谈物理力学论文
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安阳师范学院人文管理学院
谈
物
理
力
学
专业:数学与应用数学
班级:11级数学一班
力学
力学是物理学的一个分支学科,它从物质的微观结构及其运动规
律出发,运用近代物理学、物理化学和量子化学等学科的成就,通过
分析研究和数值计算,阐明介质和材料的宏观性质,并对介质和材料
的宏观现象及其运动规律作出微观解释,是研究物体的机械运动和平
衡规律及其应用的根据。
力学可分为静力学、运动学和动力学三部分。静力学是以讨论物
体在外力作用下保持平衡状态的条件为主。运动学是撇开物体间的相
互作用来研究物体机械运动,用纯粹的解析和几何方法描述物体的运
动。动力学是讨论质点系统所受的力和在力作用下发生的运动两者之
间的关系。以牛顿定律为基础,根据不同的需要提出了各种形式的动
力学基本原理,如达朗伯原理、拉格朗日方程、哈密顿原理等。
力学也可按所研究物体的性质分为质点力学、刚体力学和连续介
质力学。连续介质通常分为固体和流体,固体包括弹性体和塑性体,
而流体则包括液体和气体。
物理力学作为力学的一个分支,是20世纪50年代末出现的。首
先提出这一名称并对这个学科做了开创性工作的是中国学者钱学森。
一、起源和发展
16到17世纪间,力学开始发展为一门独立的、系统的学科。伽
利略通过对抛体和落体的研究,提出惯性定律并用以解释地面上的物
体和天体的运动。17世纪末牛顿提出力学运动的三条基本定律,根据
牛顿三定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行
星的运动轨道,使经典力学形成系统的理论。此后在很多科学家的研
究与推广下,终于成为一门具有完善理论的经典力学。1905年,爱因
斯坦提出狭义相对论,对于高速运动物体,必须用相对力学来代替经
典力学,因为经典力学不过是物体速度远小于光速的近似理论。20世
纪20年代量子力学得到发展,它根据实物粒子和光子具有粒子和波动
的双重性解释了经典力学不能解释的微观现象,并且在微观领域给经
典力学限定了适用范围。
在20世纪50年代,出现了一些极端条件下的工程技术问题,所涉
及的温度高达几千度到几百万度,压力达几万到几百万大气压,应变
率达百万分之一~亿分之一秒等。在这样的条件下,介质和材料的性
质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作,需要
用微观分析的方法阐明介质和材料的性质;在一些力学问题中,出现了
特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况,因而必须从微观结构
分析入手处理宏观问题;一些远离平衡态的力学问题,必须从微观分
析出发,以求了解耗散过程的高阶项;由于对新材料的需求以及大批
新型材料的出现,要求寻找一种从微观理论出发合成具有特殊性能材
料的“配方”或预见新型材料力学性能的计算方法。
在这样的背景条件下,促使了物理力学的建立。物理力学之所以
出现,一方面是迫切要求能有一种有效的手段,预知介质和材料在极
端条件下的性质及其随状态参量变化的规律;另一方面是近代科学的
发展,特别是原子分子物理和统计力学的建立和发展,物质的微观结
构及其运动规律已经比较清楚,为从微观状态推算出宏观特性提供了
基础和可能。
二、物理力学的特点
物理力学虽然还处在萌芽阶段,很不成熟,而且继承有关老学科
的地方较多,但作为力学的一个新分支,确有一些独具的特点。
物理力学着重于分析问题的机理,并借助建立理论模型来解决具
体问题。只有在进行机理分析而感到资料不够时,才求助于新的实验。
物理力学注重运算手段,不满足于问题的原则解决,要求作彻底的数
值计算。因此,物理力学的研究力求采用高效率的运算方法和现代化
的电子运算工具。
物理力学注重从微观到宏观。以往的技术科学和绝大多数的基础
科学,都是或从宏观到宏观,或从宏观到微观,或从微观到微观,而
物理力学则建立在近代物理和近代化学成就之上,运用这些成就,建
立起物质宏观性质的微观理论,这也是物理力学建立的主导思想和根
本目的。
虽然物理力学引用了近代物理和近代化学的许多结果,但它并不
完全是统计物理或者物理化学的一个分支,因为无论是近代物理还是
近代化学,都不能完全解决工程技术里所提出的各种具体问题。物理
力学所面临的问题往往要比基础学科里所提出的问题复杂得多,它不
能单靠简单的推演方法或者只借助于某一单一学科的成就,而必须尽
可能结合实验和运用多学科的成果。
三、物理力学的主要内容
物理力学主要研究平衡现象,如气体、液体、固体的状态方程,
各种热力学平衡性质和化学平衡的研究等。对于这类问题,物理力学
主要借助统计力学的方法。
物理力学对非平衡现象的研究包括四个方面:一是趋向于平衡的
过程,如各种化学反应和弛豫现象的研究;二是偏离平衡状态较小的、
稳定的非平衡过程,如物质的扩散、热传导、粘性以及热辐射等的研
究;三是远离于衡态的问题,如开放系统中所遇到的各种能量耗散过
程的研究;四是平衡和非平衡状态下所发生的突变过程,如相变等。
解决这些问题要借助于非平衡统计力学和不可逆过程热力学理论。
物理力学的研究工作,目前主要集中三个方面:高温气体性质,
研究气体在高温下的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性质、辐
射性质以及与各种动力学过程有关的弛豫现象;稠密流体性质,主要
研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质(包括状态方程)、输运性
质以及相变行为等;固体材料性质,利用微观理论研究材料的弹性、
塑性、强度以及本构关系等。
物质的性质及其随状态参量变化规律的知识,无论对科学研究还
是工程应用都极为重要,力学本身的发展就一直离不开物性和对物性
的研究。
近代工程技术和尖端科学技术迅猛发展,特别需要深入研究各种
宏观状态下物体内部原子、分子所处的微观状态和相互作用过程,从
而认识宏观状态参量扩大后物体的宏观性质和变化规律。因此,物理
力学的建立和发展,不但可直接为工程技术提供所需介质和材科的物
性,也将为力学和其他学科的发展创造条件。
四、几种力学分类
经典力学
经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的
其它力学原理,它是20世纪以前的力学,有两个基本假定:其一是假
定时间和空间是绝对的,长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关,
物质间相互作用的传递是瞬时到达的;其二是一切可观测的物理量在
原则上可以无限精确地加以测定。20世纪以来,由于物理学的发展,
经典力学的局限性暴露出来。如第一个假定,实际上只适用于与光速
相比的低速运动情况。在高速运动情况下,时间和长度不能再认为与
观测者的运动无关。第二个假定只适用于宏观物体。在微观系统中,
所有物理量在原则上都不可能同时被精确测定。因此经典力学的定律
一般只是宏观物体低速运动时的近似定律。
牛顿力学
牛顿力学是以牛顿运动定律为基础,在17世纪以后发展起来的。
它直接以牛顿运动定律为出发点来研究质点系统的运动。牛顿力学以
质点为对象,着眼于力的概念,在处理质点系统问题时,须分别考虑
各个质点所受的力,然后来推断整个质点系统的运动。牛顿力学认为
质量和能量各自独立存在,且各自守恒。它只适用于物体运动速度远
小于光速的范围,多采用直观的几何方法。
理论力学
理论力学是力学与数学的结合。理论力学是数学物理的一个组成
部分,也是各种应用力学的基础。它一般应用微积分、微分方程、矢
量分析等数学工具对牛顿力学作深入的阐述并对分析力学作系统的介
绍。由于数学更深入地应用于力学这个领域,使力学更加理论化。
弹性力学
它是研究弹性体内由于受到外力的作用或温度改变等原因而发生
的应力,形变和位移的一门学科,故又称弹性理论。弹性力学通常所
讨论的是理想弹性体的线性问题。它的基本假定是:物体是连续、均
匀和各向同性的;物体是完全弹性体;在施加负载前,体内没有初应
力;物体的形变十分微小。根据上述假定,对应力和形变关系而作的
数学推演常称为数学弹性力学。此外还有应用弹性力学。如物体形变
不是十分微小,可用非线性弹性理论来研究。若物体内部应力超过了
弹性极限,物体将进入非完全弹性状态。此时则必须用塑性理论研究。
连续介质力学
它是研究质量连续分布的可变形物体的运动规律,主要讨论一切连
续介质普遍遵从的力学规律。例如,质量守恒、动量和角动量定理、
能量守恒等。弹性体力学和流体力学有时综合讨论称为连续介质力学。
五、其它力学分支学科
流体力学、分析力学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流
变学、结构力学、弹性力学、塑性力学、爆炸力学、磁流体力学、空
气动力学、理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、计算力学
六、主要物理学分支
物理学概览、力学、热学、光学、声学、电学、磁学、核物理学、
固体物理学