力學概述

力學又稱經(jīng)典力學，是研究通常尺寸的物體在受力下的形變，以及速度遠低于光速的運動過程的一門自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎，機械、建筑、航天器和船艦等的合理設計都必須以經(jīng)典力學為基本依據(jù)。

　　機械運動是物質(zhì)運動的最基本的形式。機械運動亦即力學運動，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，則是其中的特殊情況。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)部的運動和化學運動等。

　　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，則意味著各作用力在某種意義上的平衡。因此，力學可以說是力和(機械)運動的科學。

力學的起源

　　力學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、汲水等器具，逐漸積累起對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德對杠桿平衡、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，初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。

　　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系，只是在歐洲文藝復興時期以后才逐漸有了正確的認識。

　　伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上，最早闡明自由落體運動的規(guī)律，提出加速度的概念。牛頓繼承和發(fā)展前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律)，提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。牛頓運動定律的建立標志著力學開始成為一門科學。

　　此后，力學的研究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。這方面的標志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。其后，歐拉又進一步把牛頓運動定律用于剛體和理想流體的運動方程，這看作是連續(xù)介質(zhì)力學的開端。

　　運動定律和物性定律這兩者的結(jié)合，促使彈性固體力學基本理論和粘性流體力學基本理論孿生于世，在這方面作出貢獻的是納維、柯西、泊松、斯托克斯等人。彈性力學和流體力學基本方程的建立，使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。

　　從牛頓到漢密爾頓的理論體系組成了物理學中的經(jīng)典力學。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，工程技術中許多應用力學問題還須依*經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法解決。這使得19世紀后半葉，在材料力學、結(jié)構(gòu)力學同彈性力學之間，水力學和水動力學之間一直存在著風格上的顯著差別。

　　20世紀初，隨著新的數(shù)學理論和方法的出現(xiàn)，力學研究又蓬勃發(fā)展起來，創(chuàng)立了許多新的理論，同時也解決了工程技術中大量的關鍵性問題，如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題等。

　　這時的先導者是普朗特和卡門，他們在力學研究工作中善于從復雜的現(xiàn)象中洞察事物本質(zhì)，又能尋找合適的解決問題的數(shù)學途徑，逐漸形成一套特有的方法。從20世紀60年代起，計算機的應用日益廣泛，力學無論在應用上或理論上都有了新的進展。

　　力學在中國的發(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水平的力學知識，所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統(tǒng)。

　　在文藝復興前的約一千年時間內(nèi)，整個歐洲的科學技術進展緩慢，而中國科學技術的綜合性成果堪稱卓著，其中有些在當時世界居于領先地位。這些成果反映出豐富的力學知識，但終未形成系統(tǒng)的力學理論。到明末清初，中國科學技術已顯著落后于歐洲。

學科性質(zhì)

　　物理科學的建立是從力學開始的。在物理科學中，人們曾用純粹力學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。當物理學擺脫了這種機械(力學)的自然觀而獲得健康發(fā)展時，力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化，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于高速或宇宙尺度內(nèi)的物體運動；20年代，量子論指出牛頓力學不適用于微觀世界。這反映人們對力學認識的深化，即認識到物質(zhì)在不同層次上的機械運動規(guī)律是不同的。所以通常理解的力學，是指以宏觀的機械運動為研究內(nèi)容的物理學分支學科。許多帶“力學”名稱的學科，如熱力學、統(tǒng)計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等，在習慣上被認為是物理學的其它分支，不屬于力學的范圍。

　　力學與數(shù)學在發(fā)展中始終相互推動，相互促進。一種力學理論往往和相應的一個數(shù)學分支相伴產(chǎn)生，如運動基本定律和微積分，運動方程的求解和常微分方程，彈性力學及流體力學和數(shù)學分析理論，天體力學中運動穩(wěn)定性和微分方程定性理論等，因此有人甚至認為力學應該也是一門應用數(shù)學。但是力學和其它物理學分支一樣，還有需要實驗基礎的一面，而數(shù)學尋求的是比力學更帶普遍性的數(shù)學關系，兩者有各自不同的研究對象。

　　力學不僅是一門基礎科學，同時也是一門技術科學，它是許多工程技術的理論基礎，又在廣泛的應用過程中不斷得到發(fā)展。當工程學還只分民用工程學(即土木工程學)和軍事工程學兩大分支時，力學在這兩個分支中就已經(jīng)起著舉足輕重的作用。工程學越分越細，各個分支中許多關鍵性的進展，都有賴于力學中有關運動規(guī)律、強度、剛度等問題的解決。

　　力學和工程學的結(jié)合，促使了工程力學各個分支的形成和發(fā)展。現(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、核技術工程、生物醫(yī)學工程等，都或多或少有工程力學的活動場地。

　　力學既是基礎科學又是技術科學這種二重性，有時難免會引起分別側(cè)重基礎研究和應用研究的力學家之間的不同看法。但這種二重性也使力學家感到自豪，它們?yōu)闇贤ㄈ祟愓J識自然和改造自然兩個方面作出了貢獻。

力學的研究方法

　　力學研究方法遵循認識論的基本法則：實踐——理論——實踐。

　　力學家們根據(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)為特定目的而設計的科學實驗的結(jié)果，提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關系。為了使這種關系反映事物的本質(zhì)，力學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。在模型的基礎上可以運用已知的力學或物理學的規(guī)律，以及合適的數(shù)學工具，進行理論上的演繹工作，導出新的結(jié)論。

　　依據(jù)所得理論建立的模型是否合理，有待于新的觀測、工程實踐或者科學實驗等加以驗證。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。

　　因此，從局部看來，力學研究工作方式是多樣的：有些只是純數(shù)學的推理，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；有些著重實驗技術等等。而更大量的則是著重在運用現(xiàn)有力學知識，解決工程技術中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。

　　現(xiàn)代的力學實驗設備，諸如大型的風洞、水洞，它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目，需要多工種、多學科的協(xié)作。應用研究更需要對應用對象的工藝過程、材料性質(zhì)、技術關鍵等有清楚的了解。在力學研究中既有細致的、獨立的分工，又有綜合的、全面的協(xié)作。

學科分類

　　力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分，靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題；運動學只考慮物體怎樣運動，不討論它與所受力的關系；動力學討論物體運動和所受力的關系。

　　力學也可按所研究對象區(qū)分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支，流體包括液體和氣體；固體力學和流體力學可統(tǒng)稱為連續(xù)介質(zhì)力學，它們通常都采用連續(xù)介質(zhì)的模型。固體力學和流體力學從力學分出后，余下的部分組成一般力學。

　　一般力學通常是指以質(zhì)點、質(zhì)點系、剛體、剛體系為研究對象的力學，有時還把抽象的動力學系統(tǒng)也作為研究對象。一般力學除了研究離散系統(tǒng)的基本力學規(guī)律外，還研究某些與現(xiàn)代工程技術有關的新興學科的理論。

　　一般力學、固體力學和流體力學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)了一些分支學科和研究領域。屬于一般力學的有理論力學(狹義的)、分析力學、外彈道學、振動理論、剛體動力學、陀螺力學、運動穩(wěn)定性等；屬于固體力學的有材料力學、結(jié)構(gòu)力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學等；流體力學是由早期的水力學和水動力學這兩個風格迥異的分支匯合而成，現(xiàn)在則有空氣動力學、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。各分支學科間的交*結(jié)果又產(chǎn)生粘彈性理論、流變學、氣動彈性力學等。

　　力學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。實驗力學包括實驗應力分析、水動力學實驗和空氣動力實驗等。著重用數(shù)值計算手段的計算力學，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、計算流體力學等。對一個具體的力學課題或研究項目，往往需要理論、實驗和計算這三方面的相互配合。

　　力學在工程技術方面的應用結(jié)果形成工程力學或應用力學的各種分支，諸如土力學、巖石力學、爆炸力學復合材料力學、工業(yè)空氣動力學、環(huán)境空氣動力學等。

　　力學和其他基礎科學的結(jié)合也產(chǎn)生一些交又性的分支，最早的是和天文學結(jié)合產(chǎn)生的天體力學。在20世紀特別是60年代以來，出現(xiàn)更多的這類交*分支，其中有物理力學、化學流體動力學、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(zhì)力學、地球動力學、地球構(gòu)造動力學、地球流體力學等。