1、理论力学论文机械611汇总理论力学论文学院：电子科技大学成都学院导师：杨峰学号：1440840611班级：机械六班姓名：卢剑飞2015 年 10 月 6 日摘要理论力学是研究物体机械运动的基本规律的学科。力学的一个分支。它是一 般力学各分支学科的基础。理论力学通常分为三个部分：静力学、运动学与动力 学。静力学研究作用于物体上的力系的简化理论及力系平衡条件；运动学只从几 何角度研究物体机械运动特性而不涉及物体的受力；动力学则研究物体机械运动 与受力的关系。动力学是理论力学的核心内容。理论力学的研究方法是从一些由 经验或实验归纳出的反映客观规律的基本公理或定律出发，经过数学演绎得出物 体机械运动在
2、一般情况下的规律及具体问题中的特征。理论力学中的物体主要指 质点、刚体及刚体系，当物体的变形不能忽略时，则成为变形体力学（如材料力 学、弹性力学等）的讨论对象。AbstractTheoretical mechanics is a subject that studies the basic law of the mechanical movement. One branch of mechanics. It is the foundation of general mechanics. Theoretical mechanics is usually divided into three pa
3、rts: statics, kinematics and dynamics. The simplified theory and force equilibrium conditions of the force system of the object are studied. The kinematics of the object is not related to the mechanical motion of the object. Dynamics is the core content of theoretical mechanics. The research method
4、of theoretical mechanics is based on the basic axioms or laws of the objective laws, which are derived from experience or experiments. The objects in the theory mechanics mainly refers to the particles, rigid bodies and rigid bodies. When the deformation of the object can not be ignored, it becomes
5、the subject of the deformation body mechanics (such as material mechanics, elastic mechanics, etc.).第一章 理论力学发展以及重要人物 V.1.1概述 V 1.2发展历史 VI1.3 重要人物 V.I.I I第二章 力学发展 X.第三章 理论力学学习规划 X.I II第四章 理论力学要提高的能力 XIV第一章 理论力学发展以及重要人物1.1概述力学是最古老的科学之一，它是社会生产和科学实践长期发展的产物。随着 古代建筑技术的发展，简单机械的应用，静力学逐渐发展完善。公元前 5前 4世纪，在中国的墨
6、经中已有关于水力学的叙述。古希腊的数学家阿基米德（公 元前 3 世纪）提出了杠杆平衡公式（限于平行力）及重心公式，奠定了静力学基 础。荷兰学者 S.斯蒂文（ 16 世纪）解决了非平行力情况下的杠杆问题，发现了力 的平行四边形法则。他还提出了著名的“黄金定则”，是虚位移原理的萌芽。这 一原理的现代提法是瑞士学者约翰 伯努利于 1717 年提出的。 理论力学发展的重 要阶段是建立了解非自由质点系力学问题的较有效方法。虚位移原理表示质点系 平衡的普遍条件。法国数学家 J.达朗贝尔提出的、后来以他本人名字命名的原理， 与虚位移原理结合起来，可以得出质点系动力学问题的分析解法，产生了分析力 学。这一工作
7、是由法国数学家 J.拉格朗日于 1788 年完成的，他推出的运动方程， 称为拉格朗日方程，在某些类型的问题中比牛顿方程更便于应用。后来爱尔兰数 学家 W.哈密顿于 19 世纪也推出了类似形式的方程。 拉格朗日方程和哈密顿方程在 动力学的理论性研究中具有重要价值。1.2发展历史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，是指物体在空间的位置随时间的变化。物质的运动有各种各 样，它表现为位置的变动、发热、发光、发生电磁现象、化学过程，以至于人们 头脑中的思维活动等不同的运动形式。机械运动是物质运动的最简单、最初级的 一种形式，它是人们在生产和生活中经常遇到的。例如，各种交通工具的运动，
8、 机器的运转，大气和河水的流动，人造卫星和宇宙飞船的运行，建筑物的振动， 等等，都是机械运动。理论力学所研究的内容是以伽利略和牛顿所建立的基本定律为基础的，属于 古典力学的范畴。十九世纪后半期，由于近代物理的发展，发现许多力学现象不 能用古典力学的定律来解释，因而产生了研究高速物质运动规律的相对论力学和 研究微观粒子运动规律的量子力学。在这些新的研究领域内，古典力学内容已不 在适用。但是应该肯定，在研究速度远小于光速（ 30万千米 /秒）的宏观物体的运 动，特别是研究一般工程上的力学问题时，古典力学的足够准确性已为实践所证 实。同时，在古典力学基础上诞生的各个新的力学分支正在迅速地发展。远在奴
9、隶社会时代，人们通过生产劳动，创造了一些简单的工具和机械（如 斜面、杠杆等），并在不断使用和改进这些工具和机械中，积累了不少经验，从 经验里获得知识，形成了力学规律的起点，我国古代在“墨经”、“考工记”、 “论衡”和“天工开物”等书籍文献中，对于力的概念、杠杆原理、滚动磨擦、 功的概念、材料的强度，以及天文学等方面的知识都有相当多的记载。由此可见， 我国古代勤劳勇敢的劳动人民在很早就积累了丰富的力学知识。在欧洲，比“墨 经”晚一些时期，相继出现了阿里斯多德的“物理学”和阿基米德的“论比重” 等著作，奠定了静力学的基础。欧洲在漫长的中世纪里，经历了黑暗的封建统治，生产力和科学的发展受到 严重的阻
10、碍。及至十五世纪的后半期，由于商业资本的兴起，手工业、航海工业 和军事工业等都得到了空前的发展，从而促使力学和其他科学随之迅速发展。在十六到十七世纪，力学开始形成一门独立的系统的学科。伽里略根据实验，提出了惯性定律的内容和加速度的概念，从而奠定了动力学的基础。在这个基础 上，经过笛卡儿、惠更斯等的努力，后来由牛顿总其大成。牛顿于一六八七年在 他的名著自然哲学的数学原理中，完备地提出了动力学的三个基本定律，并 从这些定律出发将动力学作了系统的叙述。牛顿运动定律是整个古典力学的基础。十八、十九世纪是理论力学发展成熟的时期，相继提出了重要的虚位移原理、 达朗伯原理以及著名的拉格朗日方程，这时经动力学
11、普遍方程为基础的分析力学 发展起来了。十九世纪上半期，由于大量机器的使用，促使功和能的概念形成， 并发现了能量守恒与转化定律。这个定律不仅在工程技术问题中具有重大的意义， 而且沟通了机械运动与其他形式的运动之间的联系。另外，在刚体动力学、运动 稳定性和变质量质点动力学等方面也有许多重要的成就。1.3重要人物傅科(Jean-Bertrand-Lon Foucault, 1819-1868)基于相对运动理论用实验证实地 球的转动。傅科曾入大学学医，因为晕血而辍学，为医用显微镜课程的教授做助 手；26岁时接替该教授成为争论杂志的科学编辑； 36 岁时被任命为巴黎皇家 天文台的物理学家，该职位专门为他
12、而设。 1851 年，他用 67 米长钢丝悬挂 28 千 克铁球构成的单摆实验证明摆平面存在转动，从而说明地球自转。演示地球自转 的单摆后来称为傅科摆。 1852 年他又设计了陀螺仪，能更直观地演示地球自转， 该陀螺仪被称为傅科陀螺仪。哈密尔顿 (William Rowan Hamilton, 1805-1865) 对分析力学发展做出杰出贡献。 哈密尔顿在 14 岁前便掌握 10 余种语言而被誉为“神童”； 18 岁时他以第一名考 入都柏林大学三一学院。就读期间，不仅多次取得古典文学和数学课考试的最高 荣誉，而且还发表了科学论文； 1827 年都柏林大学的天文学教授职位空缺公开招 聘时，大学理
13、事会拒绝了 6名其他申请者选择了不曾申请的仅 22 岁的哈密尔顿； 按惯例，他同时兼任爱尔兰皇家天文官，负责邓辛克天文台工作。哈密尔顿对分 析力学的贡献主要体现在 1834 年和 1835 年发表的两篇论文中。哈密尔顿以广义 坐标和广义动量作为独立变量处理动力学方程，导出具有某种对称性的一阶方程 组，这类方程现在称为哈密尔顿正则方程。他还引入系统动能与势能差的积分为 作用量，真实运动使该作用量取驻值。这一结果现在被称为哈密尔顿变分原理。科里奥利 (Gustave Gaspard Coriolis, 1792-1843) 对相对运动有原创性贡献。科 里奥利 16 岁进入巴黎综合工科学校学习，后转
14、入国立桥梁公路学院并获得工程学 位；24 岁至 37 岁间担任巴黎综合工科学校的数学教师； 1929 年制造技艺中心学 校成立，他任物理学教授； 40 岁时任国立桥梁公路学院应用数学教授。 1835年他 发现物体在转动参考系中运动时会受到一种不同于离心力的惯性力作用，这种惯 性力现在称为科里奥利惯性力或科里奥利效应，相应的加速度称为科里奥利加速 度。在他的著作机械效率计算 (Calcul de lEffet des Machines, 1829, 1844) 和论 固体力学 (Trait de la Mcanique des Corps Solides, 1844) 中，他澄清了功的概念， 给
15、出动能定理和虚位移原理的现代表述。潘索(Louis Poinsot, 1777-1859) 完成了刚体静力学的理论体系。潘索 17 岁进 入巴黎综合工科学校学习， 20 岁转入国立桥梁公路学院学习；因为发现对数学感 兴趣，他放弃了土建工程专业， 27 岁至 32 岁担任中学数学教师； 32 岁时他成为 巴黎综合工科学校分析和力学助教授； 1813 年，他进入法国科学院数学部，接替 去世的拉格朗日。在静力学原理 (Elments de Statique, 1803) 中，潘索首次提出 力偶的概念并讨论力偶的合成与分解，提出力系简化和平衡的系统理论，明确定 义了约束并提出解除约束原理。潘索用纯几何
16、方法研究刚体运动。在物体转动 的新理论 (Theorie Nouvelle de la Rotation des Corps, 1834) 中，用惯性椭球表示惯 性矩，说明绕质心自由转动的刚体等价于惯性椭球在一固定平面上的无滑动滚动， 还引入本体极迹和空间极迹的概念。库伦(Charles Augustin Coulomb, 1736-1806)提出了摩擦力的基本模型。库伦曾 在马扎兰学院学习，并 23岁时进入梅济耶尔军校。 25岁毕业后从事海岸地图绘制。 28 岁起领导要塞建设，历时 8 年。 38岁当选法国科学院院士。 1781年，法国科学 院有奖竞赛题目是与海军机械如滑轮、绞盘和斜面相关的
17、摩擦规律和绳索刚度的 实验研究。 库伦关于摩擦的实验研究论文获奖。他给出摩擦机制的一种解释，并 把实验结果概括为摩擦力与正压力成比例，并将这个结论应用于斜面上的平衡问 题。伐里农 (Pierre Varignon, 1654-1722)。伐里农初创了静力学的的理论体系。 他先 在耶稣学院学习神学和哲学，并在卡昂大学学习， 28 岁获得硕士学位； 29 岁成为 牧师。他的新力学纲要 (Project dune Nouvelle Mcanique, 1687)出版后受到学 界重视，该书试图将微积分应用于牛顿的动力学； 34 岁时，他担任马扎兰学院数 学教授； 50 岁时任法兰西学院数学教授。他的静
18、力学研究成果总结于身后出版的 新力学或静力学 (Nouvelle M canique ou Statique, 1725) 。在该书中，他从上溯 到亚里士多德的复合运动研究中受到启示，他对力矩的概念和计算方法做出科学 的说明，并系统地应用该方法而不是以往所用的杠杆原理解决各种机械问题。他 还进行实验研究，证明汇交力合成的平行四边形法则。第二章 力学发展公元前 3 世纪，希腊阿基米德确立静力学和流体静力学的基本原理。 16世纪 是静力学的复兴与动力学的创建时期。阿基米德在研究杠杆平衡、平面图形重心 位置时，先建立一些公设，而后用数学论证的方法导出一些定理，成果之一是用 类似求和数再取极限的方法，
19、求出一个抛物线和它们两平行弦线（与抛物线斜交） 所围成平面图形面积的重心位置。阿基米德关于杠杆公设之一是：不等距的等重 不能平衡，杠杆将向距离较大一侧倾斜。自阿基米德以后，静力学处于长期的停 滞状态，直到斯台文时代才又重新发展起来。 斯台文 （15481620）是比利时的布鲁 日人。他是一个在科学上很有深造诣、有独立思想、不迷信权威、重视实验和科 学实践的卓越人物。斯台文对静力学问题有全面的研究。他在 1586 年用荷兰文写成的静力学原 理一书中，首 先对阿基米德的杠杆原理作了简化的数学证明，并研究了滑轮组 的平衡问题。1589年到 1591 年，伽利略在比萨大学担任了三年的数学讲座教职。 在
20、此期间， 他完成了关于落体的实验。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。牛顿继承和发展前人的研究成果（特别 是 J.开普勒的行星运动三定律） , 提出物体运动三定律。伽利略、牛顿奠定了动力 学的基础。伽利略是动力学的创始人。他的基本理论主要收集在关于两个世界 体系的对话和关于两门新科学的对话两本书中。伽利略的研究方法，对后 来的物理学的发展起了很大作用。例如，爱因斯坦火车和电梯的思想实验，就是 伽利略思想的生动再现。1736 年欧拉发表力学或运动科学的分析解说，首先将积分学应用于运动 物体力学。 1755 年欧拉提出理想流体动力学方程组，欧拉建立理
21、想流体的力学方 程可看作是连续介质力学的肇端。除了对刚体运动列出运动方程和动力学方程并 求得一些解外，他对弹性稳定性作了开创性的研究，并开辟了流体力学的理论分 析，奠定了理想流体力学的基础，在这一时期经典力学的创建和下一时期弹性力 学、流体力学成长为独立分支之间，他起着承上启下的作用。在此以前，有关固 体的弹性、流体的粘性、气体的可压缩性等的物质属性方程已经陆续建立。运动 定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本 理论孪生于世 ,在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。弹性力 学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。另一 方面
22、，从拉格朗日分析力学基础上发展起来的哈密顿体系，继续在物理学中起作 用。从牛顿到哈密顿的理论体系组成物理学中的经典力学或牛顿力学。在弹性和 流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问 题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得 19 世纪后半叶在材料力学、结构力 学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。 1905 年6月 30日，德国物理学年鉴接受了爱因斯坦的论文论动体的电动力学， 在同年 9 月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了 狭义相对论的基本思想和基本内容。19 世纪中固体方面的力学的发展，除材料力学更趋完善并
23、逐渐发展为杆件系 统的结构力学外，主要是数学弹性力学的建立。材料力学、结构力学与当时土木 建筑技术、机械制造、交通运输等密切相关，而弹性力学在当时很少有直接的应 用背景，主要是为探索自然规律而作的基础研究。1807年 T.杨提出弹性模量的概念， 指出剪切和伸缩一样， 也是一种弹性变形。 虽然杨氏模量的形式与现代定义不一样，杨也并不清楚剪切和伸缩应有不同的模 量，但杨的工作成为弹性理论建立的前奏。纳维在 1827 年发表了他 1821 年的研究结果关于弹性平衡和运动规律的研 究报告,此报告从分子结构理论 （1763 年博斯科维奇模型假定物质是由以中心力相 互作用的许多离散分子组成的 ）出发 ,建
24、立了各向同性弹性固体方程， 其中只有一个 弹性常量。到 20 世纪初 , 在流体力学和固体力学中 ,实际应用同数学理论的上述两个方面 开始结合，此后力学便蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程 技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题。 这种理论和实际密切结合的力学的先导者是 L.普朗特和 T.von 卡门。他们在力学研 究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途 径，逐渐形成一套特有的方法。20 世纪上半叶，物理学发生巨大变化。狭义相对论、广义相对论以及量子力 学的相继建立，冲击了经典物理学。前两个世纪中以力学模型来解释一切
25、物理现 象的观点 （即唯力学论，旧译机械论 ）不得不退出历史舞台。经典力学的适用范围被 明确为宏观物体的远低于光速的机械运动，力学进一步从物理学分离出来成为独 立的学科。第三章理论力学学习规划一、学习目标要明确，做好切实可行的计划。二、合理安排时间，按时完成学习任务。在学习课程中，精心地安排好每天 的学习时间，抽出 1 小时去学习，循序渐进的过程完成学习任务。三、养成做笔记的习惯。在课前，做好预习笔记，有针对性的列出重点和难 点并加深对学习内容的理解和记忆，便于以后查阅和复习。课上，做好听课笔记， 养成良好的学习习惯。四、认真地完成布置的作业，养成自主的学习习惯。根据教学计划的要求， 要按质按
26、量的完成老师布置的作业和学习任务。还要培养良好的自主学习习惯， 掌握必要的学习技能。五、多向老师和同学请教。遇到疑难问题，要及时向老师请教，或者通过电 子邮件与老师同学联系，寻求辅导和帮助。六、及时做好考前的复习工作。考前复习是学习过程的最后阶段，要对整个 课程的学习进行检查和补充，总结经验。七、利用业余时间，通过计算机网络加强学习。随着新技术、新媒体的发展， 远程开放教育把先进的科学技术应用于教学中，我要利用业余时间，通过网络定 期浏览，以便及时的调整自己学习进度和策略。通过网络网上课件和学习管理平 台的学习。通过电子邮件与老师同学联系，寻求辅导和帮助。八、不断加强专业学习，确定补修专业。为
27、了加强综合素质，还需要在完成学业后，不断地加强与自己的专业相关课程的 学习，来完善自我。吸纳新的技能和知识充实自己，提高分析和处理工作的能力， 注重总结经验，完善自我。第四章 理论力学要提高的能力一、读图能力 理论力学中图片是非常重要的一环，提高读图能力可以快速有效的提升思维 的连贯性。二、模型分析 理论力学中常见的有许多经典的力学模型，这些模型往往需要学习者要仔细学习，熟练掌握。三、受力分析 受力分析是力学中最基础的能力，是起始之本，最基本也是最关键的部分。四、解题能力 解题能力是学习生活中必不可少的部分，提高解题能力对题目的敏感度增高， 在测试中往往会获得成功。五、结合实际力学学习中不能完
28、全依据理论，还需结合实际，结合生活。1理工科非力学专业力学基础课程教学基本要求 （ 试行 ）M. 北京：高等教育出 版社， 2008: 1-52Mach E. The Science of Mechanics: A Critical and Historical Account of Its Development M. The Open Court Publishing Company, 1989.3DuhemP M M. The Evolution of Mechanics M. Sijhoff & Noordhoff, 1980.4Dugas R. A History of Mechanics M. Routledge & Kegan Paul, 1955.5Truesdell C. Essays in the History of Mechanics M. Springer, 1968.6武际可. 力学史 M. 重庆出版社 , 2000.7武际可. 力学史杂谈 M. 高等教育出版社 , 2010.
