力学

关于力、运动及其关系的科学
力学(古希腊语:μηχανική,mēkhanikḗ,[7]英语:Mechanics[1])是物理学的一个分支,是关于力、运动及其关系的科学,主要研究介质运动、变形、流动的宏微观行为,揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。[6]已形成以动力学与控制、固体力学流体力学生物力学为主的分支学科,以材料学、环境力学、物理力学等为重要交叉学科的力学学科体系。[2]
力学的发展历程是从静力学开始的,[8]静力学的理论论述源自古希腊亚里士多德(Aristotle)和阿基米德(Archimedes)的著作。[9]在近代早期,莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)、约瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)、威廉·罗恩·哈密顿(William Rowan Hamilton)和艾萨克·牛顿(Isaac Newton)等科学家奠定了现在所谓的经典力学的基础。[10]
20 世纪以来,力学出现了许多分支学科,一系列新概念、新理论和新方法被创立,推动了航空、航天、舰船、土木、机械制造等工业的进步和发展。[5]力学在解决高新技术科学和工程问题及向其他学科渗透中得到了丰富和发展,是一门活跃的前沿学科。[5]

发展简史

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、汲水器具,逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。古希腊阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、浮力等作了系统研究,确定它们的基本规律,初步奠定了静力学平衡理论的基础。欧洲文艺复兴时期以后,对力和运动之间的关系逐渐有了正确的认识。伽利略(Galileo Galilei)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,提出物理运动三大定律。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和受约束的质点系;这方面的标志是达朗贝尔(Jean le Rond d'Alembert)提出的达朗贝尔原理(D'Alembert's principle)和拉格朗日建立的分析力学欧拉又进一步把牛顿运动定律推广用于刚体理想流体运动方程。欧拉建立理想流体的力学方程可看作是连续介质力学的开端。运动定律和物性定律这两者的结合产生了弹性固体力学和黏性流体力学基本理论,在这方面做出贡献的是纳维(Claude-Louis-Marie-Henri Navier)、泊松(Siméon Denis Poisson)、斯托克斯(George Stokes)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。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,继续在物理学中起作用。从牛顿到哈密顿的理论体系组成物理学中的经典力学或牛顿力学。20世纪初,在流体力学固体力学中,实际应用同数学理论结合,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。从20世纪60年代起,电子计算机应用促进力学在应用上和理论上的发展。20世纪70年代以来混沌理论方面的进展,说明确定性动力学系统中广泛存在长期不可预测性,使人们对于以牛顿运动定律为基础的经典力学有了新的认识。[1][3][11][8]