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1、目 录力学发展简史 1物理学发展札记力学部分 3静力学发展简史26流体力学发展简史291力学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，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴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分析的基础上，最早阐明自由落体运动的
2、规律，提出加速度的概念。I.牛顿继承和发展前人的研究成果（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 J.le R.达朗伯提出的达朗伯原理和 J.-L.拉格朗日建立的分析力学。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。欧拉建立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建立。运动定律和物性定律这两者的结合，
3、促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世,在这方面作出贡献的是 C.-L.-M.-H.纳维、A.-L.柯西、S.-D.泊松、 G.G.斯托克斯等人。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2续在物理学中起作用。从牛顿到 W.R.哈密顿的理论体系组成物理学中的经典力学或牛顿力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得 19 世纪后半叶在材料力学、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风格上的显著差别
4、。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，此后力学便蓬勃发展起来，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，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。他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。从 60 年代起，电子计算机应用日广，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。力学继承它过去同航空和航天工程技术结合的传统，在同其他各种工程技术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。
5、力学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备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像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，其中有些在当时世界居于领先地位。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。经过曲折的过程，到 19 世纪中叶，牛顿力学才由欧洲传入中国。以后，中国力学的发展便随同世界潮流前进。 3物理学发展札记力学部分【我国古代力学知识】对时间、空间的认识管子的“宙合”篇中，指出：“宙合之意上通于天之上，下
6、泉于地之下，外出于四海之外，合络天地以为一裹。”明确表示天“上”、地“下”和海“外”，还有广阔的世界、天地、万物，无不处于“宙合”之中（“宙”即指时间，“合”即指空间）。墨经中指出，“宇，弥异所也。”“久，弥异时也。”（久同“宙”）经说上解释是：“宇，蒙东、南、西、北。”“久，合古、今、旦、莫。”（莫就是“暮”。）墨经中指出：“宇或（域）徙，说在长宇久。”经说下解释是：“长：宇徙而有（又）处，宇：宇南北在旦有（又）在莫。宇徙久。”表明事物的运动（徙）必定经历一定的空间和时间（宇和久），而时间的流逝和空间的变迁是结合在一起的，故称“宇徙久”。战国时期惠施（公元前约 370前约 310）曾说：“至
7、大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一。”“大一”正是无限宇宙的朴素观念。唐代柳宗元（773819）在天对中写道：“无中无旁，乌际乎天则？”意思是说，天没有中心也没有边沿，哪儿是天的边际呢？战国庆子在逍遥游中指出时间是无限的。东汉张衡（78139）也曾明确指出：“宇之表无极，宙之端无穷。”表示作为时间的起点和终点正如空间一样是没有穷尽的。对运动的认识4墨经定义“动，或（域）徙也。”“止，或（域）久也。”表明运动是位置的变化，静止是物体在一位置上处有一段时间。东汉尚书纬考灵曜中精彩记载着：“地恒动不止而人不知，譬如人在大舟中，闭牖而坐，舟行而不觉也。”说明运动的相对性，这比伽利略的思想要早1500
8、 年左右。东汉王充（27约 97）论衡中的说日篇指出：“天行已疾，去人高远，视之若迟，盖望远物者，动若不动，行若不行。何以验之？乘船江海之中，顺风而驱，近岸则行疾，远岸则行迟，船行一实也，或疾或迟，远近之视，使之然也。”表明物体真实运动与视运动的快慢有很大的差别。并提出了类似于“速率”的概念，当时用“舒疾”表示。论衡中的“状留篇”中记载了：“是故湍濑之流，沙石转而大石不移。何者？大石重而沙石轻也。”“是故车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾。”“任重，其取进疾速，难矣！”表明物体运动快慢与物体本身重量的关系。考工记中记载了：“马力已竭，（zhu，指车辕）犹能一取焉。”意思说，马拉车
9、时，马已停下来，不再对车施拉力，但车辕还能继续前进一段路。表明当时对惯性已有认识。对力的认识墨家最早指出，“力，刑之所以奋也。”“刑”同形，表示物体；“奋”在古籍中可表为由静到动、动之愈烈、由下上升等等，表示了力对物体运动的影响。王充在论衡中也记载了力的作用问题。经观察，他提出，外来的力能使物体产生运动，但内力不能使物体运动，认为“力重不能自称”，5并举例说，古代传说中的大力士，手能断牛角，能拉直铜钩，力气很大，但就不能把自己举起来离开地面（“使之自举，不能离地”），表明内力与外力的差别。对简单机械的认识墨家通过简单机械的利用，对力的平衡问题作了较详尽的观察和分析，借用桔槔和秤论述杠杆平衡的知
10、识，提出了“重”（重物）、“权”（秤锤或砝码）、“本”（杠杆支点靠“重”一边的杠长）、“标”（杠杆支点靠“权”一边的杠长）四个概念，并用它来解释。在经说中写道：“衡，加重于其一旁，必捶。权、重相若也相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下。标得权也。”除此以外，墨家还研究杠杆平衡的用途，如用杠杆制成鼓风箱等。墨家还研究了斜面，并利用斜面来提重物。他们设计了一种装有滑轮的前低后高的斜面车，称为“车梯”。这样随着车梯的前进，重物不断地升高，节省了人力。尖劈也是一种简单机械，我国周口店第 13 地点发现的石器，有6070的刃角。到了春秋时期，由于冶铁手工业的发展，采用铁制的尖劈，并在生产、生活中加
11、以应用。公元 132 年，张衡创制了候风地动仪，它装有 8 个曲杠杆，对地震有预测作用。公元 138 年 3 月 1 日，地动仪朝西边的那个铜球突然下落到铜蛤蟆的嘴中，但当时洛阳城并没有地震的感觉。过了好几天，送信人到当时洛阳城并没有地震的感觉。过了好几天，送信人到洛阳，报告了甘肃发6生了大地震，证明了地动仪的科学价值。类似的仪器，在欧洲到公元 1703年才试制成功。其他力学知识春秋时期以前，人们已认识了物体的重心及其应用。中华人民共和国成立后，在西安半坡村出土的属于仰韶文化期的尖底提水陶壶结构就说明了这一点。这种提水壶，底尖、腹大、口小，系绳的耳环设在壶腹靠下的部位。当空壶悬挂时，壶身略有倾
12、斜；当壶中注入约 6070%的水时，水壶的重心下降至耳环这一支点以下，壶就正立；继续注水，当水壶的重心高至支点以上时，壶就自动倾倒。这样的安排，何等巧妙。到先秦时期，这种提水壶经过修饰，变成一种宫廷玩物“欹器”，它也是一种利用重心来调节平衡的器物。春秋末年，人们利用水的浮力来测定箭杆材料和木制轮子的均匀性，提出“平沈必均”的见解，表示浮沉程度一样（“平沈”），各处的质量必然均匀（“必均”）。广为流传的曹冲称象的故事，也是一例。相传蒲州附近，潼关以北黄河上曾架有一浮桥，用 8 只铁牛系住，这些铁牛各重数万斤，立于两岸。1064 年因洪水暴涨，浮桥冲坏，铁牛也沉没在河中。僧怀丙知道后，便用两只大船
13、装满泥土，同时派人潜入水中用铁索把水底的铁牛系在大船上，然后卸去大船中的泥土，结果“舟浮水出”。【亚里士多德和他的运动原理】亚里士多德（Aristotle，公元前 384前 322）是古希腊时期在科学界、哲学界影响最大的人物，是一位伟大的思想家，也是一位最博学的人物。曾学过医，也当过教师，在雅典创办了自己的学院和学派。他也和当7时的哲学家们一样，力求提出一个完整的世界体系来解释各种自然现象。同时他又是首先从经验出发来考察和研究具体问题的人。他对天文学、物理学、生物学等方面都有研究，并提出了自己的见解。他也是形式逻辑的创始人。他著有物理学一书，这是一部关于自然哲学的著作。书中提出了比较系统的运动
14、理论，认为运动是事物从潜能变为现实，运动与物体不可分，运动是永恒的，但是他又认为永恒的运动必定有永恒的原因，将“第一推动者”作为整个宇宙永恒运动的根源。他反对原子论，不承认存在真空，并提出了两条物体的运动原理。第一，他认为物体只有在一个外来的推动者不断作用下，才能保持运动。如果推动者停止作用，那么物体就会立刻停下来。这就是动者不断作用下，才能保持运动。如果推动者停止作用，那么物体就会立刻停下来。这就是我们后来所说的“力是产生运动的原因”。第二，他认为轻、重两个物体同时降落的话，重的物体比轻的物体下坠得快。这两个错误观点流传达 2000 年之久，后被伽利略纠正。【阿基米德和浮力原理】阿基米德（A
15、rchimedes，公元前 287前 212）是古希腊数学家、物理学家、发明家。他提出了比重的概念，发现了后来命名的阿基米德定律，研究了杠杆原理，制造了很多机械。关于阿基米德定律的发现，流传着一个有趣的故事。相传叙拉古国王亥厄洛用黄金请工匠做了一顶非常精致、漂亮的王冠，但是他怀疑工匠用银子偷换了部分黄金。于是要阿基米德在不损坏王冠的前提下，查验王冠是否是纯金制成的。阿基米德整天捧着王冠苦苦思索，总是不得要领。但8是他并不气馁，继续研究。一次，阿基米德洗澡，他跨入盛满着水的浴桶，随着身子浸入浴桶，一方面感到水对身子有一股向上的托力，另一方面一部分水从桶边溢出。阿基米德发现这个现象，立刻领悟到可以
16、用测定固体在水中排水量的办法来测定该固体的比重。这时，阿基米德异常兴奋，忘了自己是裸露着身子，从浴桶中一跃而起，奔了出去，狂呼“攸勒加，攸勒加”（意思是我找到了）。阿基米德继续做实验，拿一块黄金和一块重量与之相等的白银，由于比重不同，两者体积就不同。如把两者分别放入盛满水的容器中，则银块排出的水比金块多得多。于是阿基米德来到王宫，把王冠和同等重量的纯金块放进盛满水的容器里，分别测出它们排出的水量，一比较，问题就解决了。根据各种历史记载，我们不必花精力去追究工匠是否偷盗了黄金，但是从这个实验中却得出了一个重要的物理定律，即阿基米德定律。阿基米德在论浮体中表述了这一定律的重要内容：放在水中的物体所失去的重量，等于其排开的水的重量。
