1.1 力学史概述

力学是物理学中发展最早的一个分支,它和人类的生活与生产联系最为密切。早在遥远的古代,人们就在生产劳动中应用了杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简单机械,从而促进了静力学的发展。古希腊时代,就已形成比重和重心的概念。阿基米德(Archimedes,约公元前 287—前 212)的杠杆原理和浮力原理提出于公元前二百多年。我国古代的春秋战国时期,以《墨经》为代表作的墨家,总结了大量力学知识,例如,时间与空间的联系、运动的相对性、力的概念、杠杆平衡、斜面的应用以及滚动和惯性等现象的分析,涉及力学的许多部门。虽然这些知识尚属力学科学的萌芽,但在力学发展史中应有一定的地位。

16 世纪以后,由于航海、战争和工业生产的需要,力学的研究得到了真正的发展。钟表工业促进了匀速运动的理论;水磨机械促进了摩擦和齿轮传动的研究;火炮的运用推动了抛射体的研究。天体的运行提供了机械运动最纯粹、最精确的数据资料,使得人们有可能排除摩擦和空气阻力的干扰,对机械运动得到规律性的认识。于是,天文学为力学找到了一个最理想的“实验室”,这就是天体。但是,天文学的发展又和航海事业分不开,只有等到 16、17 世纪,这时资本主义生产方式开始兴起,海外贸易和对外扩张刺激了航海的发展,这才提出对天文作系统观测的迫切要求。第谷·布拉赫(Tycho Brahe,1546—1601)顺应了这一要求,以毕生精力采集了大量观测数据,为开普勒(Johannes Kepler,1571—1630)的研究做了准备。开普勒于 1609 年和 1619 年先后提出了行星运动的三条规律,即开普勒三定律。

在数学方面,13—14 世纪英国牛津大学的梅尔顿(Merton)学院集聚了一批数学家,对运动的描述作过研究,他们提出了平均速度的概念,后来又提出加速度的概念,为新科学的诞生做了准备。

16—17 世纪,以伽利略(GalileoGalilei,1564—1642)为代表的物理学家对力学开展了广泛研究,得到了落体定律。伽利略的两部著作:《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(1632 年)和《关于力学和运动两门新科学的谈话》(简称《两门新科学》)(1638 年),为力学的发展奠定了思想基础。随后,牛顿(IsaacNewton,1642—1727)把天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合,进一步得到了力学的基本规律,建立了牛顿运动三定律和万有引力定律。牛顿建立的办学体系经过 D.伯努利(Daniel Bernoulli,1700—1782)、拉格朗日(J.L.Lagrange,1736—1813)、达朗贝尔(Jean le Rond d’Alembert,1717—1783)等人的推广和完善,形成了系统的理论,取得了广泛的应用并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。到了 18 世纪,经典力学已经相当成熟,成为自然科学中的主导和领先学科。

机械运动是最直观、最简单,也最便于观察和最早得到研究的一种运动形式。但是,任何自然界的现象都是错综复杂的,不可避免地会有干扰因素,不可能以完全纯粹的形态自然地展现在人们面前,力学现象也不例外。因此,人们要从生产和生活中遇到的各种力学现象抽象出客观规律,必定要有相当复杂的提炼、简化、复现、抽象等实验和理论研究的过程。和物理学的其他部门相比,力学的研究经历了更为漫长的过程。从古希腊时代算起,这个过程几乎达到两千年之久。其所以会如此漫长,一方面是由于人类缺乏经验,弯路在所难免,只有在研究中自觉或不自觉地摸索到了正确的研究方法,才有可能得出正确的科学结论。其次是由于生产水平低下,没有适当的仪器设备,无从进行系统的实验研究,难以认识和排除各种干扰。例如,摩擦和空气阻力对力学实验来说恐怕是无处不在的干扰因素。如果不加分析,凭直觉进行观察,往往得到错误结论。古希腊时代的亚里士多德(Aristotle,公元前 384—前322)正是这一现象的代表。他主张的物体运动速度与外力成正比、重物下落比轻物快、自然界惧怕真空,以及后人用“冲力”解释物体的持续运动的种种似是而非的论点,看起来确与经验没有明显的矛盾,所以长期没有人怀疑。再就是长期形成的思想枷锁抑制了人们的创造力,科学被当成是教会恭顺的奴婢。只有在以达·芬奇(Leonard da Vinci,1452—1519)为代表的文艺复兴运动的冲击下,思想得到了解放,才有可能出现伽利略和牛顿这样的科学先驱,而伽利略和牛顿的功绩,就是把科学思维和实验研究紧密结合到了一起,为力学的发展找到了一条正确的道路。

图 1 – 1  亚里士多德
图 1 – 2  托勒密
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发布时间:2008/1/10 上午10:52:46  阅读次数:8978

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