正文 250 物理學之力學 中 文 / 月之輪迴

    應用領域

    力學是物理學、天學和許多工程學的基礎，機械、建築、航天器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本據。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、航天飛機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10億美元的海上采油平台；以排水量達5x105t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。

    總之還有許多的問題。

    歷史發展

    力學（dynamics）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。

    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係，只是在歐洲藝復興時期以後才逐漸有了正確的認識。

    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。牛頓繼承和發展前人的研究成果(特別是開普勒的行星運動三定律)，提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。牛頓運動定律的建立標誌著力學開始成為一門科學。

    此後。力學的研究對像由單個的自由質點，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**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。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。計算機的應用日益廣泛，力學無論在應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。

    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：philosatica），是英國偉大的科學家艾薩克.牛頓的代表作。成書於1687年。

    簡介

    《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。

    目錄

    序言

    定義

    運動的公理或定律

    第一編物體的運動

    第1章初量與終量的比值方法，由此可以證明下述命題

    第2章向心力的確定

    第3章物體在偏心的圓錐曲線上的運動

    第4章由已知焦點求橢圓,拋物線和雙曲線的軌道

    第5章焦點未知時怎樣求軌道

    第6章怎樣

    求已知軌道上的運動

    第7章物體的直線上升或下降

    第8章受任意類型向心力作用的物體環繞軌道的確定

    第9章沿運動軌道的物體運動；回歸點運動

    第10章物體在給定表面上的運動；物體的擺動運動

    第11章受向心力作用物體的相互吸引運動

    第12章球體的吸引力

    第13章非球形物體的吸引第14章受指向極大物體各部分向心力推動的極小物體的運動

    第二編物體(在阻滯介質中)的運動

    第1章受與速度正比的阻力作用的物體運動

    第2章受正比於速度平方的阻力作用的物體運動

    第3章物體受部分正比於速度平方的阻力作用的物體運動

    第4章物體在阻滯介質中的圓運動

    第5章流體密度和壓力;流體靜力學

    第6章擺體的運動與阻力

    第7章流體的運動，及其對拋體的阻力

    第8章通過流體傳播的運動

    第9章流體的圓運動

    第三編宇宙體系

    哲學中的推理規則

    現象

    命題

    月球交會點的運動

    總釋(未完待續)