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力學(xué)簡介

物理學(xué)的一個分支學(xué)科。它是研究物體的機(jī)械運(yùn)動和平衡規(guī)律及其應(yīng)用的。力學(xué)可分為靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)三部分。靜力學(xué)是以討論物體在外力作用下保持平衡狀態(tài)的條件為主。運(yùn)動學(xué)是撇開物體間的相互作用來研究物體機(jī)械運(yùn)動的描述方法，而不涉及引起運(yùn)動的原因。動力學(xué)是討論質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)所受的力和壓力作用下發(fā)生的運(yùn)動兩者之間的關(guān)系。力學(xué)也可按所研究物體的性質(zhì)分為質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。連續(xù)介質(zhì)通常分為固體和流體，固體包括彈性體和塑性體，而流體則包括液體和氣體。

16世紀(jì)到17世紀(jì)間，力學(xué)開始發(fā)展為一門獨(dú)立的、系統(tǒng)的學(xué)科。伽利略通過對拋體和落體的研究，提出慣性定律并用以解釋地面上的物體和天體的運(yùn)動。17世紀(jì)末牛頓提出力學(xué)運(yùn)動的三條基本定律，使經(jīng)典力學(xué)形成系統(tǒng)的理論。根據(jù)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(yùn)動規(guī)律和行星的運(yùn)動軌道。此后兩個世紀(jì)中在很多科學(xué)家的研究與推廣下，終于成為一門具有完善理論的經(jīng)典力學(xué)。1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，對于高速運(yùn)動物體，必須用相對力學(xué)來代替經(jīng)典力學(xué)，因為經(jīng)典力學(xué)不過是物體速度遠(yuǎn)小于光速的近似理論。20世紀(jì)20年代量子力學(xué)得到發(fā)展，它根據(jù)實物粒子和光子具有粒子和波動的雙重性解釋了經(jīng)典力學(xué)不能解釋的微觀現(xiàn)象，并且在微觀領(lǐng)域給經(jīng)典力學(xué)限定了適用范圍。

經(jīng)典力學(xué)

經(jīng)典力學(xué)的基本定律是牛頓運(yùn)動定律或與牛頓定律有關(guān)且等價的其它力學(xué)原理，它是20世紀(jì)以前的力學(xué)，有兩個基本假定：其一是假定時間和空間是絕對的，長度和時間間隔的測量與觀測者的運(yùn)動無關(guān)，物質(zhì)間相互作用的傳遞是瞬時到達(dá)的;其二是一切可觀測的物理量在原則上可以無限精確地加以測定。20世紀(jì)以來，由于物理學(xué)的發(fā)展，經(jīng)典力學(xué)的局限性暴露出來。如第一個假定，實際上只適用于與光速相比的低速運(yùn)動情況。在高速運(yùn)動情況下，時間和長度不能再認(rèn)為與觀測者的運(yùn)動無關(guān)。第二個假定只適用于宏觀物體。在微觀系統(tǒng)中，所有物理量在原則上不可能同時被精確測定。因此經(jīng)典力學(xué)的定律一般只是宏觀物體低速運(yùn)動時的近似定律。

牛頓力學(xué)

它是以牛頓運(yùn)動定律為基礎(chǔ)，在17世紀(jì)以后發(fā)展起來的。直接以牛頓運(yùn)動定律為出發(fā)點(diǎn)來研究質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動，這就是牛頓力學(xué)。它以質(zhì)點(diǎn)為對象，著眼于力的概念，在處理質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)問題時，須分別考慮各個質(zhì)點(diǎn)所受的力，然后來推斷整個質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動。牛頓力學(xué)認(rèn)為質(zhì)量和能量各自獨(dú)立存在，且各自守恒，它只適用于物體運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于光速的范圍。牛頓力學(xué)較多采用直觀的幾何方法，在解決簡單的力學(xué)問題時，比分析力學(xué)方便簡單。

分析力學(xué)

經(jīng)典力學(xué)按歷史發(fā)展階段的先后與研究方法的不同而分為牛頓力學(xué)及分析力學(xué)。1788年拉格朗日發(fā)展了歐勒·達(dá)朗伯等人的工作，發(fā)表了“分析力學(xué)”。分析力學(xué)處理問題時以整個力學(xué)系統(tǒng)作為對象，用廣義坐標(biāo)來描述整個力學(xué)系統(tǒng)的位形，著眼于能量概念。在力學(xué)系統(tǒng)受到理想約束時，可在不考慮約束力的情況下來解決系統(tǒng)的運(yùn)動問題。分析力學(xué)較多采用抽象的分析方法，在解決復(fù)雜的力學(xué)問題時顯出其優(yōu)越性。

理論力學(xué)

是力學(xué)與數(shù)學(xué)的結(jié)合。理論力學(xué)是數(shù)學(xué)物理的一個組成部分，也是各種應(yīng)用力學(xué)的基礎(chǔ)。它一般應(yīng)用微積分、微分方程、矢量分析等數(shù)學(xué)工具對牛頓力學(xué)作深入的闡述并對分析力學(xué)作系統(tǒng)的介紹。由于數(shù)學(xué)更深入地應(yīng)用于力學(xué)這個領(lǐng)域，使力學(xué)更加理論化。

運(yùn)動學(xué)

用純粹的解析和幾何方法描述物體的運(yùn)動，對物體作這種運(yùn)動的物理原因可不考慮。亦即從幾何方面來研究物體間的相對位置隨時間的變化，而不涉及運(yùn)動的原因。

動力學(xué)

討論質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)所受的力和在力作用下發(fā)生的運(yùn)動兩者之間的關(guān)系。以牛頓定律為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的需要提出了各種形式的動力學(xué)基本原理，如達(dá)朗伯原理、拉格朗日方程、哈密頓原理，正則方程等。根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)時狀態(tài)以及內(nèi)部各部分間的相互作用和系統(tǒng)與它周圍環(huán)境之間的相互作用可預(yù)言將要發(fā)生的運(yùn)動。

彈性力學(xué)

它是研究彈性體內(nèi)由于受到外力的作用或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力，形變和位移的一門學(xué)科，故又稱彈性理論。彈性力學(xué)通常所討論的是理想彈性體的線性問題。它的基本假定是：物體是連續(xù)、均勻和各向同性的;物體是完全彈性體;在施加負(fù)載前，體內(nèi)沒有初應(yīng)力;物體的形變十分微小。根據(jù)上述假定，對應(yīng)力和形變關(guān)系而作的數(shù)學(xué)推演常稱為數(shù)學(xué)彈性力學(xué)。此外還有應(yīng)用彈性力學(xué)。如物體形變不是十分微小，可用非線性彈性理論來研究。若物體內(nèi)部應(yīng)力超過了彈性極限，物體將進(jìn)入非完全彈性狀態(tài)。此時則必須用塑性理論來研究。

連續(xù)介質(zhì)力學(xué)

它是研究質(zhì)量連續(xù)分布的可變形物體的運(yùn)動規(guī)律，主要討論一切連續(xù)介質(zhì)普遍遵從的力學(xué)規(guī)律。例如，質(zhì)量守恒、動量和角動量定理、能量守恒等。彈性體力學(xué)和流體力學(xué)有時綜合討論稱為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)。

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