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250 物理学之力学 中
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应用领域

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、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00t、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5105t的超大型运输船和航速可达0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。

历史发展

力学(dynamics)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。0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0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。

重要著作

《自然哲学的数学原理》(又译《自然哲学之数学原理》。拉丁文:philosophiae naturalis principia mathematica),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。

目录

序言

定义

运动的公理或定律

第一编 物体的运动

第1章 初量与终量的比值方法,由此可以证明下述命题

第章 向心力的确定

第章 物体在偏心的圆锥曲线上的运动

第4章 由已知焦点求椭圆,抛物线和双曲线的轨道

第5章 焦点未知时怎样求轨道

第6章 怎样求已知轨道上的运动

第7章 物体的直线上升或下降

第8章 受任意类型向心力作用的物体环绕轨道的确定

第9章 沿运动轨道的物体运动;回归点运动

第10章 物体在给定表面上的运动;物体的摆动运动

第11章 受向心力作用物体的相互吸引运动

第1章 球体的吸引力

第1章 非球形物体的吸引force第14章 受指向极大物体各部分向心力推动的极小物体的运动

第二编 物体(在阻滞介质中)的运动

第1章 受与速度正比的阻力作用的物体运动

第章 受正比于速度平方的阻力作用的物体运动

第章 物体受部分正比于速度平方的阻力作用的物体运动

第4章 物体在阻滞介质中的圆运动

第5章 流体密度和压力;流体静力学

第6章 摆体的运动与阻力

第7章 流体的运动,及其对抛体的阻力

第8章 通过流体传播的运动

第9章 流体的圆运动

第三编 宇宙体系

哲学中的推理规则

现象

命题

月球交会点的运动

总释(未完待续。。)(未完待续)

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