在生產(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、汲水器具，逐漸積累起對平衡物體受力

4、情況的認(rèn)識。古希臘的阿基米也對杠桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的 浮力等作了系統(tǒng)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、月運行的觀察和弓箭、車輪等的使用中了解一些簡單的運動規(guī)律，如勻速的移動和轉(zhuǎn)動。但是對力和運動之間的關(guān)系，只是在歐洲文藝復(fù)興時期以后才逐漸有了正確的認(rèn)識。伽利略在實驗研究和理論分析的基礎(chǔ)上，最早闡明自由 落體運動的規(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.開普勒的行星運動三定律)，提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓運動定律的建立標(biāo)志著力學(xué)開始成為一門科學(xué)。此后力學(xué)的進展在于它所考慮

5、的對象由單個的自由質(zhì)點轉(zhuǎn)向受約束的質(zhì)點和受約束的 質(zhì)點系；這方面的標(biāo)志是 J.le R.達朗但_提出的達朗伯原理 和J.-L.拉格朗日建立的分析力學(xué)。L.歐拉又進一步把牛頓運動定律推廣 用于剛體和理想流體的運動方程。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。在此以前，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。運動定律和物性定律這兩者的結(jié)合，促使彈性固體力學(xué)基本理論和粘性流體力學(xué)基本理論攣生于世，在這方面作出貢獻的是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)基本方程的建立,使得力學(xué)逐漸脫離物理學(xué)

6、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)在物理學(xué)中起作用。從牛頓到 W.R.哈密頓的理論體系組成物理學(xué)中的 經(jīng)典力學(xué)或牛頓力學(xué)。在彈性和流體基本方 程建立后，所給出的方程一時難于求解，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,水力學(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)立了許多新的理論，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。

7、這種理論和實際密切結(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，逐漸形成一套特有的方法。從 60年代起，電子計算機應(yīng)用日廣，力學(xué)無論在應(yīng)用上或理論上都有 了新的進展。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像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)進展緩慢，而中國

8、科學(xué)技術(shù)的綜合性成果堪稱卓著，其中有些在當(dāng)時世界居于領(lǐng)先地位。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。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)理論解釋機械運動以外的各種形式的運動，如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運動等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機械（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

9、速度接近光速或者宇宙尺度內(nèi)的物體運動；20年代，量子論指出牛頓力學(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)在不同層次上的機械運動規(guī)律是不同的。通常理解的力學(xué)只以研究宏觀的機械運動為主，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)等在習(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。但由于歷史上的原因，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。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，如運動基本定律和微積分， 運動方程的求解和常

10、微分方程，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)科學(xué)，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(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)用過程中不斷得到發(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)在這兩個分支中已起著舉足輕重的作用。工程學(xué)越分越細，各個分支中許多關(guān)鍵性的進展都有賴于力學(xué)中有關(guān)運動規(guī)律、要匡、剛度等問題的解決

11、。力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合促使工程力學(xué)各個分 支的形成和發(fā)展?，F(xiàn)在，無論是歷史較久的土木工程、建筑工程、水利工程、機械工程、船 舶工程等，還是后起的航空工程、航天工程、核技術(shù)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)家之間的不同看法。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)識自然和改造自然兩個方面

12、作出了貢獻。研究方法力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識論的基本法則：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，特別是定量觀測的結(jié)果，根據(jù)生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，或者根據(jù)為特定目的而設(shè)計的科學(xué)實驗的結(jié)果，提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(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，屏棄或暫時屏棄一些次要因素。力學(xué)中把這種過程稱為建立模型。質(zhì)點、 質(zhì)點系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續(xù)介質(zhì)等是各種不同的模型。在模型的基礎(chǔ)上可以 運用已知的力學(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)工具進行理論上的演繹工作，導(dǎo)出新的

13、結(jié)論。在理論演繹中，為了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 純的數(shù)字，不受尺寸、單位制、工程性質(zhì)、實驗裝置類型的牽制。依據(jù)第一個實踐環(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 使得這種驗證能在更廣泛的范圍內(nèi)進行。對一個單獨的力學(xué)課題或研究任務(wù)來說，這種實踐和理論環(huán)節(jié)不一定能分得很清，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)或者一個環(huán)節(jié)的一部分。因此，

14、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)型、丕科，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)用研究更需要對應(yīng)用對象的工藝過程

15、、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唯一標(biāo)準(zhǔn)。以上各種工作都是力學(xué)研究不可缺少的部分。學(xué)科分類力學(xué)可粗分為靜力學(xué)、運動學(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； 運動學(xué)只考慮物體怎樣運動， 不討論它與所受力的關(guān)系； 動力學(xué)討論物體運動和所受力的關(guān) 系。力學(xué)也可按所研究對象區(qū)分為 固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個分支,流體包括液體 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)的模型。固體力學(xué)和流體力學(xué)從力學(xué)分出后，余下的部分組成一般力

16、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)和流體力學(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?出現(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)是由早期的水力學(xué)和水動力學(xué)這兩個風(fēng)格迥異的分支匯合而成的，現(xiàn)在則有空氣動力罡、氣體動力學(xué)、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。著重用數(shù)值計算手段的 讓篁力學(xué)是廣泛使用電子計算機后才出現(xiàn)的,其中有計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計算流體力學(xué) 等。對一個具體的力學(xué)課題或研究項目，往往需要理論、實驗和計算這三方面的相互配合。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)的各種分支，諸如土力學(xué)、置石力學(xué)、爆炸力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)、工業(yè)空氣動