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力学的发展历史

2011-8-17 22:07:02 阅读次数:7125
   力学的发展历史力学的一个分支,也是科学史的一个分支,它记述和研究人类从自然现象和生产活动中认识和应用物体机械运动规律的历史。力学本身的发展有悠久的历史,但是关于力学历史的著作是在经典力学臻于完善以后才出现的,其中著名的是E.马赫的《力学的一般批判发展史》(1883)。当代力学史专著有R.杜加斯的《力学史》(1950),其中把力学作为物理学的一部分。运用历史唯物主义观点阐明力学史的有以Н.Д.莫伊谢耶夫为代表的莫斯科大学学派的著述,如A.T.格里戈良所写《力学,从古到今》(1974)。力学的专科史有I.托德亨特和K.皮尔孙的《弹性理论和材料强度学史》两卷(1886、1893),S.P.铁木辛柯的《材料力学史》(1953)。中国从50年代起开始把力学史作为物理学史的一个组成部分,对力学史单独的、系统的研究则刚刚开始。力学发展在历史年代顺序上和学科逻辑顺序上大体相同,这种发展反映出人类认识由简单到复杂逐步深化的过程。牛顿运动定律的建立是力学发展过程中的重要里程碑。经典力学从此奠定基础并根据学科自身的逻辑规律发展着。在近代和现代,力学随着研究内容的深入和研究领域的扩大逐渐形成各个分支,近年来又出现了跨分支、跨学科综合研究的趋势。力学的发展是分析和综合相结合的过程。从总的发展趋势来看,牛顿运动定律建立以前力学研究的历史大致可分为两个时期:①古代,从远古到公元5世纪,对平衡和运动有初步的了解;②中世纪,从6世纪到16世纪,这个时期对力、运动以及它们之间的关系的认识已有进展,为牛顿运动定律的建立作了准备。牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历史大致可分为四个时期:①从17世纪初到18世纪末,经典力学的建立和完善化;②19世纪,力学各主要分支的建立;③从1900年到1960年,近代力学,它和工程技术特别是航空、航天技术密切联系;④1960年以后,现代力学,力学同计算技术和自然科学其他学科广泛结合。当然,各个时期的分界年代并不是绝对的。古代的力学(公元6世纪以前)人类最早的力学知识是从对自然现象的观察和生产劳动中获得的。中国西安半坡村遗址(新石器时代仰韶文化,公元前3000多年)出土的汲水壶采取尖底的形式,且壶空时在水面上会倾倒而壶满时又能自动恢复竖直位置。埃及第四王朝建立的胡夫陵墓即金字塔(约公元前2600)每边长232米,高146米,斜面倾角约为5°,用230余万块巨石垒成,平均每块重2.5吨,建造运用滑轮组。有关运动学的很多知识是同对天体运行观测有联系的,中国河南安阳出土的甲骨文(约公元前1400)已有日食和月食的常规记录。巴比伦人发现(约公元前700)日食、月食的沙罗周期。生产力水平接近的不同地区,在劳动中运用力学知识也往往相似。古希腊罗马有一种提水壶(amphora),它的外形和力学特点同中国半坡村的汲水壶类似。又如有一种灌溉设备,用短柱或树杈支承一根横木,横木一端挂水桶,另一端系重物,提水时可以省力。中国称这种器械为桔槔(最早记载见《庄子·天地》,约公元前300);在埃及也使用它,称为shadoof。静力学的发端  人类在生产劳动和对自然现象观测基础上积累了力学知识,逐渐形成一些概念,然后对一些现象的规律进行描述。这种描述,先是定性的,而后是定量的。中国春秋时期墨翟及其弟子的著作《墨经》(公元前4~前3世纪)中,有涉及力的概念、杠杆平衡、重心、浮力、强度和刚度的叙述。古希腊阿尔库塔斯的著作中也有关于静力学的记录。在亚里士多德的著作中有关于杠杆平衡的见解:距离支点较远的力容易移动重物,因为它画出一个较大的圆。为静力学奠定科学基础的是阿基米德,他在研究杠杆平衡、平面图形重心位置时,先建立一些公设,而后用数学论证的方法导出一些定理,成果之一是用类似求和数再取极限的方法,求出一个抛物线和它们两平行弦线(与抛物线斜交)所围成平面图形面积的重心位置。阿基米德关于杠杆公设之一是:不等距的等重不能平衡,杠杆将向距离较大一侧倾斜。亚里士多德关于画圆大小的见解和阿基米德这个公设略有不同,它们分别是静力平衡条件的运动学方法和几何学方法的开端。约公元1世纪,亚历山大的希罗把亚里士多德的提法明确为平衡时“运动着的力和所经历的时间成反比”。经过一千多年的发展,运动方法演化为虚位移原理,几何方法演化为用力矩表达的平衡条件。阿基米德还用推理方法证明了关于浮体或潜体的浮力定律和抛物线回转浮体平衡稳定性条件。古罗马的帕普斯在古希腊成果的基础上论证了平面图形重心位置和由这图形回转而得体积之间的关系,这个结果在一千多年后为P.古尔丁重新获得(见重心)。有关运动的观念古代对机械运动的描述只限于匀速直线和匀速圆周运动,亚里士多德认为行星轨道应是最完美的曲线──圆。托勒密在《天文学大成》(公元140年左右)的地心说中,认为太阳绕地球作匀速圆周运动,行星又绕太阳作匀速圆周运动;至于运动和力的关系,古代尚无正确的认识。亚里士多德在《论天》中认为,体积相同的两物体,重者下落比轻者快。由于亚里士多德的权威地位,他的这个错误观点长期被奉为信条,直到16世纪末才被S.斯蒂文和德·格罗特(1586)、伽利略(1589~1591)用实验所推翻。亚里士多德还认为运动物体必须有最初原因或一定有不断的推动者,直到1277年才受到教皇约翰21世的批判。古代对运动的记录大多停留于定性的描述,许多和哲学观点相联系。上述亚里士多德所说运动并不限于机械(力学)运动。就运动的哲理而言,有些古代的论点颇有独到之处。赫拉克利特认为“一切皆流”,芝诺认为运动的东西既不在它所在的地方运动,又不在它所不在的地方运动,提出“飞矢不动”。中国惠施提出相同的理论:“镞矢之疾而有不行不止之时”。《庄子·逍遥游》把风的举力和水的浮力作了类比。王充在《论衡·变虚》中描述了水波振荡随距离的衰减。生产技术和力学:古代的建筑工程和器物制造反映出当时的力学水平。阿基米德制造过能牵动船只的机械、车水用的螺旋、表示日月运行的机构,但他认为这不能和纯科学相提并论。这种把以数学为根据的力学理论和在工程技术中应用的力学分离开来的观点在后世时隐时现。在中国对力学的理解只能在技术应用中看到,而理论上的说明始终未能越出定性描述的范围 (见中国古代力学知识)。《墨经》有专讲守城工事的篇幅,其中给出工事的尺寸,但未涉及力学理论。春秋末期成书的《考工记》中有不少与力学有关的技术问题的记述,如嵌入车轮辐条的轮毂尺寸的选择,调整磬、钟等乐器的音律等,都符合力学原理。都江堰工程约兴建于公元前3世纪,当时领导这项工程的李冰对于水量变化、开渠引水灌溉都很了解。都江堰由分洪工程、开凿工程和闸坝工程组成一个整体,它经历代整修至今仍在发挥作用。《管子·地员篇》和《史记·律书》记述了中国音律所采用的三分损益律:各音程比(即振动频率比)交错地为三比二、三比四,这反映了中国早期乐器制造方面的理论水平。中国音律还可用战国时期 (公元前433)铸成的曾侯乙编钟(1978年湖北省随县出土)来说明,每一只钟最低两个频率之比符合三度(比值约1.2),反映了工艺的精巧和对频率比(音律)的深刻理解(说明在确定性系统中也可出现类似随机的过程,这是有序向无序的一种演化过程,是非线性动力学中一个令人惊异的现象。混沌和有关的奇怪吸引子理论的一些结果冲击了数学、物理学的许多分支。例如湍流问题是流体力学中长斯存在的难题,分岔和混沌模型结合在实验中发现的拟序结构,使这个难题的解决似乎有了新的希望。计算机惊人的运算能力和对介质的力学性能不甚清楚之间的矛盾,推动了对材料本构关系的深入研究。计算机又使力学实验方法现代化,实验数据的采集整理可以借助微型计算机自动实现。计算机甚至可部分地代替某些常规实验。渗透和综合:航天工程开辟了人们的视野,现代力学以远远超过牛顿时代的水平再度向天文学渗透。人们用磁流体力学研究太阳风在地球磁场中形成的冲击波,用流体力学结合恒星动力学研究密度波,以解释旋涡星系的螺旋结构,以至用相对论流体力学来研究星系的演化。航天任务基本实现之后,60年代起许多力学家开始转向新的力学生长点。由冯元桢等奠基创建的生物力学就是一个科学渗透的显著例子。多年来的研究使人们认识到:“没有生物力学,就不能很好地了解生理学。”生物力学在考虑生物的形态和组织的基础上,测定生物材料的力学性质,确定本构关系,再结合力学基本原理解决边值问题,这些已在定量生理学、心血管系统临床问题和生物医学工程方面取得不少成就。现代力学又向地球科学渗透,在板块动力学、构造应力场、地震预报以及用反演法阐明震源机制、地层结构和地质材料性质方面进行新的探索,并推动岩石力学的研究。在工程技术方面,如能源开发、环境保护、材料科学、海洋工程、安全防护等综合技术都提出多种多样力学新课题。因此现代力学都必须和别的学科相结合,发展边缘学科解决这些问题。在机器人控制和卫星姿态控制研究中的多刚体系统动力学问题就需要用由力学和控制反馈理论相结合的方法进行研究。 力学向外渗透的同时,在力学内部也出现了综合的倾向。从19世纪力学分为三大支以后,每个分支到20世纪又进一步分化,积累了大量资料,因而提出了概括和提高的任务,需要在统一的基础上把各个分支学科综合起来。在50年代出现了以C.特鲁斯德尔为代表的理性力学学派,他们重新检核了连续介质力学和热力学的基础,在1958年由W.诺尔提出以确定性原理、局部作用原理和材料的标架无关性原理作为三条公理,按照过去达朗伯关于理性的力学必须建立在显然的公理上的思想,运用演绎的方法推导出弹性和粘性等简单物质的本构关系。在60~70年代,公理系统续有扩大,经统一处理的理想材料包括粘弹性和塑性等记忆材料,具有微结构的有向材料,非局部作用模型、混合材料以及热-力耦合材料等。在统一处理材料本构关系的同时,理性力学学派还综合讨论了各种介质应共同遵守的通有原理和共有的现象和方法如波动、稳定性、变分方法等。钱学森指出,理性力学就是连续介质力学的基础理论,它的任务是审核复杂物性物质或材料的基本方程是否和热力学、力学基本原理相容,因而有重要的实际意义。宏观和微观相结合从构成物质的微观粒子(如分子、原子、电子)或者细观结构(如晶粒、分子链)的性质及其相互作用出发来确定材料的宏观性质(如本构关系中的弹性系数、松弛函数、热导率、比热),或者解释变形或破坏的机制等等,从40年代到50年代已积累了大量结果。用统计力学方法处理气体的平衡问题已较成熟,但对液体和固体的问题,以及非平衡过程方面的问题则很差。在40年代用统计力学处理高分子材料的分子网络,得到的贮能函数和用非线性弹性理论所得到的非常接近。这个结果令人鼓舞,但限于弹性范围。1936年G.I.泰勒提出的金属中的位错假说,50年代已被实验证实,并在60年代发展成位错动力学。用位错参数表达的奥罗万应变率公式已经通过“内变量”的桥梁进入宏观的本构关系,沟通了宏观和微观的关系。材料中往往存在大量裂纹、损伤或裂隙,使连续介质发生间断并影响其力学性能。位错理论和断裂力学分别从微观和宏观的角度突出了缺陷材料性能的重要性,两者之间有密切联系。断裂力学在60年代迅速发展,改变了对强度安全设计和材料评价的传统看法。宏观和微观的沟通还表现在某些观点上。19世纪统计力学建立以来,经典力学中的确定论和统计力学中的随机论一直是截然不同的两种观点。60~70年代力学和物理学中对混沌现象的研究说明,经典力学系统自身具有内在的随机性。人们又得重新估计经典力学和统计力学之间的联系。几千年来人类对物质机械运动即力学规律的认识,经历了由浅入深、由表及里的过程。科学的发展总的说来是既有综合又有分析,但在特定的阶段可能有所侧重。自然科学最早是统一的无所不包的自然哲学,以后物理学从其中分出来,力学又从物理学中分出来,后来力学出现分支学科,再派生出新的分支学科,与此同时还出现综合的倾向。有一种观点认为,当代自然科学的总趋势是由交叉学科、边缘学科发展成为综合性更强的科学。如果真是这样,力学未来的面目也许很不同于今天。然而有一点则是肯定的,人们对物质世界的认识总是在原先积累的基础上进一步深化。无数相对真理的总和,就是绝对真理。

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