力学与工程概论第二章

1、第二章 力学发展史 2.1 为什么要了解力学史2.2 经典力学理论体系的建立2.3 经典力学理论体系的发展2.4 经典力学理论体系的贡献2.5 经典力学为什么没有在中国产生 2.1 为什么要了解力学史 一门科学的历史是那门科学中最宝贵的一部分，因为科学能给我们知识，而历史却能给我们智慧。 傅 鹰（中国，化学家） 史鉴使人明智 弗培根（英国，哲学家） 2.1 为什么要了解力学史 科学史的目的是：考虑到精神的全部变化和文明进步所产生的全部影响，说明科学事实和科学思想的发生和发展。从最高意义上说，它实际上是人类文明的历史。其中，科学的进步是注意的中心，而一般历史经常作为背景而存在。 乔治萨顿（美国，

2、科学史家） （George Sarton，1884-1956）2.1 为什么要了解力学史 在自然科学的历史发展中最先发展起来的是关于简单的位置移动的理论，即天体的和地上物体的力学。 恩 格 斯自然辩证法 北京人民出版社 1971年版 P532.1 为什么要了解力学史 力学是“大工业的真正科学的基础” 马克思，剩余价值理论（马克思、恩格斯合集26卷P116） 认识机械运动，是科学的第一个任务 恩格斯，自然辩证法 人民出版社 1921 P210科学发展最早的历史主要是力学发展史2.1 为什么要了解力学史 为什么是他 历史背景、社会因素、个人因素 为什么是这个时候 偶然、必然、背景、动因 什么事、特

3、点、意义、影响2.1 为什么要了解力学史 人类社会前进、科学发展的规律 学科形成、发展、变革的规律 科学发现、创新的规律2.1 为什么要了解力学史科学上没有平坦的大道(曲折、艰难)需要坚韧的毅力和奉献精神2.1 为什么要了解力学史科学是全人类共同创造的社会财富（集体智慧、历史必然产物）2.1 为什么要了解力学史需要与人合作的团队精神 善于继承又勇于创新 勤奋、不畏劳苦、抓住机遇培养科学精神、激发对科学的热爱和忠诚2.1 为什么要了解力学史科学的方法论实验、观察、 归纳总结规律指导新理论的建立和应用需要实事求是的科学精神2.1 为什么要了解力学史 科学像一株常青之树，在实验室、图书馆和博物馆中缓

4、慢生长，成千上万的人完成了大量出色的工作。这些人并非具有超常才智，但他们受过良好的训练，掌握了有效的方法并且有很大的耐心。 乔治萨顿（美国，科学史家） （George Sarton，1884-1956）2.1 为什么要了解力学史 科学总是以客观规律取代神或 人造的各种成见(反对迷信)需要大量的怀疑精神2.1 为什么要了解力学史力学史是人类对自然界各种力学现象 观 察 揭示规律 形成科学体系 推动其它学科发展 促进工程技术进步2.1 为什么要了解力学史 力学学科的产生和发展 同其它学科的关系 同技术发展的关系 同社会进步的关系 人类探索运动之谜的过程提高科学鉴赏力，把握力学未来发展脉搏2.1 为

5、什么要了解力学史 按年代：16世纪力学 (编年史) 按历史时期 产业革命时期、文艺复兴时期、 十月革命后的力学(体现不出内在规律)2.1 为什么要了解力学史 按发展过程：两个历史事件、三阶段历史长河经典力学的建立经典力学完善现代力学1687年牛顿自然哲学的数学原理1900 普朗克，量子力学1905 爱因斯坦，相对论2.1 为什么要了解力学史 以比较理想的模型，如：质点、质点系、刚体、理想弹性体、理想流体等为对象，建立起了相当完善的普适的理论体系，并开始了与工程技术上问题的结合。 经典力学（164819世纪末）2.1 为什么要了解力学史 以自然界和工程技术中可能遇到的复杂介质或系统为对象，建立各

6、种力学模型，并且在解决问题过程中形成了更多的力学分支。 现代力学（20世纪 ） 2.1 为什么要了解力学史 不可能设想，不要现代力学就能实现现代化。 钱学森力学实践1979,1(1):4-92.1 为什么要了解力学史2.2 经典力学理论体系的建立时间：公元前400500年 1687年内容：静力学、运动学、动力学人物：亚里斯多德、阿基米德、伽利略、 开普勒、牛顿特征：天文预测、资料积累、简单实验、 力学、数学、天文学、物理学、 哲学集一体2.2 经典力学理论体系的建立伽利略胡 克斯梯芬阿波罗尼希 罗哥白尼达芬奇笛卡尔开普勒阿基米德欧几里德亚里斯多德惠更斯莱布尼兹哈 雷亚里斯多德 柏拉图的学生 全

7、面的学者 哲学、诗学、心理学、逻辑学、伦理学、动物学、植物学、气象学、数学、力学2.2 经典力学理论体系的建立亚里斯多德对力学的贡献（之一） 认识到位移(机械运动)是运动的基本形态，运动是永恒的2.2 经典力学理论体系的建立关于运动 “对运动无知，也就对大自然无知”(西方谚语) 运动是万物的根本特性 亚里斯多德的运动观2.2 经典力学理论体系的建立“从前没有过，将来也不会有任何 时间是没有运动的” “位移是先于一切的运动” “作为位置移动的事物其运动轨迹不外是圆周形、直线形或这两者的混合” “有量的运动、质的运动以及我们称之为位移的空间运动”2.2 经典力学理论体系的建立运动强迫运动自然运动重

8、物下落 物体越重，下落速度越大星辰绕地心作圆周运动 天体运动必须有推动者 施力者力一旦除去，运动停止2.2 经典力学理论体系的建立2.2 经典力学理论体系的建立如果任何运动着的事物（除自我推动者外）都有某一别的事物在推动着它运动的话，那么有些事物，如被抛扔的事物，在它们的推动者和它们脱离接触之后，是凭什么运动的呢？如果推动者在推动某一事物运动的同时还推动了另外的事物（如空气）运动，运动起来的空气推动那个运动事物运动，那么，当第一推动者和它们脱离了接触不在再推动它们时，空气也同样地不能运动了；空气和那个被推动者必然同时运动并且在第一推动者停止推动时同时停止运动。一定的重量在一定的时间内运动一定的

9、距离，一较重的重量在较短的时间内走过同样的距离，即时间同重量呈反比，比如，如果一物的重量为另一物重量的二倍，则它走过一给定的距离只需一半的时间。运动着的事物继续自己的位移直到推动力对它失去了影响为止。亚里斯多德对力学的贡献（之二） 将力与运动结合起来：F=PV P：运动物体的阻抗，V：速度，F：推动量2.2 经典力学理论体系的建立亚里斯多德运动规律：F=PVF=Ma只有当惯性表现很小，摩阻很大时近似成立。2.2 经典力学理论体系的建立 “他生在希腊思想创造时期的末叶；而他在死之后一直过了两千年，世界才又产生出来任何可以认为是大致能和他相匹敌的哲学家。直迄这个时期的末尾，他的权威性差不多始终是和

10、基督教会的权威性一样地不容置疑，而且它在科学方面也如在哲学方面一样，始终是对于进步的一个严重障碍。自17世纪初以来，几乎每一件认真的知识进步，都必须是攻击某件亚里斯多德的学说开始” 罗素（英国哲学家 1872-1970） 2.2 经典力学理论体系的建立2.2 经典力学理论体系的建立 总结已有逻辑学方面的零碎知识(毕达哥拉斯，前 580-前500），使之系统化、成为独立学科 从亚里斯多德以来，逻辑“没有能前进一步”，因此看起来，逻辑似乎是完成并且结束了 康德(德国哲学家)“逻辑学之父” 是关于概念、论断、判断、推理的学问，它使推理建立在严密的科学的基础上逻辑学 是数学的推理和论证的严密基础2.2

11、 经典力学理论体系的建立阿基米德:(古希腊，前287前212)王冠(金、银,同重量浮力定律)“给我支点，我就可以举起地球”如痴如醉追求科学（赫乌瑞卡、皮肤、别动我这些图）2.2 经典力学理论体系的建立阿基米德最主要的科学成就(数学方面) 发明了求曲线面积与曲面围成体的方法 积分法和极限概念的先导 给出：1) 2) (阿基米德螺线)2.2 经典力学理论体系的建立3) (平方整数求和公式)4)超过万的大数表示方法5)对 ， 整数 使 阿基米德引理(严格极限理论的基础)2.2 经典力学理论体系的建立阿基米德最主要的科学成就(机械方面) 阿基米德螺旋提水机 滑轮系统 聚焦反射(抛物面的聚焦原理、 烧毁

12、罗马船) 行星仪(模仿太阳、月亮、 地球运动、日食、月食)2.2 经典力学理论体系的建立阿基米德最主要的科学成就(力学方面) 物体在液体中所受到的浮力等于所排开体积的重量 流体静力学的基本原理(阿基米德原理) 杠杆平衡的条件 计算图形与物体重心 静力学 力学的创始人2.2 经典力学理论体系的建立2.2 经典力学理论体系的建立 集数学、力学和天文学三个学科于一身， 均做出不朽贡献 是将数学与力学结合起来的典范 近代科学的先驱者 “一种科学只有当它达到能够运用数学时，才算真正发展了。” 马克思 “要是阿基米德能活到现在，去听数学和物理的研究生课，那么他可能比爱因斯坦、波尔等人更了解他们自己。” “

13、如果要你在人类的全部历史上列举三位最伟大的数学家和力学家的名字，无论怎样举，阿基米德都会使其中的一位。” “没有一位罗马人是由于全神贯注于一个数学图而丧生.” 怀特海(英国哲学家 18611947)2.2 经典力学理论体系的建立 谁要是精通了阿基米德和阿波罗尼（圆锥曲线：椭圆、双曲、抛物）的创作，他对我们当代最伟大任务的发现就不会那么大惊小怪了。 莱布尼兹2.2 经典力学理论体系的建立2.2 经典力学理论体系的建立对古希腊科学传统的扬弃 将观察、实验和应用同推理相结合 推理同计算的结合近代科学现代科学2.2 经典力学理论体系的建立 欧几里德欧几里德（Euclid,前330-前275）重要贡献：

14、 将从公元前700年至他所处的 时代的几何知识，以严密的 逻辑系统整理为几何原本索恩公元4世纪对几何原本的修订本；光学、数据、二次曲线、辩伪术、衍论、现象等2.2 经典力学理论体系的建立 从任一点到任一点作直线是可能的； 可以将任一直线段不断循环延长； 以一点为心，任一长度为半径可以作圆； 所有直角彼此相等； 若一直线与两直线相交，且若同侧所交二 内角之和小于两直角，则两直线无限延长 后，必交于该侧一点。满足上述5条公设的几何为欧几里得几何古希腊的力学（公元前600年-300年） 外部环境：相对用武不方便的岛国古希腊有一段民主政治阶段宽松环境 代表人物：亚里斯多德、欧几里德、 阿基米德2.2

15、经典力学理论体系的建立 阿里斯塔恰斯(前310前230)： 第一个提出日心说(论据不充分，流传不广)古希腊人的贡献 伊巴谷(?前126）： 测得四季长短不等，一年为365.25日2.2 经典力学理论体系的建立 地球处于天球的中心，各行星与日、月绕地球作等速圆周运动并自转，星空是一个以地球为中心的24小时旋转一周的球体。2.2 经典力学理论体系的建立 托密勒(？120)：大汇编托密勒系统符合基督教义统治天文学1000多年阿波罗尼(Apollonias，前262前190)2.2 经典力学理论体系的建立主要贡献：圆锥曲线论 在引力作用下物理空间中的一个质点围绕另一个质点运动的轨迹只能是圆锥曲线中的一

16、支二次曲线的精确理论，不论是在天体运行规律的精确表述还是在早期力学处理二体问题中，都是重要的基础罗马人征服的希腊古希腊精密自然科学传统中断(公元前2世纪)13世纪后，复兴古希腊文明(欧洲人) 文艺复兴（14世纪末） 哥白尼、伽利略、惠更斯、牛顿、莱布尼兹古希腊自然科学的延续新的自然科学2.2 经典力学理论体系的建立（埃及人，阿拉伯人等）哥白尼(14731543 波兰) 10岁父亲去世，由舅父(主教)抚养 在意大利游学(受文艺复兴运动影响) (天文、数学、医学) 30岁回到波兰在舅父的教堂人博学教士 (记帐、看病)至去世 十年如一日完成天体运动论2.2 经典力学理论体系的建立 天体运动论在对大量

17、观测数据分析和大量基于球面三角学的计算基础上，以有力的证据论证了日心说。 “没有学过几何的人，不准入内” 给出各行星与太阳的距离表 (除土星外都很准确)2.2 经典力学理论体系的建立日心说宇宙是一个球体，太阳是它的中心所有的行星包括地球都绕太阳同向运动，轨道都是圆且大致在同一平面附近由行星到太阳的距离远近排列顺序为水、金、地、火、木、土月亮绕地球作圆运动定性描述2.2 经典力学理论体系的建立哥白尼学说的影响 天文学上的一场革命 科学脱离宗教的 枷锁而宣告独立 意味着对宗教维护的托密勒系统的公开蔑视，对宗教权威的蔑视 血与火的斗争，1616年作为邪论予以禁止， 1830年悄悄开禁布鲁诺(意大利，

18、哲学家、数学家、天文学家，15481600)1584年论无限宇宙和世界 1591年遭逮捕1600年2月17日被焚死在罗马的百花广场2.2 经典力学理论体系的建立开普勒(15711630 德国) 16岁进入德国蒂宾根大学求学，成绩优异被允许学神学 22岁起在教会学校任数学教员 25岁宇宙的神秘(视力不佳，不善观测，长于理论思维，收集的火星资料) 30岁起：布拉格皇家天文学家2.2 经典力学理论体系的建立定量描述开普勒行星三定律 行星轨道是环绕太阳的椭圆并以太阳作为椭圆 的一个焦点 太阳至行星的矢径在相等时间内扫过相等的面 积 任一行星绕太阳周期的平方与其椭圆轨道半长 轴的立方成正比2.2 经典力

19、学理论体系的建立开普勒定律的意义天文学的定性到定量给出天上行星的运动学规律是经典力学的序曲 （运动力 力学）2.2 经典力学理论体系的建立达芬奇(14521519 意大利)2.2 经典力学理论体系的建立宫廷画师、露天表演主持人、凯撒大帝的建筑师和首席工程师、研究过解剖学把科学知识和艺术想象结合起来的先驱 科学与艺术 自然科学与人文社会科学 “力学是数学科学的天堂，因为，我们在这里获得数学成果” “不是数学家请勿读我的著作” 数学与力学的有机结合2.2 经典力学理论体系的建立2.2 经典力学理论体系的建立 研究过落体运动 设计构想过：起重机械、蒸汽炮、 飞行器、降落伞、抽水机 研究过拱门、墙和柱

20、的压力2.2 经典力学理论体系的建立斯蒂芬(Simon Stevin， 15481620，荷兰人) 军事工程师、商人的雇员 文艺复兴以后第一个认真对力学问题进行钻研的人 与伽利略同时代、静力学方面的奠基人（后者是动力学的开山祖师）2.2 经典力学理论体系的建立 得到斜面上物体平衡的条件与力合成的平行四边形定律 研究了浮体平衡：重心必与浮心处于同一垂线上，越低稳定性越好（浮体的稳定性由重心相对于定倾中心（液体向上压力合力的作用点）的位置来决定力矩平衡(杠杆)刚体平衡复杂力系简化 引进十进制小数 流体静力学悖论 第一次对亚里斯多德“不同重量下落速度不同”反驳 (实验）伽利略(15641642 意大

21、利比萨)2.2 经典力学理论体系的建立比萨斜塔伽利略(15641642 意大利比萨) 17岁(1581年)进入比萨大学学医，以数学、物理和善辩见长 1585年离校回家，潜心研究古希腊人的著作 发明测定合金成份的流体静力学天平 “当代的阿基米德” 25岁(1589年)比萨大学数学教授(论固体的中心) 15921610年受聘帕多瓦大学数学教授(3倍) 16101642年任佛罗伦萨托斯康大公爵的首席哲学家和数学家2.2 经典力学理论体系的建立伽利略是哥白尼学说的忠诚拥护者1610年星际使者1613年关于太阳黑子的书信 地球运动解释潮汐 支持哥白尼学说伽利略的观测推动了哥白尼学说的传播 1616年3月

22、5日天主教宣布哥白尼的天体运行论为禁书16241630年完成关于托密勒和哥白尼两大世界体系的对话 1632年出版，1633年2月宗教法庭传伽利略到罗马 1633年3月12日审判，责令在指定的佛罗伦萨郊区居住 1983年罗马教庭才宣布“给伽利略定罪的法官犯了错误”2.2 经典力学理论体系的建立伽利略的科学贡献天文学方面：自制放大倍数为32倍的望远镜 第一个用望远镜观察天空的人木星有4个卫星，银河由无数星球组成、太阳有黑子、太阳自转2.2 经典力学理论体系的建立力学方面（关于两种新科学的谈话） 准确提出速度、加速度概念 提出惯性原理：一个物体一旦运动起来， 便一直用同一速度沿同样的方向不断运动 给

23、出斜面上物体下落的运动规律（也是匀加速） 能量守恒的早期表述“一个物体的末速度 是随垂直高度而变，与斜面的倾角无关”2.2 经典力学理论体系的建立用于自由落体力学方面 发现摆周期的等时性原理 第一个将音律与振动频率联系起来 给出虚速度或虚位移原理的最早表述 一个质点系在给定力系的作用下所得到的各点速度或位移分量与质点系内部连接条件是相容的，当质点系通过一个平衡位置时，各个力同它们各自作用的质点分速度的乘积的总和等于零。2.2 经典力学理论体系的建立对伽利略的评述： 拉格朗日分析力学 伽利略奠定了(动力学的)第一个基础。在他之前，只研究处于平衡的力，在他之前，尽管落体的加速度和抛体的曲线运动可以

24、归因于均匀的引力，仍然没有一个人能定出这些日常现象的简单原因的规律。伽利略是第一个迈出这主要的一步的人，由此便对于力学的发展开创了一个崭新的、巨大的领域 ，它是人类伟大光荣的最有意义的和最牢固的部分。 2.2 经典力学理论体系的建立伽利略既精于理论又关心实际问题在天文、力学、数学三方面都有突出贡献既善长思辩论证又开系统科学实验与观察的先河 科学实验之父2.2 经典力学理论体系的建立 科学的真理不应该在古代圣人的蒙着灰尘的书上去找，而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找。真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里面的，这本书就是宇宙，就是自然界本身，人们必须去读它。 伽利略2.2

25、经典力学理论体系的建立是伽利略的观测打破了统治一千多年的顽固的 旧学说，日心说受到欢迎旧的教条越来越 不受欢迎；近代科学成长所需的社会氛围形成，探索物体运 动规律成为时尚；一批学术组织成立（发薪水）；学术期刊开始出版；动量守恒定律、动能守恒定律、虚位移原理、 平衡的稳定性等原始概念开始提出；伽利略对科学发展的贡献有摆钟的发现、碰撞的实验研究、气体和固体 的弹性的发现等；一批优秀的研究物体运动规律的学者涌现： 笛卡尔、雷恩、惠更斯、哈雷、胡克、 帕斯卡、波义耳、 牛顿等；是力学也是自然科学发展的黄金时期。17世纪最伟大的成果：经典力学的诞生；牛顿(Isac Newton，16421727)遗腹子

26、、3岁母亲改嫁、外祖母养大1661年进入剑桥大学，30岁成为皇家学会会员(英国最高科学荣誉)1687年自然哲学的数学原理出版2.2 经典力学理论体系的建立 “从不做任何娱乐和消遣，他不骑马外出换换空气，不散步、不玩球，也不做其它任何运动，认为不花在研究上的时间都是损失。” 奋发好学、勤于思考、废寝忘食、不拘小节、终身未娶2.2 经典力学理论体系的建立对数学的贡献： 与莱布尼兹各自独立地发明了微积分 给出了二项式定理：2.2 经典力学理论体系的建立对力学(天文学）的贡献： 自然哲学的数学原理 提出了向心力的概念(之前只有离心力) 第一次引入“质量”的概念，把质量与重量区分 牛顿运动三定律 (惯性

27、定律、作用与反作用定律、万有引力定律)2.2 经典力学理论体系的建立万有引力定律： 有阻力媒质(气体、液体)内的质点运动 解释太阳系行星、卫星、彗星的运动规律和海洋潮汐规律 三体问题，摄动法，第三个星体引起轨道的偏离 太阳光由7种颜色的光合成，光的微粒说(惠更斯的波动说) 反射式望远镜 绝对时空概念2.2 经典力学理论体系的建立自然哲学的数学原理选段 运动的公理或定律：定律 任何物体，都保持其静止状态，除非施 加外力迫使其改变这种运动定律 运动的变化永远更所加的外力成正比， 而且是沿着外力作用的直线方向发生的定律 每个作用总有一个大小相等方向相反的 反作用，或者说，两个物体的相互作用 总是大小

28、相等而方向相反2.2 经典力学理论体系的建立自然哲学的数学原理选段 定义：向心力是把物体引向、推向或以任何方式使其趋向作为中心的某一点。 在两个相互吸引的球体内，如果到球心相等的距离处的物质是相似的，则一个球相对于另一个球的重量反比于二球距离的平方2.2 经典力学理论体系的建立自然哲学的数学原理 总结了力学的研究成果，标志着经典力学体系的初步建立 是天文学、数学和力学历史发展的产物 牛顿创造性研究的结晶如果我看得更远那是因为站在巨人的肩上。 牛顿2.2 经典力学理论体系的建立End of Part I笛卡尔(Rene Descartes，15961650，法国)2.2 经典力学理论体系的建立

29、数学家：几何学(1631)， 创立解析几何 力学家：哲学原理(1644)， 弹性碰撞单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其它微粒相碰被迫改变这一状态为止所有的运动，其本身都是沿直线的1629年“我假设，运动一旦加于物体，就会永远保持下去，除非受到某种外来手段的破坏。” 最早把惯性定律作为原理加以确定，但只停留在概念上，没有成功地解决力学体系问题。2.2 经典力学理论体系的建立总结了7条碰撞规律 最早的碰撞理论 1)两个以大小相等、方向相反的速度碰撞的同样物体，在碰撞后交换速度 2)如果物体A大于物体B，且B静止，则无论A的速度多么小，都将推动B沿着自己运动的方向以同样的速度运动，其中物体A

30、将把与物体B相应的部分运动传给B。2.2 经典力学理论体系的建立 没有区分弹性碰撞和非弹性碰撞 不了解动量是矢量 没有实验来检验以发现其余5条的错误模糊论点引起人们对碰撞理论的关注2.2 经典力学理论体系的建立back英国皇家学会的征文1668年 英国皇家学会悬赏征文，弄清碰撞问题瓦利斯：非弹性物体的碰撞 起决定作用的是动量 雷 恩：弹性碰撞的特殊规律 从实验得到经验公式 2.2 经典力学理论体系的建立碰撞前后动量的总和应保持不变当两物体速度大小和质量成反比时，碰撞后各以原来的速度弹回back惠更斯(Christiaan Huygens，16291695，荷兰人)2.2 经典力学理论体系的建立

31、 13岁制做了一台车床，16岁进入大学法学 数学 27岁发现土星光环而出名（1656） 28岁取得摆钟的专利权（1657） 40岁论物体的碰撞运动（1669） 活力定律“两个物体相互碰撞时，它们的质量乘其 速度的平方之和在碰撞前后保持不变”2.2 经典力学理论体系的建立 44岁（1673）摆钟与钟摆运动的几何证明 人类第一次系统地研究约束运动的论著 提出离心力的概念及其正确计算公式 经典力学诞生的重要准备back2.2 经典力学理论体系的建立 哈 雷 1656-1742 （Edmond Hally) 以万有引力为基础推算了历史上 第24颗彗星的轨道； 1682年断定在1531，1607，1682年 出现的彗星为同一颗，且将在 1758年再次回归；（去世16年 后准时回归）哈雷慧星 1684年就天体的运动轨迹请教牛顿、 11月得到牛顿论运动、鼓励 牛