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物理简史(图文)
物理简史(图文) 力学简史 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*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。
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。
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堪称卓著，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。
学科性质 物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论 解释机械运动以外的各种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。
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，逐渐从物理学中独立出来。
20世纪初，相对论指出牛顿力学不适用于高速或宇宙尺度内的物体运动；
20年代，量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反映人们对力学认识的深化， 即认识到物质在不同层次上的机械运动规律是不同的。所以通常理解的力学，是指以宏观的机械运动为研究内容的物理学分支学科。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，在习惯上被认为是 物理学的其它分支，不属于力学的范围。
力学与数学在发展中始终相互推动，相互促进。一种力学理论往往和相应 的一个数学分支相伴产生，如运动基本定律和微积分，运动方程的求解和常微分 方程，弹性力学及流体力学和数学分析理论，天体力学中运动稳定性和微分方程 定性理论等，因此有人甚至认为力学应该也是一门应用数学。但是力学和其它物 理学分支一样，还有需要实验基础的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的 数学关系，两者有各自不同的研究对象。
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. 力学的研究方法 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。
因此，从局部看来，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。
