力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有多種層次,從宇觀的宇宙體系,宏觀的天體和常規物體,細觀的顆粒、纖維、晶體,到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學以研究天然的或人工的宏觀物件為主。但由於學科的互相滲透,有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的物件以及有關的規律。機械運動亦即力學運動是物質在時間、空間中的位置變化,包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等,而平衡或靜止,則是其中的一種特殊情況。機械運動是物質運動的最基本的形式。物質運動的的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等。機械運動並不能脫離其他運動形式獨立存在,隻是在研究力學問題時突出地考慮機械運動這種形式罷瞭;如果其他運動形式對機械運動有較大影響,或者需要考慮它們之間的相互作用,便會在力學同其他學科之間形成交叉學科或邊緣學科。力是物質間的一種相互作用,機械運動狀態的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變,都意味著各作用力在某種意義上的平衡。力學,可以說是力和(機械)運動的科學。

  力學在漢語中的意思是力的科學。漢語“力”字最初表示的是手臂使勁,後來雖又含有他義,但都同機械或運動沒有直接聯系。“力學”一詞譯自英語mechanics(源於希臘語μηχανη──機械)。在英語中,mechanics是一個多義詞,既可釋作“力學”,也可釋作“機械學”、“結構”等。在歐洲其他語種中,此詞的語源和語義都與英語相同。漢語中沒有同它對等的多義詞。mechanics在19世紀50年代作為研究力的作用的學科名詞傳入中國時,譯作“重學”,後來改譯作“力學”,一直使用至今。“力學的”和“機械的”在英語中同為mechanical,而現代漢語中“機械的”又可理解為“刻板的”。這種不同語種中詞義包容范圍的差異,有時引起國際學術交流中的周折。例如機械的(mechanical)自然觀,其實指用力學解釋自然的觀點,而英語mechanist是指機械師,不是指力學傢。

發展簡史

  力學知識最早起源於對自然現象的觀察和在生產勞動中的經驗。人們在建築、灌溉等勞動中使用杠桿、斜面、汲水器具,逐漸積累起對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德對杠桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作瞭系統研究,確定它們的基本規律,初步奠定瞭靜力學即平衡理論的基礎。古代人還從對日、月運行的觀察和弓箭、車輪等的使用中瞭解一些簡單的運動規律,如勻速的移動和轉動。但是對力和運動之間的關系,隻是在歐洲文藝復興時期以後才逐漸有瞭正確的認識。伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上,最早闡明自由落體運動的規律,提出加速度的概念。I.牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是J.開普勒的行星運動三定律),提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定瞭動力學的基礎。牛頓運動定律的建立標志著力學開始成為一門科學。此後力學的進展在於它所考慮的對象由單個的自由質點轉向受約束的質點和受約束的質點系;這方面的標志是J.le R.達朗伯提出的達朗伯原理和J.-L.拉格朗日建立的分析力學。L.歐拉又進一步把牛頓運動定律推廣用於剛體和理想流體的運動方程。歐拉建立理想流體的力學方程可看作是連續介質力學的肇端。在此以前,有關固體的彈性、流體的粘性、氣體的可壓縮性等的物質屬性方程已經陸續建立。運動定律和物性定律這兩者的結合,促使彈性固體力學基本理論和粘性流體力學基本理論孿生於世,在這方面作出貢獻的是C.-L.-M.-H.納維、A.-L.柯西、S.-D.泊松、G.G.斯托克斯等人。彈性力學和流體力學基本方程的建立,使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。另一方面,從拉格朗日分析力學基礎上發展起來的哈密頓體系,繼續在物理學中起作用。從牛頓到W.R.哈密頓的理論體系組成物理學中的經典力學或牛頓力學。在彈性和流體基本方程建立後,所給出的方程一時難於求解,工程技術中許多應用力學問題還須依靠經驗或半經驗的方法解決。這使得19世紀後半葉在材料力學、結構力學同彈性力學之間,水力學和水動力學之間一直存在著風格上的顯著差別。到20世紀初,在流體力學和固體力學中,實際應用同數學理論的上述兩個方面開始結合,此後力學便蓬勃發展起來,創立瞭許多新的理論,同時也解決瞭工程技術中大量的關鍵性問題,如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題。這種理論和實際密切結合的力學的先導者是L.普朗特和T.von卡門。他們在力學研究工作中善於從復雜的現象中洞察事物本質,又能尋找合適的解決問題的數學途徑,逐漸形成一套特有的方法。從60年代起,電子計算機應用日廣,力學無論在應用上或理論上都有瞭新的進展。力學繼承它過去同航空和航天工程技術結合的傳統,在同其他各種工程技術以及同自然科學的其他學科的結合中,開拓自己新的應用領域。

  力學在中國的發展經歷瞭一個特殊的過程。與古希臘幾乎同時,中國古代對平衡和簡單的運動形式就已具備相當水平的力學知識,所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統。在文藝復興前的約一千年時間內,整個歐洲的科學技術進展緩慢,而中國科學技術的綜合性成果堪稱卓著,其中有些在當時世界居於領先地位。這些成果反映出豐富的力學知識,但終未形成系統的力學理論。到明末清初,中國科學技術已顯著落後於歐洲。經過曲折的過程,到19世紀中葉,牛頓力學才由歐洲傳入中國。以後,中國力學的發展便隨同世界潮流前進。

學科性質

  力學原是物理學的一個分支。物理科學的建立則是從力學開始的。在物理科學中,人們曾用純粹力學理論解釋機械運動以外的各種形式的運動,如熱、電磁、光、分子和原子內的運動等。當物理學擺脫瞭這種機械(力學)的自然觀而獲得健康發展時,力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化,逐漸從物理學中獨立出來。20世紀初,相對論指出牛頓力學不適用於速度接近光速或者宇宙尺度內的物體運動;20年代,量子論指出牛頓力學不適用於微觀世界。這反映人們對力學認識的深化,即認識到物質在不同層次上的機械運動規律是不同的。通常理解的力學隻以研究宏觀的機械運動為主,因而有許多帶“力學”名稱的學科如熱力學、統計力學、相對論力學、電動力學、量子力學等在習慣上被認為是物理學的分支,而不屬於力學的范圍。但由於歷史上的原因,力學和物理學仍有著特殊的親緣關系,特別是在以上各“力學”分支和牛頓力學之間,許多概念、方法、理論都有不少相似之處。

  力學與數學在發展中始終相互推動,相互促進。一種力學理論往往和相應的一個數學分支相伴產生,如運動基本定律和微積分,運動方程的求解和常微分方程,彈性力學及流體力學的基本方程和數學分析理論,天體力學中運動穩定性和微分方程定性理論等。有人甚至認為力學是一門應用數學。但是力學和物理學一樣,還有需要實驗基礎的一面,而數學尋求的是比力學更帶普遍性的數學關系,兩者有各自的研究對象。

  力學同物理學、數學等學科一樣,是一門基礎科學,它所闡明的規律帶有普遍的性質。

  力學又是一門技術科學,它是許多工程技術的理論基礎,又在廣泛的應用過程中不斷得到發展。當工程學還隻分民用工程學(即土木工程學)和軍事工程學兩大分支時,力學在這兩個分支中已起著舉足輕重的作用。工程學越分越細,各個分支中許多關鍵性的進展都有賴於力學中有關運動規律、強度、剛度等問題的解決。力學和工程學的結合促使工程力學各個分支的形成和發展。現在,無論是歷史較久的土木工程、建築工程、水利工程、機械工程、船舶工程等,還是後起的航空工程、航天工程、核技術工程、生物醫學工程等,都或多或少有工程力學的活動場地。力學作為一門技術科學,並不能代替工程學,隻指出工程技術中解決力學問題的途徑,而工程學則從更綜合的角度考慮具體任務的完成。同樣地,工程力學也不能代替力學,因為力學還有探索自然界一般規律的任務。

  力學既是基礎科學又是技術科學這種二重性,有時難免會引起側重基礎研究一面和側重應用研究一面的力學傢之間的不同看法。但這種二重性也使力學傢感到自豪,他們為溝通人類認識自然和改造自然兩個方面作出瞭貢獻。

研究方法

  力學研究方法遵循認識論的基本法則:實踐-理論-實踐。力學作為基礎科學和作為技術科學從不同側面反映這個法則。力學傢們根據對自然現象的觀察,特別是定量觀測的結果,根據生產過程中積累的經驗和數據,或者根據為特定目的而設計的科學實驗的結果,提煉出量與量之間的定性的或數量的關系。為瞭使這種關系反映事物的本質,力學傢要善於抓住起主要作用的因素,屏棄或暫時屏棄一些次要因素。力學中把這種過程稱為建立模型。質點、質點系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續介質等是各種不同的模型。在模型的基礎上可以運用已知的力學的或物理學的規律(必要時作一些假設)以及合適的數學工具進行理論上的演繹工作,導出新的結論。在理論演繹中,為瞭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如雷諾數、馬赫數、泊松比等。這些參數既反映物理本質,又是單純的數字,不受尺寸、單位制、工程性質、實驗裝置類型的牽制。依據第一個實踐環節所得理論結論建立的模型是否合理,有待於新的觀測、工程實踐或者科學實驗等第二個實踐環節加以驗證。采用上述無量綱參數以及通過有關的量綱分析使得這種驗證能在更廣泛的范圍內進行。對一個單獨的力學課題或研究任務來說,這種實踐和理論環節不一定能分得很清,也可能和其他課題或任務的某個環節相互交叉,相互影響。課題或任務中每一項具體工作又可能隻涉及一個環節或者一個環節的一部分。因此,從局部看來,力學研究工作方式是多樣的:有些隻是純數學的推理,甚至著眼於理論體系在邏輯上的完善化;有些著重數值方法和近似計算;有些著重實驗技術;有些著重在天文觀測和考察自然現象中積累數據;而更大量的則是著重在運用現有力學知識來解決工程技術中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。每一項工程又都需要具備自身有關的知識和其他學科的配合。數學推理需要各種現代數學知識,包括一些抽象數學分支的知識。數值方法和近似計算要瞭解計算技術、計算方法和計算數學。現代的力學實驗設備,諸如大型的風洞、水洞,它們的建立和使用本身就是一個綜合性的科學技術項目,需要多工種、多學科的協作。應用研究更需要對應用對象的工藝過程、材料性質、技術關鍵等有清楚的瞭解。在力學研究中既有細致的、獨立的分工,又有綜合的、全面的協作。從力學研究和對力學規律認識的整體來說,實踐是檢驗理論正確與否的唯一標準。以上各種工作都是力學研究不可缺少的部分。

學科分類

  力學可粗分為靜力學、運動學和動力學三部分,靜力學研究力的平衡或物體的靜止問題;運動學隻考慮物體怎樣運動,不討論它與所受力的關系;動力學討論物體運動和所受力的關系。

  力學也可按所研究對象區分為固體力學、流體力學和一般力學三個分支,流體包括液體和氣體。固體力學和流體力學可統稱為連續介質力學,它們通常都采用連續介質的模型。固體力學和流體力學從力學分出後,餘下的部分組成一般力學。一般力學通常是指以質點、質點系、剛體、剛體系為研究對象的力學,有時還把抽象的動力學系統也作為研究對象。一般力學除瞭研究離散系統的基本力學規律外,還研究某些與現代工程技術有關的新興學科的理論。一般力學、固體力學和流體力學這三個主要分支在發展過程中又因對象或模型的不同而出現一些分支學科和研究領域。屬於一般力學的有理論力學(狹義的)、分析力學、外彈道學、振動理論、剛體動力學、陀螺力學、運動穩定性等。屬於固體力學的有早期形成的材料力學、結構力學,稍後形成的彈性力學、塑性力學,近期出現的散體力學、斷裂力學等。流體力學是由早期的水力學和水動力學這兩個風格迥異的分支匯合而成的,現在則有空氣動力學、氣體動力學、多相流體力學、滲流力學、非牛頓流體力學等分支。各分支學科間的交叉結果又產生粘彈性理論、流變學、氣動彈性力學等。

  力學也可按研究時所采用的主要手段區分為三個方面:理論分析、實驗研究和數值計算。實驗力學包括實驗應力分析、水動力學實驗和空氣動力實驗等。著重用數值計算手段的計算力學是廣泛使用電子計算機後才出現的,其中有計算結構力學、計算流體力學等。對一個具體的力學課題或研究項目,往往需要理論、實驗和計算這三方面的相互配合。

  力學在工程技術方面的應用結果形成工程力學或應用力學的各種分支,諸如土力學、巖石力學、爆炸力學、復合材料力學、工業空氣動力學、環境空氣動力學等。

  力學和其他基礎科學的結合也產生一些交叉性的分支,最早的是和天文學結合產生的天體力學。在20世紀特別是60年代以來,出現更多的這類交叉分支,其中有物理力學、物理-化學流體動力學、等離子體動力學、電流體動力學、磁流體力學、熱彈性力學、理性力學、生物力學、生物流變學、地質力學、地球動力學、地球構造動力學、地球流體力學等。

  力學分類的這種錯綜復雜情況是自然科學研究中綜合和分析這兩個不可分割的方面在力學發展過程中的反映。科學的發展總是分中有合,合中有分。本卷各條目所依據的分類法也將隨時間的推移而有所變動。