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标 题: [范文]力学发展简史
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Mar 30 08:53:23 2005), 站内
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标 题: [范文]力学发展简史
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Wed Jan 5 22:39:37 2005)
总述：
力学知识最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，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�
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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。
一.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。
1.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:
第一定律: 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最多的学者.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.
2. 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“永久运动不
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。
3.固体和流体的本构关系
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最初形
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。
4.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。
二.力学主要分支的建立
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.
1.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。
2.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最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。
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大风起兮云飞扬
威加海内兮归故乡
安得猛士兮守四方
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