书城童书青少年应该知道的力
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第3章 纷繁复杂—力学的学科性质以及分类

1.力学性质

物理科学的建立是以力学为基础逐渐发展起来的。过去,人们在物理科学中用纯粹力学理论来解释那些机械运动之外的各种形式的运动,例如电磁、热、光、分子以及原子内的运动等。当时,力学几乎完全囊括和代替了电磁、热、光、波等几种学科,但随着科技的不断发展和对物理学的进一步研究与分工,物理学逐渐地脱离了这种机械(力学)的观点,步入正常的发展轨道,而力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化,逐渐从物理学中分立出来。

相对论于20世纪早期,指出牛顿力学对于高速的或宇宙尺度内的物体运动是不适用的;到了20年代,量子论又指出牛顿力学对于微观世界来说是不适用的,这说明人们对力学的认识正在一步步地深化,也就是说,人们开始认识到不同层次的物质的机械运动规律也是有差异的。通常情况下,人们是这样解释力学的:力学是以宏观的机械运动为研究内容的物理学的分支学科。

另外,我们常见的学科有很多带有“力学”名称的,例如统计力学、热力学、相对论力学、量子力学、电动力学等。按照习惯说法,人们将它们看成是物理学的其他分支,事实上,它们并不属于力学这一范围内。

在力学的发展过程中,数学始终起着推动作用和工具辅助作用,它们二者是相互促进,相互发展的,这是因为一种力学理论常常与一个相应的数学分支相伴而生。就拿运动基本定律和微积分来说,运动方程的求解和常微分方程,弹性力学、流体力学和数学分析理论,天体力学中运动稳定性和微分方程定性理论等,都是相伴而生的。正由于这样,有些人将力学视为一门应用数学。然而,力学同其他物理学分支一样,也需要实验基础这一方面。而数学要求的是比力学更具有普遍性的一种数学关系,二者的研究对象各不相同。

力学不仅是一门技术科学,而且也是一门基础科学,力学与物体的运动有着密切的联系,能够为许多工程技术提供一定的理论基础,力学在广泛的应用过程中得到进一步发展。

在工程学只有两大分支—民用工程学(即土木工程学)和军事工程学时,力学就已经在这两个分支中起着极其重要的作用。

后来,随着工程学的细化,每一个分支都出现了许多关键性的进展,这些进展都依赖于力学中有关运动强度、规律、刚度等一系列问题的解决才实现的。

力学、工程学二者的结合,有利于工程力学各个分支的形成和发展。目前,无论是历史较长的土木工程、建筑工程、机械工程、水利工程、船舶工程,还是后来发展起来的航天工程、航空工程、核技术工程、生物医学工程,都多多少少地有工程力学的活动场地。

力学本身所具备的二重性,有时不免会引起侧重基础研究和侧重应用研究的力学家之间的不同看法。不过,它的二重性同样会使力学家感到自豪,因为它能够在人类认识自然和改造自然这两个方面作出重大的贡献。

2.力学分类

按最大系统进行划分,力学可分为三部分:静力学、运动学、动力学。静力学以力的平衡或物体的静止问题为主要研究对象;而运动学只研究物体怎样运动,不讨论它与所受力的关系;动力学讨论物体运动和所受力的关系。

如按所研究对象来区分,力学可划分为三个分支:固体力学、流体力学和一般力学。其中的流体包括液体和气体;固体力学和流体力学又统称为连续介质力学,通常情况下,它们采用的都是连续介质的模型。固体力学和流体力学从力学分出后,余下的部分也就组成了一般力学。

一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学,有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外,还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。

在发展过程中,一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支,由于对象或模型有所差异又出现了一些分支学科和研究领域。一般力学包括理论力学(狭义的)、外弹道学、分析力学、振动理论、陀螺力学、刚体动力学、运动稳定性等;而固体力学包括材料力学、弹性力学、结构力学、断裂力学、塑性力学等;早期,流体力学是由水力学和水动力学这两个风格截然不同的分支交汇而成的,现如在,则包括空气动力学、多相流体力学、气体动力学、非牛顿流体力学、渗流力学等分支。由于各分支学科之间有交叉点,又产生了流变学、气动弹性力学、粘弹性理论等。

此外,如按研究时所采用的主要手段,力学可划分为理论分析、实验研究和数值计算三个方面。实验力学包括水动力学实验、实验应力分析、空气动力实验等。计算力学,着重用数值计算,在电子计算机得到广泛之后才出现的,其中包括计算结构力学、计算流体力学等。一个具体的力学课题或研究项目,不可能离开理论、实验和计算这三方面的相互配合。

在工程技术方面的应用,结果力学便形成了工程力学或应用力学的各种分支,例如土力学、爆炸力学、岩石力学、工业空气动力学、复合材料力学、环境空气动力学等。

力学在发展过程中,与其他基础科学相结合,产生了一些交叉性的分支。其中最早的就是,与天文学结合而产生的天体力学。进入20世纪60年代以来,这类交叉分支出现得更多,例如化学流体动力学、物理力学、电流体动力学、等离子体动力学、磁流体力学、热弹性力学、生物力学、理性力学、生物流变学、地球动力学、地质力学、地球流体力学、地球构造动力学等。