一年有春花秋果;日子日夜交替;日月星辰遨游天际;阳光雨露滋润万物。在古代,人类不到处观察日月星辰,就无法掌握农耕,辨别方向。这些天体相对于地球的运动是人类无时无刻不在遇到的机械运动。天文学诞生了。日心说由哥白尼创立后,丹麦著名天文学家、天文观测大师第谷·布拉赫经过20多年的精密观测,积累了大量关于行星运行的宝贵信息。第谷的观察为开普勒发现行星运动定律做好了准备。实践是检验真理的唯一标准。在托勒密的地心说和哥白尼的日心说体系之争的历史时期,第谷的精确观测为日心说的胜利奠定了坚实的基础。开普勒利用第谷多年积累的观测数据,对火星的运动进行了仔细的分析和研究,发现该行星在椭圆轨道上运行。1609年,他在《新天文学》中首次提出了开普勒第一定律和第二定律。第一定律又称椭圆轨道定律,它指出:“所有行星都是沿着大小不一的椭圆轨道绕太阳运行,太阳在椭圆的一个焦点上。”第二定律又称等面积定律,它指出:“当行星运动时,连接行星和太阳的直线将总是在同一时间扫过同一区域。”1619年,开普勒在《宇宙的和谐》一文中提出了第三定律,即周期律。这个定律是,行星公转周期的平方与它们轨道半长轴的立方成正比。这些定律也为牛顿发现万有引力定律提供了理论基础。经典力学始于伽利略,伟大的意大利物理学家和天文学家,现代实验科学的创始人,科学之父。他创造了一套科学研究方法,将实验、物理思维和数学推导巧妙地结合起来,开辟了自然科学发展的原因。是他第一个把实验引入物理学并赋予其重要地位,改掉了仅凭推测得出结论的恶习。同时,他也非常注重严格的推理和数学的应用。例如,他通过消除摩擦极限来解释惯性运动,并推断大石头和小石头应该一起下落的速度使亚里士多德陷入矛盾的困境,从而否定了重物体比轻物体下落速度快的结论。这样的推理可以消除直觉错误,从而更深刻地理解现象的本质。伽利略证明了惯性运动,并指出保持运动不需要外力。有一个关于体育的基本问题,因为太复杂了,千百年来都不清楚。长期以来,人们认为要改变一个静止物体的位置,必须推、拉或举它。经验使人们相信,要使一个物体运动得更快,就必须用更大的力去推动它。"所有移动的物体都必须由推动者推动."古希腊哲学家亚里士多德说过。在实验和观察的基础上,伽利略通过科学推理得出了正确的结论。他注意到,当一个球滚下斜面时,它会越来越快,当它滚起来时,它会越来越慢。当球水平滚动时,速度应该保持不变。但实际上,球在水平面上滚动一段距离后就会停下来,伽利略认为这是由于物体与地面的摩擦力。伽利略观察到,表面越光滑,摩擦力越小,球在水平面上滚得越远。想象一个没有摩擦的理想光滑表面。球将如何移动?伽利略的推论是球会永远滚动下去。伽利略的正确结论被牛顿总结为动力学的一个基本定律,被称为牛顿第一定律:这就否定了亚里士多德“运动必须被推动”的教条。伽利略还证明了所有物体都以相同的加速度下落。实验研究了匀加速运动。提出了相对性原理的概念。伽利略还亲自制作和改进了几架望远镜,并用它们巡视星空。他发现,随着望远镜放大率的增加,他看到的恒星数量也在增加;银河系是由无数独立的恒星组成的;月球上有崎岖不平的现象;金星也有一轮又一轮的变化;木星有四颗卫星。他还发现了太阳黑子,并认为太阳黑子是太阳表面的现象。他从太阳表面黑子的位移得出太阳自转周期为28天(实际为27.35天)。伽利略在他新发现的两本书中宣传了哥白尼的日心说:《恒星信使》(1613)和《关于太阳黑子的书信》(1613)。伽利略的《关于力学和局部运动两门新科学的对话和数学证明》一书奠定了经典力学中运动学和动力学的基础。此后,伽利略的科学研究方法广为流传,涌现出一批科学家(牛顿称他们为巨人),包括笛卡尔、惠更斯、莱布尼茨、波义耳、费马、帕斯卡、埃德姆·马略特、胡克、哈雷、奥托·冯·格里克等他们对惯性、动量守恒、向心力、碰撞、摆等的研究为牛顿的合成奠定了基础。161年,牛顿,18岁,中学毕业,考入剑桥大学三一学院。在大学的头两年,他不仅学习了算术、代数和三角学,还学习了欧几里得的《几何原本》。他还研究了笛卡尔的几何,熟练掌握了坐标法。这些数学知识为牛顿后来的科学研究奠定了坚实的基础。因为学习认真,三年后被选为优秀生,65438到0665毕业后留校。今年6月,剑桥因瘟疫威胁关闭,他连续20个月回老家。这20个月的平静生活,让他有足够的时间去思考在学校学习的问题,这成为他人生中最有创造力的时期。他一生中最重要的科学发现,如微积分、万有引力定律、光的色散等,基本都是在这个时期成熟的。在以后的岁月里,他的工作是对这一时期研究工作的发展和完善。经典力学理论体系建立以牛顿巨著《自然哲学的数学原理》的出版为标志,该书于1687年盛夏出版,受到学术界的好评,并很快销售一空。牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中,把伽利略提出、杜卡尔完善的惯性定律记为第一运动定律。他定义了质量、力和动量,提出动量变化与外力的关系为运动第二定律。他把作用力和反作用力的关系写成了运动第三定律。运动第三定律是在研究碰撞定律的基础上建立起来的;在他之前,华莱士、瑞安、惠更斯等人已经仔细研究了碰撞现象,实际上也发现了这个规律。他还写下了力的独立作用原理、伽利略的相对性原理和动量守恒定律。他写下了自己对空闻和时间的理解,即绝对空间和绝对时间的概念,牛顿运动三定律总结提炼了当时已经发现的地面上所有力学现象的规律。它们构成了经典力学的基础,并在接下来的200年里几乎统治了物理学的每一个领域。人们试图用牛顿定律来解释热、光、电现象,在某些方面,如热动力学理论,取得了惊人的成功。牛顿定律仍然是很多工程技术的理论基础,比如航空航天、机械、土木工程等。至此,经典力学理论体系的大厦巍然屹立。
理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。
所谓机械运动,是指物体在空间中的位置随时间的变化。物质的运动是多种多样的,表现为不同的运动形式,如位置变化、发热、发光、电磁现象、化学过程,甚至人头脑中的思维活动。机械运动是物质运动最简单、最初级的形式,是人们在生产生活中经常遇到的。比如各种交通工具的运动,机器的运转,大气和河流的流动,卫星和宇宙飞船的运行,建筑物的震动等等,都是机械运动。
理论力学以伽利略和牛顿建立的基本定律为基础,属于经典力学的范畴。19世纪下半叶,由于现代物理学的发展,发现许多力学现象无法用经典力学定律解释,于是研究高速物质运动规律的相对论力学和量子力学应运而生。在这些新的研究领域中,经典力学的内容已经不再适用。但应该肯定的是,在研究速度远小于光速(30万公里/秒)的宏观物体运动时,特别是在研究一般工程中的力学问题时,经典力学的足够精度已经被实践所证实。与此同时,在经典力学基础上诞生的各种新的力学分支正在迅速发展。
早在奴隶社会,人们就通过生产劳动创造了一些简单的工具和机械(如斜面和杠杆),并在这些工具和机械的不断使用和改进中积累了大量的经验,从经验中获得知识,形成了力学规律的起点。在中国古代,在《墨经》、《考试笔记》、《论衡》、《天工开物》等书籍文献中,对武力有着极大的关注。可见,中国古代勤劳勇敢的劳动人民很早就积累了丰富的机械知识。在欧洲,晚于墨家经典,亚里士多德的《物理学》和阿基米德的《论比重》相继问世,奠定了静力学的基础。
在漫长的中世纪,欧洲经历了黑暗的封建统治,生产力和科学的发展受到严重阻碍。到了十五世纪下半叶,由于商业资本的兴起,手工业、航海业和军事工业都获得了前所未有的发展,从而促进了力学等科学的迅速发展。
16、17世纪,力学开始形成独立的、系统的学科。伽利略根据实验提出了惯性定律的内容和加速度的概念,奠定了动力学的基础。在此基础上,经过笛卡尔和惠更斯的努力,牛顿终于成功了。牛顿在1687年的巨著《自然哲学的数学原理》中提出了动力学的三个基本定律,并从这些定律出发对动力学进行了系统的描述。牛顿运动定律是整个经典力学的基础。
18、19世纪是理论力学成熟的时期,重要的虚位移原理、达朗贝尔原理和著名的拉格朗日方程相继提出。这时,基于动力学一般方程的分析力学发展起来了。19世纪上半叶,由于大量机器的使用,形成了功和能量的概念,发现了能量守恒和转化定律。该定律不仅在工程技术问题中具有重要意义,而且沟通了机械运动与其他运动形式之间的关系。此外,在刚体动力学、运动稳定性、变质量粒子动力学等方面也有许多重要成果。