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1、绪论 理论力学时间:2011-04-04 浏览次数:62 本文摘要:一、理论力学的研究内容 理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。 在客观世界中,存在着各种各样的物质运动,例如发声、一、理论力学的研究内容理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。在客观世界中,存在着各种各样的物质运动,例如发声、发光等物理现象,化合和分解等化学变化,以及动、植物的生长和人的思维活动等。物体在空间的位置随时间的改变,称为机械运动。在所有的运动形式中,机械运动是最简单的一种。例如,车辆的行驶,机器的运转,水的流动,建筑物的振动,人造卫星的运行,等等,都是机械运动。平衡是机械运动的特例,例如物体相对于地球处于静止
2、的状态。物质的各种运动形式在一定的条件下可以互相转化,而且在高级和复杂的运动中,往往存在着简单的机械运动。理论力学研究的内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动,它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础,属于古典力学的范畴。至于速度接近于光速的物体的运动,必须用相对论的理论进行研究;而基本粒子的运动,则用量子力学的观点才能予以完善的描述。宏观物体远小于光速的运动是日常生活及一般工程中最常见的,因此说,在现代科学技术中,古典力学仍然起着重大作用。理论力学通常分为静力学、运动学、动力学三部分。静力学研究物体的平衡规律,同时也研究力的一般性质及其合成法则。运动学研究物体运动的几何性质,而不考虑物体运动的
3、原因。动力学研究物体的运动变化与其所受的力之间的关系。在理论力学中,力是一个很重要的概念。力是物体间的相互作用,这种作用使物体的机械运动状态或形状发生改变。力使物体机械运动状态发生变化的效应称为力的运动效应(也称外效应);力使物体发生变形的效应称为力的变形效应(也称内效应)。在理论力学中只讨论力的运动效应。力是矢量,一般情况下,它有大小、方向、作用点三个要素。二、理论力学的研究方法实践,认识,再实践,再认识,这是任何科学技术发展的正确途径。理论力学的发展也遵循这一规律。具体地说,是从实际出发,经过抽象化、综合、归纳,建立公理,再应用数学演绎和逻辑推理而得到定理和结论,形成理论体系,然后再通过实
4、践来验证理论的正确性。理论力学普遍采用抽象化和数学演绎的方法来研究物体的机械运动。抽象化的方法是根据所研究的问题的性质,抓住主要的、起决定作用的因素,撇开次要的、偶然的因素,深入事物的本质,了解其内部联系。理论力学中,在研究物体的机械运动规律时,抓住影响物体运动的主要因素,忽略影响较小的次要因素,可把实际物体抽象为力学模型作为研究对象。理论力学中的力学模型有质点、质点系和刚体。质点只有质量而无大小的几何点。如果物体的尺寸和形状与所研究的问题关系不大时,就可以把此物体抽象为质点。质点系由有限个或无限个质点组成的系统。质点系是最一般的力学模型。刚体在力的作用下,其内部任意两点之间的距离始终保持不变
5、的物体,即刚体在力的作用下不发生变形。刚体是质点系的一个特例,是对一般固体的理想化。当物体大小、形状的改变很小,对问题的研究影响不大时,可视其为刚体。要强调的是,抽象应当以所研究的问题为前提条件。例如,对同一个物体,研究其机械运动规律时可视其为刚体,若研究其材料的内力分布与所受外力的关系等问题,必须视其为可变形固体。数学演绎是建立理论力学体系的重要方法。经过抽象化,将长期实践和实验所积累的感性材料加以分析、综合、归纳,得到一些基本的概念、定律和原理之后,再以此为基础,经过严密的数学推演,得到一些定理和公式,构成了系统的理论力学理论。这些理论揭示了力学中一些物理量之间的内在联系,并经实践证明是正
6、确的。在学习理论力学的过程中,注意到这门学科理论的系统性、严密性,对于理解、掌握这门课程很有帮助。近代计算机的发展和普及,为解决复杂的力学问题提供了数值计算的方法。计算机已成为学习理论力学知识的有效工具,并在逻辑推演、公式推导、力学理论的发展中发挥重大作用。三、学习理论力学的目的理论力学研究的是力学中最一般、最基本的规律,它是机械、建筑类专业的技术基础课。许多后继课程,例如材料力学、机械原理、机械零件、结构力学、振动理论等等,都要以理论力学的理论为基础。理论力学分析问题、解决问题的思路和方法,对学好后继课程也很有帮助。一些日常生活中的现象和工程技术问题,可直接运用理论力学的基本理论去分析研究。
7、比较复杂的问题,则需要用理论力学知识结合其它专业知识进行研究。所以,学习理论力学知识,可为解决工程实际问题打下一定基础。理论力学的理论既抽象而又紧密结合实际,研究的问题涉及面广,而且系统性和逻辑性很强。理论力学问题既灵活又有一定的规律可循。这些特点,对于培养辨证唯物主义世界观,培养逻辑思维和分析问题的能力,也起着重要作用。随着科学技术的日益发展和我国现代化进程的加快,会不断提出新的力学问题。在机械行业,机械结构小型化、轻量化设计,复合材料的研制,机械人、机械手的研究和应用,等等,给力学知识的发展和应用提供了新的机遇和天地。学好理论力学知识,将有利于我们去解决和理论力学有关的新问题,从而促进科学
8、技术的进步,同时也推动理论力学向前发展。四、力学的发展简史力学本身的发展有着悠久的历史。它的发展是分析和综合相结合的过程,也是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史上的一个里程碑。牛顿定律建立以前,力学研究的历史大致可分为两个时期:古代,从远古到公元 5 世纪,对平衡和运动有了初步的了解;中世纪,从 6 世纪到 16 世纪,这个时期对力、运动的认识已有进展,为牛顿定律的建立做了准备。牛顿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:从 17 世纪初到 18世纪末,经典力学的建立和完善化;19 世纪,力学各主要分支的建立;从 1900 年到 1960年,近代力
9、学,它和工程技术特别是航空、航天技术密切联系;1960 年以后,现代力学,力学同计算技术和自然科学其它学科广泛结合。理论力学属于经典力学的范畴,于 1835 年正式分为静力学、运动学、动力学三个部分。静力学静力学发端于远古时期,人类在生产劳动和对自然现象观察的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。阿基米德(约公元前 287前 212)是几何静力学(简称为静力学)的奠基人。阿基米德在研究杠杆平衡、平面图形的重心位置时,先建立一些公设,而后用数学论证的方法导出一些定理。阿基米德和力学有关的著作有平面图形的平衡或其重心、力学(机械学)
10、方法论。伐里农(16541722)发展了古希腊静力学的几何学观点 ,提出力矩的概念和计算方法,并用以研究刚体平衡问题。潘索(17771859)首次提出力偶的概念,提出了任意力系的简化和平衡理论,约束的定义以及解除约束原理。他的静力学原理一书建立了静力学的体系。亚里士多德(公元前 384前 322)是静力平衡条件的运动学方法的创史人。经过一千多年的发展,斯蒂文(15481620)在前人用运动学观点解释平衡条件的基础上,得出虚位移原理的初步形式,为分析静力学提供了依据。运动学伽里略(15641642)对速度、加速度作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。在此基础上,惠更斯(16291695)考虑了点
11、在曲线中的加速度。刚体运动学的研究成果属于欧拉(17071783)和潘索。夏莱(17931880)给出了刚体一般运动可分解为平移和转动这一定理。科里奥利(17921843)指出旋转坐标系中存在附加加速度。物理学家安培提出运动学一词,并于 1834 年建议把运动学作为力学的独立部分。动力学 伽里略采用科学试验和理论分析相结合的方法,指出了传统的亚里士多德的运动观点的错误,研究了地面上自由落体、斜面运动、抛射体等运动,建立了加速度的概念并发现了匀加速运动的规律。他在 1638 年出版的关于两门新科学的谈话和数学证明是动力学的第一本著作。惠更斯在动力学研究中提出离心力、向心力、转动惯量、复摆的摆动中
12、心等重要概念。开普勒(15711630)根据第谷的 30 年天文观察资料总结出行星运动的三定律。牛顿继承和发展了这些成果,提出了物体运动定律和万有引力定律。在自然哲学的数学原理一书中,他给出了牛顿运动三定律。牛顿运动定律是就单个自由质点而言的,达朗伯(17171785)把它推广到受约束质点系的运动,并提出了著名的达朗伯原理。欧拉于 1758 年建立了刚体的动力学运动方程。至此,以质点系和刚体的运动规律为主要研究对象的经典力学臻于完善。由上述可见,理论力学学科建立时间早,理论性强,系统严密,是一门较为成熟的学科。五、我国在力学方面的研究和成就我国是世界上最古老的文明国家之一,生产和科学技术都发展
13、得比较早。远在新石器时代,木架建筑已初具规模。中国西安半坡村遗址出土的汲水壶采取尖底的形式,利用重心,空壶在水面上会倾倒,壶满时会自动恢复竖直位置。世界上第一辆车子出现于我国的夏代。春秋战国时期,在墨翟及其弟子的著作墨经中,有涉及力的概念、杠杆平衡、重心、浮力、强度、刚度的叙述。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。庄子逍遥游中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。我国在力学方面也有很多发明创造。例如:西汉时期的指南车和记道车、东汉张衡制造的地动仪以及隋朝李春主持建造的赵州桥等等。赵州桥力学学科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有相当水平的力学知识,所不同的是未建立起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,其中有些在当时居于世界领先地位。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。经过曲折的进程,到 19 世纪中叶,牛顿力学才由欧洲传入中国,此后,中国力学的发展便随同世界潮流前进,新中国成立后,尤其是改革开放以来,我国的科学技术和力学研究已发展到一个新的水平。