“力学”简介、含义、起源、历史与发展

力学是研究物质机器运动纪律的科学。自然界物质有多种条理，从宇观的宇宙体系，宏观的天体和通例物体，细观的颗粒、纤维、晶体，到微观的分子、原子、根本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观东西为主。但由于学科的相互渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各条理中的东西以及有关的纪律。机器运动亦即力动是物质在时间、空间中的位置变革，包罗移动、转动、流动、变形、振动、颠簸、扩散等，而平衡或静止，则是其中的一种特殊情况。机器运动是物质运动的最根本的形式。物质运动的其他形式另有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化动等。机器运动并不能脱离其他运动形式存在，只是在研究力学问题时突出地考虑机器运动这种形式罢了；如果其他运动形式对机器运动有较大影响，大概需要考虑它们之间的相互作用，便会在力学同其他学科之间形成交织学科或边沿学科。力是物质间的一种相互作用，机器运动状态的变革是由这种相互作用引起的。静止和运动状态稳定，都意味着各作用力在某种意义上的平衡。力学，可以说是力和（机器）运动的科学。

力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表现的是手臂使劲，厥后虽又含有他义，但都同机器或运动没有直接联系。“力学”一词译自英语mechanics(源于希腊语μηχανη──机器)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机器学”、“结构”等。在欧洲其他语种中，此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，厥后改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机器的” 在英语中同为mechanical，而现代汉语中“机器的”又可理解为“刻板的”。这种差别语种中词义包涵范畴的差别，有时引起国际学术交换中的周折。例如机器的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的看法，而英语mechanist是指机器师，不是指力学家。

生长简史

力学知识最早起源于对自然现象的视察和在生产劳动中的经验。人们在修建、浇灌等劳动中使用杠杆、斜面、汲水器具，逐渐积聚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，确定它们的根本纪律，开端奠基了静力学即平衡理论的底子。古代人还从对日、月运行的视察和弓箭、车轮等的使用中了解一些简朴的运动纪律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的干系，只是在欧洲文艺再起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阐发的底子上，最早阐发自由落体运动的纪律，提出加快度的看法。I.牛顿继承和生长前人的研究结果（特别是J.开普勒的行星运动三定律），提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠基了动力学的底子。牛顿运动定律的创建标记着力学开始成为一门科学。今后力学的进展在于它所考虑的东西由单个的自由质点转向受约束的质点和受约束的质点系；这方面的标记是J.le R.达朗伯提出的达朗伯原理和J.-L.拉格朗日创建的阐发力学。L.欧拉又进一步把牛顿运动定律推广用于刚体和理想流体的运动方程。欧拉创建理想流体的力学方程可看作是连续介质力学的肇端。在此以前，有关固体的弹性、流体的粘性、气体的可压缩性等的物质属性方程已经陆续创建。运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学根本理论和粘性流体力学根本

理论孪生于世，在这方面作出孝敬的是C.-L.-M.-H.纳维、A.-L.柯西、S.-D.泊松、 等人。弹性力学和流体力学根本方程的创建，使得力学逐渐脱离物理学而成为学科。另一方面，从拉格朗日阐发力学底子上生长起来的哈密顿体系，继承在物理学中起作用。从牛顿到的理论体系组成物理学中的经典力学或牛顿力学。在弹性和流体根本方程创建后，所给出的方程一时难于求解，工程技能中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的要领解决。这使得19世纪后半叶在质料力学、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气势派头上的显著差别。到20世纪初，在流体力学和固体力学中，实际应用同数学理论的上述两个方面开始结合，今后力学便蓬勃生长起来，创建了许多新的理论，同时也解决了工程技能中大量的要害性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题。这种理论和实际密切结合的力学的先导者是L.普朗特和 T.von卡门。他们在力学研究事情中善于从庞大的现象中洞察事物本质，又能寻找符合的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的要领。从60年代起，电子盘算机应用日广，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。力学继承它已往同航空和航天工程技能结合的传统，在同其他种种工程技能以及同自然科学的其他学科的结合中，开拓自己新的应用领域。 力学在中国的生长经历了一个特殊的历程。与古希腊险些同时，中国古代对平衡和简朴的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所差别的是未创建起像阿基米德那样的理论系统。在文艺再起前的约一千年时间内，整个欧洲的科学技能进展迟钝，而中国科学技能的综合性结果堪称卓著，其中有些在其时世界居于领先职位。这些结果反应出富厚的力学知识，但终未形成系统的力学理论。到明末清初，中国科学技能已显著落后于欧洲。经过曲折的历程，到19世纪中叶，牛顿力学才由欧洲传入中国。以后，中国力学的生长便随同世界潮水前进。

学科性质

力学原是物理学的一个分支。物理科学的创建则是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机器运动以外的种种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。当物理学挣脱了这种机器（力学）的自然观而得到康健生长时，力学则在工程技能的推动下按自身逻辑进一步演化，逐渐从物理学中出来。20世纪初，相对论指出牛顿力学不适用于速度靠近光速大概宇宙标准内的物体运动;20年代，量子论指出牛顿力学不适用于微观世界。这反应人们对力学认识的深化，即认识到物质在差别条理上的机器运动纪律是差别的。通常理解的力学只以研究宏观的机器运动为主，因而有许多带“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分支，而不属于力学的范畴。但由于历史上的原因，力学和物理学仍有着特殊的亲缘干系，特别是在以上各“力学”分支和牛顿力学之间，许多看法、要领、理论都有不少相似之处。 力学与数学在生长中始终相互推动，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，如运动根本定律和微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹性力学及流体力学的根本方程和数学阐发理论，天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等。有人甚至认为力学是一门应用数学。但是力学和物理学一样，另有需要实验底子的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学干系，两者有各自的研究东西。

力学同物理学、数学等学科一样，是一门底子科学，它所阐发的纪律带有普遍的性质。 力学又是一门技能科学，它是许多工程技能的理论底子，又在遍及的应用历程中不停得到生长。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

个分支中已起着举足轻重的作用。工程学越分越细，各个分支中许多要害性的进展都有赖于力学中有关运动纪律、强度、刚度等问题的解决。力学和工程学的结合促使工程力学各个分支的形成和生长。现在，无论是历史较久的土木工程、修建工程、水利工程、机器工程、船舶工程等，照旧后起的航空工程、航天工程、核技能工程、生物医学工程等，都或多或少有工程力学的运动园地。力学作为一门技能科学，并不能取代工程学，只指出工程技能中解决力学问题的途径，而工程学则从更综合的角度考虑具体任务的完成。同样地，工程力学也不能取代力学，因为力学另有探索自然界一般纪律的任务。 力学既是底子科学又是技能科学这种二重性，有时难免会引起偏重底子研究一面和偏重应用研究一面的力学家之间的差别看法。但这种二重性也使力学家感触自豪，他们为相同人类认识自然和改革自然两个方面作出了孝敬。

研究要领

力学研究要领遵循认识论的根本规则：实践-理论-实践。力学作为底子科学和作为技能科学从差别侧面反应这个规则。力学家们凭据对自然现象的视察，特别是定量视察的结果，凭据生产历程中积聚的经验和数据，大概凭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干系。为了使这种干系反应事物的本质，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。力学中把这种历程称为创建模型。质点、质点系、刚体、弹性固体、粘性流体、连续介质等是种种差别的模型。在模型的底子上可以运用已知的力学的或物理学的纪律(须要时作一些假设)以及符合的数学东西进行理论上的演绎事情，导出新的结论。在理论演绎中，为了使理论具有更高的归纳综合性和更遍及的适用性，往往接纳一些无量纲参数如雷诺数、马赫数、泊松比等。这些参数既反应物理本质，又是单纯的数字，不受尺寸、单元制、工程性质、实验装置类型的牵制。依据第一个实践环节所得理论结论创建的模型是否公道，有待于新的视察、工程实践大概科学实验品级二个实践环节加以验证。接纳上述无量纲参数以及通过有关的量纲阐发使得这种验证能在更遍及的范畴内进行。对一个单独的力学课题或研究任务来说，这种实践和理论环节不一定能分得很清，也可能和其他课题或任务的某个环节相互交织，相互影响。课题或任务中每一项具体事情又可能只涉及一个环节大概一个环节的一部门。因此，从局部看来，力学研究事情方法是多样的：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；有些着重数值要领和近似盘算；有些着重实验技能；有些着重在天文视察和考察自然现象中积聚数据；而更大量的则是着重在运用现有力学知识来解决工程技能中或探索自然界秘密中提出的具体问题。每一项工程又都需要具备自身有关的知识和其他学科的配合。数学推理需要种种现代数学知识，包罗一些抽象数学分支的知识。数值要领和近似盘算要了解盘算技能、盘算要领和盘算数学。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的创建和使用自己就是一个综合性的科学技能项目，需要多工种、多学科的协作。应用研究更需要对应用东西的工艺历程、质料性质、技能要害等有清楚的了解。在力学研究中既有细致的、的分工，又有综合的、全面的协作。从力学研究和对力学纪律认识的整体来说，实践是查验理论正确与否的唯一标准。以上种种事情都是力学研究不可缺少的部门。

学科分类

力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部门，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的干系；动力学讨论物体运动和所受力的干系。

力学也可按所研究东西区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包罗液体和睦体。固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都接纳连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部门组成一般力学。一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究东西的力学，有时还把抽象的动力学系统也作为研究东西。一般力学除了研究离散系统的根本力学纪律外，还研究某些与现代工程技能有关的新兴学科的理论。一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在生长历程中又因东西或模型的差别而出现一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学（狭义的）、阐发力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性等。属于固体力学的有早期形成的质料力学、结构力学，稍后形成的弹性力学、塑性力学，近期出现的散体力学、断裂力学等。流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个气势派头迥异的分支会合而成的，现在则有空气动力学、气体动力学、多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学平分支。各分支学科间的交织结果又产生粘弹性理论、流变学、气转动性力学等。 力学也可按研究时所接纳的主要手段区分为三个方面：理论阐发、实验研究和数值盘算。实验力学包罗实验应力阐发、水动力学实验和空气动力实验等。着重用数值盘算手段的盘算力学是遍及使用电子盘算机后才出现的，其中有盘算结构力学、盘算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和盘算这三方面的相互配合。 力学在工程技能方面的应用结果形成工程力学或应用力学的种种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学、复合质料力学、产业空气动力学、情况空气动力学等。 力学和其他底子科学的结合也产生一些交织性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交织分支，其中有物理力学、物理－化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球结构动力学、地球流体力学等。 力学分类的这种错综庞大情况是自然科学研究中综合和阐发这两个不可支解的方面在力学生长历程中的反应。科学的生长总是分中有合，合中有分。本卷各条目所依据的分类法也将随时间的推移而有所变更。