正文 251 物理学之力学 下

    代表人物

    1.阿基米德

    古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。

    2.伽利略

    伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。

    3.牛顿

    牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。

    4.阿尔伯特.爱因斯坦

    相对论的创建人，对牛顿力学的诸多问题进行整改、修复和完善，开启了物理学的新纪元。力的合成与分解公式

    1.同一直线上力的合成同向:f=f1+f2，反向：f=f1-f2(f1>f2)

    2.互成角度力的合成：

    f=(f12+f22+2f1f2cosa)1/2(余弦定理)f1⊥f2时:f=(f12+f22)1/2

    3.合力大小范围：|f1-f2|≤f≤|f1+f2|

    4.力的正交分解：fx=fcosβ，fy=fsinβ(β为合力与x轴之间的夹角tgβ=fy/fx)

    注：

    (1)力(矢量)的合成与分解遵循平行四边形定则;

    (2)合力与分力的关系是等效替代关系，可用合力替代分力的共同作用，反之也成立;

    (3)除公式法外。也可用作图法求解，此时要选择标度。严格作图;

    (4)f1与f2的值一定时，f1与f2的夹角(a角)越大。合力越小;

    (5)同一直线上力的合成，可沿直线取正方向，用正负号表示力的方向，化简为代数运算。发展趋势

    (1)固体力学

    经典的连续介质力学将可能会被突破。新的力学模型和体系，将会概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素，以及这些因素的演化，从而使复合材料(包括陶瓷、聚合物和金属)的强化、韧化和功能化立足于科学的认识之上。

    固体力学将融汇力-热-电-磁等效应。机械力与热、电、磁等效应的相互转化和控制，目前大都还限于测量和控制元件上，但这些效应的结合孕育着极有前途的新机会。近来出现的数百层叠合膜“摩天大厦”式的微电子元器件。已迫切要求对这类力-热-电耦合效应做深入的研究。以“mechronics”为代表的微机械、微工艺、微控制等方面的发展，将会极大地推动对力-热-电-磁耦合效应的研究。

    （2）流体力学

    今后，航天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展。在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定。吸气式发动机中h2，o2在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践未能解决的难题。超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带来一系列新问题。

    （3）一般力学

    一般力学近来已开始进入生物体运动问题的研究，研究了人和动物行走、奔跑及跳跃中的力学问题。这种在宏观范围内对生物体进行的研究，已经带来了一些新的结果。亿万年生物进化的结果，的确把优化的运动机能赋与了生存下来的物种。对其进一步研究，可以提供生物进化方向的理性认识。也可为人类进一步提高某些机构或机械的性能提供方向性的指导。以下几个方面的问题应当给予充分重视：(1)固体的非平衡/不可逆热力学理论；(2)塑性与强度的统计理论；(3)原子乃至电子层次上子系统(原子键，位错，空位等缺陷)的动力学理论。为深入进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟(如分子动力学)和现代宏、细、微观实验与观测技术。工科离不开力学。在工科基础课中，开设了不同的力学课程：理论力学，假设物体不发生变形。用传统数学物理方法研究一切质点，物体的运动。静力学和动力学原理，机械原理的理论基础。材料力学。传统方法研究物体在各种载荷下，包括静力，静扭矩，静弯矩，振动，碰撞等，机械零部件和装配设计，机械加工的理论基础。流体力学，研究一切流体在容器、管道中运动规律和力学特性，液压、气动、热分析的理论基础。分析力学，使用计算数学方法分析力学有限元素法，把受力对象拆解成有限个元素，对每个元素进行受力分析，通过联立偏微分方程组，用泛函求解，计算出每个元素，每个节点的应力应变。联立方程组可化为刚度矩阵和自由度组成的矩阵方程。

    （4）生物力学

    当今生物力学发展正经历着深刻的变化。生命科学与包括力学在内的基础和工程科学交叉、融合目前已愈来愈成为当今生命科学的研究热点，同时也是力学学科的新生长点。基础研究逐步精细化及定量化，大量数据的积累要求模型化及数学化，为生物力学研究开辟了新的用武之地。现代分子和细胞生物学既提出大量新课题，又带来了许多新工具，推动着生物力学由宏观向微（细）观深入、并强调宏-微（细）观相结合。实际应用的不断涌现，催生着以解决与应用相关的工程技术问题为目标的新的生物工程学。这一新的生物工程学远远超出了基于微生物的、以发酵工程为标志的生物技术及以医疗仪器研发为目标的生物医学仪器这两个传统的领域。不断寻求新的力学和物理原理与方法，与生命科学及其它基础和工程科学进一步融合，已成为当今生物力学发展的主要特色。当今生物力学正经历从“x x bio = bio-x”（交叉）到“bio x x = x-bio”（融合）的转变。在基础研究层面上，它将与生物物理学、生物数学、生物信息学、生物化学等紧密结合，重点研究生物学的定量化和精确化问题；在应用研究层面上，组织工程、药物设计与输运、血流动力学、骨-肌肉-关节力学等正在或已经得到临床或工业界的认同，其核心是解决关键技术问题。

    当前生物力学的发展特点可大致归纳为：内涵扩大（生物医学工程；生物工程），有机融合（生命科学与基础和工程科学），微观深入（细胞-亚细胞-分子层次；定量生物学），以及宏观-微观相结合（组织工程、器官力学；信息整合与系统生物学）。宏观生物力学研究仍为主流，但宏观-微观相结合、微观生物力学研究发展十分迅速。当前生物力学发展的前沿领域主要包括：1）细胞-分子力学；2）器官-组织力学；3）骨骼-肌肉-关节力学；4）生物力学新概念、新技术与新方法等。

    （5）环境力学

    环境力学是力学与环境科学相互结合而形成一门新兴交叉学科，主要研究自然环境中的变形、破坏、流动、迁移及其伴随的物理、化学、生物过程和导致的物质、动量、能量输运，定量化描述环境的演化规律和对人类生存环境的影响。环境力学的发展十分有利于深化人们对环境问题中的物理过程和基本规律的认识，促进环境问题的定量化研究。

    21世纪的环境力学研究，既要注重学科发展的自身规律和要求，又要紧密结合国家需求和工程实际，将机理研究、规律分析与防治措施有机地结合起来。结合中国的经济和社会发展需求，中国的环境力学研究必须抓住一个基础（复杂介质流动和多过程耦合）、两个经济发展地区（西部和沿海）、三个方面（水环境、大气环境、灾害与安全），确立重点发展领域，促进学科的发展。

    一方面，强调环境力学中的共性科学问题，包括：(1)环境流动与输运的基本方程和求解方法；(2)气、液、固界面的耦合；(3)多相、多组分、多过程，以及多尺度的耦合分析等；(4)“环境力学”中模型实验的尺度效应问题等。

    另一方面，瞄准西部开发和沿海经济开发，以及重大工程和影响的实际环境问题，包括：(1) 西部干旱、半干旱环境治理的动力学过程 —土壤侵蚀机理、沙尘暴形成和输送机理、以及荒漠化治理；(2)以水或气为载体的物质输运过程—污染物排放过程的精确预报、河口海岸泥沙、污染物输运及其对生态环境的影响规律；(3)重大环境灾害发生机理及预报— 热带气旋、风暴潮/洪水预测、滑坡/泥石流产生机理、全球变暖。(未完待续。。)