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計(jì)量論壇

標(biāo)題: 力學(xué) 概述（二） [打印本頁]

作者: csxfjsw123 時(shí)間: 2007-1-4 08:14
標(biāo)題: 力學(xué) 概述（二）
學(xué)科性質(zhì)
物理科學(xué)的建立是從力學(xué)開始的。在物理科學(xué)中，人們曾用純粹力學(xué)理論解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)以外的各種形式的運(yùn)動(dòng)，如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機(jī)械(力學(xué))的自然觀而獲得健康發(fā)展時(shí)，力學(xué)則在工程技術(shù)的推動(dòng)下按自身邏輯進(jìn)一步演化，逐漸從物理學(xué)中獨(dú)立出來。
20世紀(jì)初，相對論指出牛頓力學(xué)不適用于高速或宇宙尺度內(nèi)的物體運(yùn)動(dòng)；20年代，量子論指出牛頓力學(xué)不適用于微觀世界。這反映人們對力學(xué)認(rèn)識(shí)的深化，即認(rèn)識(shí)到物質(zhì)在不同層次上的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不同的。所以通常理解的力學(xué)，是指以宏觀的機(jī)械運(yùn)動(dòng)為研究內(nèi)容的物理學(xué)分支學(xué)科。許多帶“力學(xué)”名稱的學(xué)科，如熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、相對論力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等，在習(xí)慣上被認(rèn)為是物理學(xué)的其它分支，不屬于力學(xué)的范圍。
力學(xué)與數(shù)學(xué)在發(fā)展中始終相互推動(dòng)，相互促進(jìn)。一種力學(xué)理論往往和相應(yīng)的一個(gè)數(shù)學(xué)分支相伴產(chǎn)生，如運(yùn)動(dòng)基本定律和微積分，運(yùn)動(dòng)方程的求解和常微分方程，彈性力學(xué)及流體力學(xué)和數(shù)學(xué)分析理論，天體力學(xué)中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和微分方程定性理論等，因此有人甚至認(rèn)為力學(xué)應(yīng)該也是一門應(yīng)用數(shù)學(xué)。但是力學(xué)和其它物理學(xué)分支一樣，還有需要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的一面，而數(shù)學(xué)尋求的是比力學(xué)更帶普遍性的數(shù)學(xué)關(guān)系，兩者有各自不同的研究對象。
力學(xué)不僅是一門基礎(chǔ)科學(xué)，同時(shí)也是一門技術(shù)科學(xué)，它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又在廣泛的應(yīng)用過程中不斷得到發(fā)展。當(dāng)工程學(xué)還只分民用工程學(xué)(即土木工程學(xué))和軍事工程學(xué)兩大分支時(shí)，力學(xué)在這兩個(gè)分支中就已經(jīng)起著舉足輕重的作用。工程學(xué)越分越細(xì)，各個(gè)分支中許多關(guān)鍵性的進(jìn)展，都有賴于力學(xué)中有關(guān)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、強(qiáng)度、剛度等問題的解決。
力學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合，促使了工程力學(xué)各個(gè)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(jī)械工程、船舶工程等，還是后起的航空工程、航天工程、核技術(shù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等，都或多或少有工程力學(xué)的活動(dòng)場地。
力學(xué)既是基礎(chǔ)科學(xué)又是技術(shù)科學(xué)這種二重性，有時(shí)難免會(huì)引起分別側(cè)重基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的力學(xué)家之間的不同看法。但這種二重性也使力學(xué)家感到自豪，它們?yōu)闇贤ㄈ祟愓J(rèn)識(shí)自然和改造自然兩個(gè)方面作出了貢獻(xiàn)。
力學(xué)的研究方法
力學(xué)研究方法遵循認(rèn)識(shí)論的基本法則：實(shí)踐——理論——實(shí)踐。
力學(xué)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(yàn)和數(shù)據(jù)，或者根據(jù)為特定目的而設(shè)計(jì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提煉出量與量之間的定性的或數(shù)量的關(guān)系。為了使這種關(guān)系反映事物的本質(zhì)，力學(xué)家要善于抓住起主要作用的因素，屏棄或暫時(shí)屏棄一些次要因素。
力學(xué)中把這種過程稱為建立模型。質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)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(chǔ)上可以運(yùn)用已知的力學(xué)或物理學(xué)的規(guī)律，以及合適的數(shù)學(xué)工具，進(jìn)行理論上的演繹工作，導(dǎo)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(shí)踐或者科學(xué)實(shí)驗(yàn)等加以驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置類型的牽制。
因此，從局部看來，力學(xué)研究工作方式是多樣的：有些只是純數(shù)學(xué)的推理，甚至著眼于理論體系在邏輯上的完善化；有些著重?cái)?shù)值方法和近似計(jì)算；有些著重實(shí)驗(yàn)技術(shù)等等。而更大量的則是著重在運(yùn)用現(xiàn)有力學(xué)知識(shí)，解決工程技術(shù)中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。
現(xiàn)代的力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，諸如大型的風(fēng)洞、水洞，它們的建立和使用本身就是一個(gè)綜合性的科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目，需要多工種、多學(xué)科的協(xié)作。應(yīng)用研究更需要對應(yīng)用對象的工藝過程、材料性質(zhì)、技術(shù)關(guān)鍵等有清楚的了解。在力學(xué)研究中既有細(xì)致的、獨(dú)立的分工，又有綜合的、全面的協(xié)作。
學(xué)科分類
力學(xué)可粗分為靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三部分，靜力學(xué)研究力的平衡或物體的靜止問題；運(yùn)動(dòng)學(xué)只考慮物體怎樣運(yùn)動(dòng)，不討論它與所受力的關(guān)系；動(dòng)力學(xué)討論物體運(yùn)動(dòng)和所受力的關(guān)系。
力學(xué)也可按所研究對象區(qū)分為固體力學(xué)、流體力學(xué)和一般力學(xué)三個(gè)分支，流體包括液體和氣體；固體力學(xué)和流體力學(xué)可統(tǒng)稱為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，它們通常都采用連續(xù)介質(zhì)的模型。固體力學(xué)和流體力學(xué)從力學(xué)分出后，余下的部分組成一般力學(xué)。
一般力學(xué)通常是指以質(zhì)點(diǎn)、質(zhì)點(diǎn)系、剛體、剛體系為研究對象的力學(xué)，有時(shí)還把抽象的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)也作為研究對象。一般力學(xué)除了研究離散系統(tǒng)的基本力學(xué)規(guī)律外，還研究某些與現(xiàn)代工程技術(shù)有關(guān)的新興學(xué)科的理論。
一般力學(xué)、固體力學(xué)和流體力學(xué)這三個(gè)主要分支在發(fā)展過程中，又因?qū)ο蠡蚰Ｐ偷牟煌霈F(xiàn)了一些分支學(xué)科和研究領(lǐng)域。屬于一般力學(xué)的有理論力學(xué)(狹義的)、分析力學(xué)、外彈道學(xué)、振動(dòng)理論、剛體動(dòng)力學(xué)、陀螺力學(xué)、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等；屬于固體力學(xué)的有材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等；流體力學(xué)是由早期的水力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)這兩個(gè)風(fēng)格迥異的分支匯合而成，現(xiàn)在則有空氣動(dòng)力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、多相流體力學(xué)、滲流力學(xué)、非牛頓流體力學(xué)等分支。各分支學(xué)科間的交叉結(jié)果又產(chǎn)生粘彈性理論、流變學(xué)、氣動(dòng)彈性力學(xué)等。
力學(xué)也可按研究時(shí)所采用的主要手段區(qū)分為三個(gè)方面：理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算。實(shí)驗(yàn)力學(xué)包括實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析、水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)等。著重用數(shù)值計(jì)算手段的計(jì)算力學(xué)，是廣泛使用電子計(jì)算機(jī)后才出現(xiàn)的，其中有計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等。對一個(gè)具體的力學(xué)課題或研究項(xiàng)目，往往需要理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算這三方面的相互配合。
力學(xué)在工程技術(shù)方面的應(yīng)用結(jié)果形成工程力學(xué)或應(yīng)用力學(xué)的各種分支，諸如土力學(xué)、巖石力學(xué)、爆炸力學(xué)復(fù)合材料力學(xué)、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)等。
力學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)的結(jié)合也產(chǎn)生一些交又性的分支，最早的是和天文學(xué)結(jié)合產(chǎn)生的天體力學(xué)。在20世紀(jì)特別是60年代以來，出現(xiàn)更多的這類交叉分支，其中有物理力學(xué)、化學(xué)流體動(dòng)力學(xué)、等離子體動(dòng)力學(xué)、電流體動(dòng)力學(xué)、磁流體力學(xué)、熱彈性力學(xué)、理性力學(xué)、生物力學(xué)、生物流變學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、地球流體力學(xué)等。

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