力學

力學是一門獨立的基礎學科,是有關力、運動和介質(固體、液體、氣體和等離子體),宏、細、微觀力學性質的學科,研究以機械運動為主,及其同物理、化學、生物運動耦合的現象。力學是一門基礎學科,同時又是一門技術學科。它研究能量和力以及它們與固體、液體及氣體的平衡、變形或運動的關係。力學可區分為靜力學、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;運動學只考慮物體怎樣運動,不討論它與所受力的關係;動力學討論物體運動和所受力的關係。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。

  • 中文名稱
    力學
  • 外文名稱
    Mechanics
  • 研究方向
    物質機械運動規律
  • 研究方法
    實踐-理論-實踐
  • 學科設定
    基礎學科
  • 學科分類
    靜力學、運動學和動力學
  • 重要著作
    《自然哲學的數學原理》

原理

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,巨觀的天體和常規物體,細觀的顆粒、纖維、晶體,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巨觀對象為主。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對象以及有關的規律。 力學又稱經典力學,是研究通常尺寸的物體在受力下的形變,以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學。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,則是其中的特殊情況。物質運動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。 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,則意味著各作用力在某種意義上的平衡,因此,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繫。"力學"一詞的英語是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範圍的差異,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,不是指力學家。

力學實驗力學實驗

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、灌溉等勞動中使用槓桿、斜面、汲水器等器具,逐漸積累起對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德初步奠定了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,了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係,只是在歐洲文藝復興時期以後才逐漸有了正確的認識。16世紀到17世紀間,力學開始發展為一門獨立的、系統的學科。伽利略通過對拋體和落體的研究,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,提出慣性定律並用以解釋地面上的物體和天體的運動。17世紀末牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是克卜勒的行星運動三定律),提出力學運動的三條基本定律,使經典力學形成系統的理論。根據牛頓三定律和萬有引力定律成功地解釋了地球上的落體運動規律和行星的運動軌道。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。此後兩個世紀中在很多科學家的研究與推廣下,終於成為一門具有完善理論的經典力學。此後,力學的研究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。這方面的標誌是達朗貝爾提出的達朗貝爾原理,和拉格朗日建立的分析力學。其後,歐拉又進一步把牛頓運動定律用於剛體和理想流體的運動方程,這被看作是連續介質力學的開端。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納維、柯西、泊松、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。從牛頓到漢密爾頓的理論體系組成了物理學中的經典力學。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,工程技術中許多套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。20世紀初,隨著新的數學理論

和方法的出現,力學研究又蓬勃發展起來,創立了許多新的理論,同時也解決了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等。這時的先導者是普朗特和卡門,他們在力學研究工作中善於從複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20世紀60年代起,計算機的套用日益廣泛,力學無論在套用上或理論上都有了新的進展。力學在中國的發展經歷了一個特殊的過程。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。到明末清初,中國科學技術已顯著落後於歐洲。

克卜勒克卜勒

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;運動學只考慮物體怎樣運動,不討論它與所受力的關係;動力學討論物體運動和所受力的關係。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。根據研究對象具體的形態、研究方法、研究目的的不同,固體力學可以分為理論力學、材料力學、結構力學、彈性力學、板殼力學、塑性力學斷裂力學機械振動聲學計算力學有限元分析等等,流體力學包含流體靜力學、流體動力學等等。根據針對對象所建立的模型不同,力學也可以分為質點力學、剛體力學和連續介質力學連續介質通常分為固體和流體,固體包括彈性體和塑性體。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

力學除了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出現了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;屬於固體力學的有材料力學、結構力學、彈性力學、塑性力學、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,到了21世紀則有空氣動力學、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採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套用結果形成工程力學或套用力學的各種分支,諸如土力學、岩石力學、爆炸力學複合材料力學、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、化學流體動力學、電漿動力學、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。20世紀以來,力學有了很大的發展,創立了一系列重要的新概念、新理論和新方法。力學與其它學科的交叉和融合日顯突出,形成了許多力學交叉學科:力學與物理學的交叉形成了物理力學,與生命科學的交叉形成了生物力學,與環境科學和地學的交叉形成了環境力學,以及爆炸力學、電漿力學等都形成了力學的新的學科生長點,不斷地豐富著力學的研究內容和方法,並使力學學科始終保持著旺盛的生命力。同時,人類社會和經濟發展的更高需求將不斷促進力學與其他學科的交叉,促進力學交叉學科發展到一個嶄新的階段。

固體力學表示圖固體力學表示圖

主要理論

1.物體運動三定律

2.達朗貝爾原理

3.分析力學理論

4 . 連續介質力學理論

5.彈性固體力學基本理論

6.粘性流體力學基本理論

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。力學家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係。

為了使這種關係反映事物的本質,力學家要善於抓住起主要作用的因素,撇棄或暫時撇棄一些次要因素。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或物理學的規律,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。依據所得理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加以驗證。在理論演繹中,為了使理論具有更高的概括性和更廣泛的適用性,往往採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。力學研究工作方式是多樣的:有些只是純數學的推理,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;有些著重實驗技術等等。而更大量的則是著重在運用現有力學知識,解決工程技術中或探索自然界奧秘中提出的具體問題。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。套用研究更需要對套用對象的工藝過程、材料性質、技術關鍵等有清楚的了解。在力學研究中既有細緻的、獨立的分工,又有綜合的、全面的協作。

套用領域

力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎,機械、建築、太空飛行器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本依據。機械運動是物質運動的最基本的形式。機械運動亦即力學運動。在力學理論的指導或支持下取得的工程技術成就不勝枚舉。最突出的有:以人類登月、建立空間站、 太空梭等為代表的航天技術;以速度超過5倍聲速的軍用飛機、起飛重量超過300t、尺寸達大半個足球場的民航機為代表的航空技術;以單機功率達百萬千瓦的汽輪機組為代表的機械工業,可以在大風浪下安全作業的單台價值超過10億美元的海上採油平台;以排水量達5×105t的超大型運輸船和航速可達30多節、深潛達幾百米的潛艇為代表的船舶工業;可以安全運行的原子能反應堆;在地震多發區建造高層建築;正在陸上運輸中起著越來越重要作用的高速列車,等等,甚至如兩彈引爆的核心技術,也都是典型的力學問題。力學發展到今天已經構建成了宏偉的大廈,能夠解決我們生存空間內的許多問題,但也有解釋和解決不了的問題,需要繼續探索,為其添磚加瓦,使其更完善。總之還有許多的問題。

重要著作

自然哲學的數學原理》(又譯《自然哲學之數學原理》,拉丁文:Philosophiae Naturalis Principia Mathematica),是英國偉大的科學家艾薩克·牛頓的代表作。成書於1687年。《自然哲學的數學原理》是第一次科學革命的集大成之作,被認為是古往今來最偉大的科學著作,它在物理學、數學、天文學和哲學等領域產生了巨大影響。在寫作方式上,牛頓遵循古希臘的公理化模式,從定義、定律(公理)出發,導出命題;對具體的問題(如月球的運動),他把從理論導出的結果和觀察結果相比較。全書共分五部分,首先"定義",這一部分給出了物質的量、時間、空間、向心力等的定義。第二部分是"公理或運動的定律",包括著名的運動三定律。接下來的內容分為三卷。前兩卷的標題一樣,都是"論物體的運動"。第一卷研究在無阻力的自由空間中物體的運動,許多命題涉及已知力解定受力物體的運動狀態(軌道、速度、運動時間等),以及由物體的運動狀態確定所受的力。第二卷研究在阻力給定的情況下物體的運動、流體力學以及波動理論。壓卷之作的第三卷是標題是"論宇宙的系統"。由第一卷的結果及天文觀測牛頓導出了萬有引力定律,並由此研究地球的形狀,解釋海洋的潮汐,探究月球的運動,確定彗星的軌道。本卷中的"研究哲學的規則"及"總釋"對哲學和神學影響很大。

著名人物

阿基米德

古希臘的阿基米德對槓桿平衡、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統研究,確定它們的基本規律,初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。

阿基米德阿基米德

伽利略·伽利雷

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,間接證明了自由落體運動是勻變速直線運動,提出加速度的概念。

伽利略伽利略

艾薩克·牛頓

牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是克卜勒行星運動三定律),提出物體運動三定律。(牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律)

牛頓牛頓

阿爾伯特·愛因斯坦

《相對論》的創建人,對牛頓力學的諸多問題進行整改、修復和完善,開啟了物理學的新紀元。

阿爾伯特·愛因斯坦阿爾伯特·愛因斯坦

發展趨勢

固體力學

經典的連續介質力學將可能會被突破。新的力學模型和體系,將會概括某些對巨觀力學行為起敏感作用的細觀和微觀因素,以及這些因素的演化,從而使複合材料(包括陶瓷、聚合物和金屬)的強化、韌化和功能化立足於科學的認識之上。固體力學將融匯力-熱-電-磁等效應。機械力與熱、電、磁等效應的相互轉化和控制,到21世紀大都還限於測量和控制元件上,但這些效應的結合孕育著極有前途的新機會。21世紀初出現的數百層疊合膜"摩天大廈"式的微電子元器件,已迫切要求對這類力-熱-電耦合效應做深入的研究。以"Mechronics"為代表的微機械、微工藝、微控制等方面的發展,將會極大地推動對力-熱-電-磁耦合效應的研究。

流體力學

今後,太空梭和新一代的超聲速民航機的成功研製將首先取決於流體力學的進展。在有關的高溫空氣動力學中必須放棄原先的熱力學平衡的假定。吸氣式發動機中H2,O2在超聲速流動狀態下的混合、點火等,都是過去的理論和實踐未能解決的難題。超聲速流邊界層的控制、減阻以及降噪控制等也帶來一系列新問題。

一般力學

一般力學21世紀以來已開始進入生物體運動問題的研究,研究了人和動物行走、奔跑及跳躍中的力學問題。這種在巨觀範圍內對生物體進行的研究,已經帶來了一些新的結果。億萬年生物進化的結果,的確把最佳化的運動機能賦與了生存下來的物種。對其進一步研究,可以提供生物進化方向的理性認識,也可為人類進一步提高某些機構或機械的性能提供方向性的指導。以下幾個方面的問題應當給予充分重視:(1)固體的非平衡/不可逆熱力學理論;(2)塑性與強度的統計理論;(3)原子乃至電子層次上子系統(原子鍵,位錯,空位等缺陷)的動力學理論。為深入進行這些研究,應當充分利用與開發計算機模擬(如分子動力學)和現代宏、細、微觀實驗與觀測技術。工科離不開力學,在工科基礎課中,開設了不同的力學課程:理論力學,假設物體不發生變形,用傳統數學物理方法研究一切質點,物體的運動,靜力學和動力學原理,機械原理的理論基礎。材料力學,傳統方法研究物體在各種載荷下,包括靜力,靜扭矩,靜彎矩,振動,碰撞等,機械零部件和裝配設計,機械加工的理論基礎。流體力學,研究一切流體在容器、管道中運動規律和力學特性,液壓、氣動、熱分析的理論基礎。分析力學,使用計算數學方法分析力學有限元素法,把受力對象拆解成有限個元素,對每個元素進行受力分析,通過聯立偏微分方程組,用泛函求解,計算出每個元素,每個節點的應力應變。聯立方程組可化為剛度矩陣和自由度組成的矩陣方程。

生物力學

當今生物力學發展正經歷著深刻的變化。生命科學與包括力學在內的基礎和工程科學交叉、融合21世紀已愈來愈成為當今生命科學的研究熱點,同時也是力學學科的新生長點。基礎研究逐步精細化及定量化,大量數據的積累要求模型化及數學化,為生物力學研究開闢了新的用武之地。現代分子和細胞生物學既提出大量新課題,又帶來了許多新工具,推動著生物力學由巨觀向微(細)觀深入、並強調宏-微(細)觀相結合。實際套用的不斷湧現,催生著以解決與套用相關的工程技術問題為目標的新的生物工程學。這一新的生物工程學遠遠超出了基於微生物的、以發酵工程為標誌的生物技術及以醫療儀器研發為目標的生物醫學儀器這兩個傳統的領域。不斷尋求新的力學和物理原理與方法,與生命科學及其它基礎和工程科學進一步融合,已成為當今生物力學發展的主要特色。當今生物力學正經歷從"X × Bio = Bio-X"(交叉)到"Bio × X = X-Bio"(融合)的轉變。在基礎研究層面上,它將與生物物理學、生物數學、生物信息學、生物化學等緊密結合,重點研究生物學的定量化和精確化問題;在套用研究層面上,組織工程、藥物設計與輸運、血流動力學、骨-肌肉-關節力學等正在或已經得到臨床或工業界的認同,其核心是解決關鍵技術問題。當前生物力學的發展特點可大致歸納為:內涵擴大(生物醫學工程;生物工程),有機融合(生命科學與基礎和工程科學),微觀深入(細胞-亞細胞-分子層次;定量生物學),以及巨觀-微觀相結合(組織工程、器官力學;信息整合與系統生物學)。巨觀生物力學研究仍為主流,但巨觀-微觀相結合、微觀生物力學研究發展十分迅速。當前生物力學發展的前沿領域主要包括:1)細胞-分子力學;2)器官-組織力學;3)骨骼-肌肉-關節力學;4)生物力學新概念、新技術與新方法等。

環境力學

環境力學是力學與環境科學相互結合而形成一門新興交叉學科,主要研究自然環境中的變形、破壞、流動、遷移及其伴隨的物理、化學、生物過程和導致的物質、動量、能量輸運,定量化描述環境的演化規律和對人類生存環境的影響。環境力學的發展十分有利於深化人們對環境問題中的物理過程和基本規律的認識,促進環境問題的定量化研究。21世紀的環境力學研究,既要注重學科發展的自身規律和要求,又要緊密結合國家需求和工程實際,將機理研究、規律分析與防治措施有機地結合起來。結合中國的經濟和社會發展需求,中國的環境力學研究必須抓住一個基礎(複雜介質流動和多過程耦合)、兩個經濟發展地區(西部和沿海)、三個方面(水環境、大氣環境、災害與安全),確立重點發展領域,促進學科的發展。一方面,強調環境力學中的共性科學問題,包括:(1)環境流動與輸運的基本方程和求解方法;(2)氣、液、固界面的耦合;(3)多相、多組分、多過程,以及多尺度的耦合分析等;(4)"環境力學"中模型實驗的尺度效應問題等。另一方面,瞄準西部開發和沿海經濟開發,以及重大工程和影響的實際環境問題,包括:(1) 西部乾旱、半乾旱環境治理的動力學過程 -土壤侵蝕機理、沙塵暴形成和輸送機理、以及荒漠化治理;(2)以水或氣為載體的物質輸運過程-污染物排放過程的精確預報、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態環境的影響規律;(3)重大環境災害發生機理及預報- 熱帶氣鏇、風暴潮、洪水預測、滑坡、土石流產生機理、全球變暖等

中國大學

本一級學科中,全國具有"博士一級"授權的高校共38所 ,本次有28所參評;還有部分具有"博士二級"授權和碩士授權的高校參加了評估; 參評高校總計39所。 注:以下得分相同的高校按學校代碼順序排列。

2012年教育部學科評估結果

排名

學校代碼及名稱

得分

1

10001 北京大學

90

10003 清華大學

10213 哈爾濱工業大學

4

10006 北京航空航天大學

85

5

10141 大連理工大學

83

6

10287 南京航空航天大學

81

7

10698 西安交通大學

80

10699 西北工業大學

9

10007 北京理工大學

78

10056 天津大學

10358 中國科學技術大學

12

10248 上海交通大學

76

10335 浙江大學

14

10280 上海大學

74

10290 中國礦業大學

10730 蘭州大學

17

10247 同濟大學

72

10288 南京理工大學

10294 河海大學

10487 華中科技大學

21

10004 北京交通大學

70

10610 四川大學

10613 西南交通大學

24

10217 哈爾濱工程大學

69

10611 重慶大學

26

10147 遼寧工程技術大學

67

10246 復旦大學

10299 江蘇大學

10459 鄭州大學

11414 中國石油大學

11646 寧波大學

32

10142 瀋陽工業大學

64

10143 瀋陽航空航天大學

10153 瀋陽建築大學

10252 上海理工大學

10618 重慶交通大學

37

10150 大連交通大學

62

10488 武漢科技大學

10731 蘭州理工大學

國家重點學科

擁有力學國家一級重點學科的高校

北京大學

清華大學,北京協和醫學院-清華大學醫學部

北京航空航天大學

大連理工大學

哈爾濱工業大學

上海交通大學

南京航空航天大學

中國科學技術大學

蘭州大學

擁有力學國家二級重點學科的高校不含已擁有力學國家一級重點學科的高校

一般力學與力學基礎

湘潭大學

固體力學

浙江大學,四川大學,西安交通大學,西北工業大學

流體力學

天津大學,上海大學

工程力學

北京理工大學,同濟大學,中國礦業大學,河海大學

相關詞條

相關搜尋