力学发展简史思维脑图思维导图

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2024-03-26

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学科发展

发展简史

力学发展

古希腊力学，静力学发展等内容讲解

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思维导图大纲

流体力学的发展

1.18世纪的流体力学

1.1马略特在流体力学方面的工作：《论水和其他流体的运动》的著作让他成为第一个研究流体阻力的学者，与惠更斯同时得到了流体阻力与流速的平方成正比的结论

1.2伯努利定律：《流体动力学》将力学中的活力守恒原理引入流体力学

1.3欧拉的理想流体力学运动方程：处理流体运动时采用考察空间固定位置的微团变化，也称拉格朗日方法

1.4博尔达的阻力实验：利用重物驱动飞轮并得到等速转动阶段，证明了阻力不符合叠加原理以及合阻力与速度的平方成正比；对水的实验又证明了阻力是非常精确地与速度的平方成正比

1.5波素等的水力学实验：实验结果充分肯定了阻力与速度的平方成正比的结论

1.6水洞与风洞实验：为研究空泡的产生机理及作用，计算出了不可呀流体中球形空泡闭合时可以在中心造成无穷大的压强

2.斯托克斯方程

2.1纳维的研究：建立了流体力学和弹性力学方程，处理了不可压缩流体，推导出了粘性流体运动方程

2.2斯托克斯的工作：使用不同的方式推导出了粘性流体运动方程，且推出了小球在粘性流体中运动阻力的公式以及找出了粘性系数

3.流体力学若干重要问题的研究进展

3.1气体状态方程的研究：科学家波义尔证明了声音在真空中不能传播、托里拆利大气实验是空气有关、生命与燃烧现象是依赖与空气、空气具有弹性性质等结论；到后来法国学者吕萨克进行了一系列实验说明温度与气体密度的关系，推出了理想气体状态方程

3.2空气动力学的发展：英国学家瑞利对于绕圆柱体流动的问题成就了后期的马格努斯效应；后来的俄罗斯航空之父茹可夫斯基撰写的空气动力学著作；再有英国工程师兰彻斯特对于升力的涡旋理论被认为是升力理论最早的结果

3.3雷诺及雷诺数：发现了粘性流体流动的相似率，引入了一个常数

3.4弹道学的研究：欧拉在他的《力学或运动科学的分析解说》一书中得到了达朗贝尔佯谬；到后来欧拉利用变分法研究曲线得到了手阻力最小的旋转体头部形状；俄国炮兵专家马耶夫斯基进行的螺旋弹丸的飞行理论研究证明了亚声速与超声速条件下空气阻力在性质上是不同的

3.5马赫在气体力学上的工作：马赫引进了流速与声速之比的参量即马赫数；他的《力学史评》对后来发展相对论力学有启迪的作用

4.早期人类对于飞行的探索

4.1达芬奇的《轮鸟的飞行》：是人类早期对重物升空的尝试，是空气动力学的萌芽

4.2利用气球飞行：氢气球载人试验

4.3凯利的飞行研究：设计出了直升机以及制造了一架滑翔机，对空气阻力和升力进行了研究，写出了最早的航空航空论文

4.4世界各国的早期飞行探索：英国汉森的蒸气机飞机；法国的布里斯制造的大型滑翔机；德国的利林塔尔发表的《鸟类飞行的艺术》以及制造了具有蝙蝠形状机翼的滑翔机

固体力学的发展

1.弹性线的研究

1.1欧拉关于弹性线的理论：他利用伯努利的理论采用变分法给出了临界载荷的概念和计算公式

1.2基尔霍夫的研究结果：证明了电脉冲是以光速传播的，发现了光谱与化学元素的关系，提出理想黑体并进行了黑体辐射实验

2.弹性理论

2.1纳维的工作：由分子假设出发导出弹性体和粘性流体的运动方程，是连续介质力学的先驱

2.2泊松在弹性理论上的工作：在偏微分方程上求解位势函数及其在引力场与静电学中的应用问题，提出了概率方法的普遍适用性，得到了泊松分布律

2.3柯西在弹性理论上的贡献：他是数学分析严格化的大师，提出了复变函数理论，在常微分方程和偏微分方程理论也有很多建树，是弹性理论的奠基者

2.4圣维南及其在弹性力学中的贡献：讲授了剪应力与剪应变由此计算出主应力，他第一个验证了弯曲基本假设的精确性；提出了求解弹性力学的半逆解法

2.5勒夫的工作：他对薄壳弯曲提出了直法线假设，他所出版的《弹性的数学理论教程》总结了弹性力学的全部成果

2.6穆斯海利什维利及其复变函数方法：根据应力与位移的复变函数表达式使得一般平面问题都可以借助复变函数求解；将复变函数中的保角映射应用与单位圆来求解各项同性单连通平面弹性问题

2.7瑞利与他关于弹性体的振动与波的研究：求出了对应于黑体辐射波长分布的方程，研究出了能量的近似计算方法，第一次指出弹性体表面波的存在被称为瑞利波

3.强度理论、实验方法与结构力学的发展

3.1金属疲劳现象：英国工程师兰金第一次系统讨论了疲劳问题

古代中国力学的发展

1.律例与技术中有关力学知识的积累：从古代开始我国力学知识的积累大量表现在综合应用于乐器、乐律、历法、车船的制造和行驶、机械、土木结构、水利、兵器等方面。

1.1乐器、乐律与振动：最早的七孔笛，到后来的篪、琴、鼓等乐器。

1.2天文与律法：我国早在殷商时代识得大月、小月和平年、闰年，并采用干支记日，且有日月食的记录；到后来西周时就确定了一年有365.25天；再到后来汉朝的大小月和闰月。

1.3车船的发展：指南车、记里鼓车与郑和船队是反映我国车船建造水平的典型实践。

1.4桥梁、水利与土木建筑的发展：河北赵州桥、应县木塔和都江堰这三项成就体现了材料强度、静力平衡和稳定性、地基处理的综合力学水平。

2.中国古代对力学概念与规律的认识

2.1杠杆与平衡：战国时期思想家庄周的作品中就提到了一种普遍使用的类似杠杆提水工具以及思想家墨翟作品中记载的杠杆平衡原理，再到后来南北朝时期的不等臂秤的出现，最后是我国对古代尖底瓶的研究都是古人对力学概念与规律的认识最好的证明。

2.2流体平衡与运动知识：南北朝时期的风筝、汉代的孔明灯、唐代的走马灯、晋代的竹蜻蜓以及东汉的扇车等这些都是流体力学知识最好的证明。

2.3中国古代对运动、惯性与相对性原理的认识：对惯性的认识最早是在春秋时期的《考工记》中。

2.4中国古代对于关于振动与共振的知识：中国古代对乐器的研究是对振动研究成就的集大成。

2.5中国古代关于材料与结构强度的知识：中国古代由于车船兵器、房屋桥梁及宫殿建筑的发展，积累了许多关于材料和结构强度的知识。

3.经典力学没有产生在中国

3.1经典力学没有产生在中国：

3.2经典力学为什么没有产生在中国的原因—封建专制制度

3.3封建专制制度对于科学发展的恶果

4.西方力学传入中国的曲折过程

4.1利玛窦的科技传教：他的《万国全图》吸引了许多科学家来到中国，将西方的力学、天文学和数学带到中国。

4.2徐光启的科学活动：《几何原本》、《泰西水法》、《农政全书》等译文极大推进了我国古代对力学数学天文学等领域的研究。

4.3《远西奇器图说录最》——一部伟大的科学启蒙著作：该书所涉及的范围内极大反映了当时西方科学技术的水平，对力学的传播起了重要作用。

4.4汤若望的遭遇和雍正以后的闭关锁国：汤若望的不幸遭遇及闭关锁国政策的实施极大阻止了力学知识的传入。

4.5雍正的禁教及乾隆的闭关锁国

4.6晚清时期现代力学在中国的传播：同文馆的成立对西方力学著作的翻译

古希腊力学

1.亚里士多德及其学派

1.1逻辑学的建立

1.2对于运动的论述

1.3关于力和运动的结论：下落物体的速度与重量成比例的错误结论。

2.欧几里得的几何学

2.1欧几里得的几何及五条公设

2.2阿波罗尼奥斯：《圆锥曲线论》讨论了圆锥曲线的各种性质

3.古希腊的天文学：托勒密系统

4.阿基米德及其力学成就

静力学的发展

1.埃及阿拉伯古代的科学技术与力学

1.1亚历山大的希罗与帕普斯：《力学》、《气体力学》、《测量学》

1.2古代阿拉伯的科学技术与力学：十进数字、阿拉伯数字

1.3约丹努对静力学的贡献：《重物的科学》引进了力的分量

2.斯蒂文的生平及贡献：二力、三力的合成与平衡规律：十进制小数的思想

3.达芬奇、伽利略、托里拆利、帕斯卡等在静力学上的工作

3.1达芬奇在静力学上的贡献：落体运动的分析、力的平行四边形法则、空气压缩和阻力

3.2伽利略在静力学上的贡献：最早一般表达的虚速度或虚位移原理

3.3托里拆利在静力学上的贡献：发明了气压计

3.4帕斯卡在静力学上的贡献：摄影几何奠基人、帕斯卡原理

4.早期的变形体力学

4.1梁的早期研究：承载能力与跨度成反比、伯努利梁理论

4.2胡克的生平与胡克定律：外力与变形成比例

4.3库伦的摩擦定律：最大静摩擦力的概念

哥白尼到开普勒

1哥白尼及其贡献：《天体运行论》提出了日心说

2.开普勒的行星运动三大定律：为之后万有引力定律及经典力学系统的确立奠定了基础

经典力学理论系统的建立

1.伽利略的生平与科学贡献

1.1在天文学方面：第一个用望远镜观察天空的人

1.2在力学方面：自由落体是匀加速运动

2.惠更斯以及其他学者的贡献

2.1生平贡献：发明了摆钟、发现了土星的光环

2.2对碰撞问题的研究：动量守恒及动能守恒定律

2.3对单摆的研究：单摆运动的规律且引出了圆周运动的规律

3.牛顿及其力学发展中的贡献

3.1生平贡献：微积分、二项式定理、牛顿力学系统

3.2牛顿的《自然哲学的数学原理》：万有引力定律及行星的运动轨迹是椭圆

3.3经典力学对社会生产的推动：钟表的制造推动了现代机床及现代金属加工技术

经典力学的进一步发展

1.若干一般性原理

1.1莱布尼茨与活力定律：作用在物体上的力的效应必定是与其重量所给予的速度平方而不是速度成正比

1.2虚速度原理：在理想完整的约束中，主动力在虚位移上做的总功为零

1.3达朗贝尔原理：发表了《论动力学》开创了讨论约束物体运动的先河，第一次将动力学与静力学按统一观点来处理

2.拉格朗日和他的分析力学

3.若干问题的研究与求解

4.能量守恒定律的发现

5.运动方程的定性研究

经典力学的困难与相对论和量子论

1.流体静压强的计算和基本特征

2.理解流体平衡微分方程式的物理含义并能够使用求压强分布

3.利用流体静压强的分布规律和等压面计算点压强

4.平面壁及曲面壁所受流体总压力的分析计算

20世纪力学若干重要问题的进展

子主题 1

1.3理论力学与应用力学的关系：一类是超前的一类是应急的

1.4实验在力学学科中的作用：分为起开创性的作用的实验、验证性的实验和求解问题的实验；没有理论指导的实验也不能有深刻的结果

2 力学中的分叉问题

2.1周期解与非线性振动问题：庞加莱在1881年首次提出极限环的概念，后又引进了周期解的概念

2.2分叉问题：1788年拉格朗日认为当保守系统处于势能严格极小状态时，系统处于稳定平衡；

2.3霍普夫分叉问题

3 流体中的孤立波、分叉与湍流

3.1湍流的早期实验研究：1883年英国人雷诺的实验表明，湍流不仅在管流中产生，在任何其他的流动中都会发生，不仅对于液体流动会发生，对于气体也会；

3.2流体流动的稳定性：无论雷诺数取什么值流动都是稳定的，推出了奥尔-索末菲方程

3.3湍流与分叉：湍流的脉动并不是完全随机的，而是有一定的间歇性或拟序结构，，若干次分叉就足以表现这种运动的不规则性

4 连续介质力学、结构分析与固体力学的发展

4.1连续介质力学的发展：1867年英国物理学家麦克斯韦提出了线型粘弹性模型；1894年芬格建立了超弹性体的有限变形理论；1948年里夫林在任意形式的储能函数条件下得到了几个不可压弹性材料的精确解；1958年美国i力学家诺尔提出了本构方程在坐标变换下保持不变

4.2结构力学的发展：1929年美国采用拱贯梁的近似方法近似求解；计算机出现后将力学与结构分析结合形成计算力学；

4.3塑性力学：最早从18年特雷斯卡发表的关于冲压的实验结果开始；1904年波兰的胡贝尔得到了一个屈服条件，后被解释为弹性形变能达到临界值的屈服条件；

4.4材料强度理论与材料的疲劳强度：四种强度理论，摩尔强度理论；疲劳强度理论，高温蠕变，高温疲劳等问题

4.5断裂力学的形成与发展：1921年英国学者格里菲斯提出的公式计算出了裂纹的长度

5 计算力学的形成与发展

5.1计算机的发明对力学的推动：1945年在美国诞生的电子计算机是整个科学技术的大革命；

航空航天技术的发展与力学

1.早期的飞机

1.1兰利：发展了测辐射热仪，对太阳光谱的测量做出了巨大贡献；还进行了大量空气动力学实验

1.2莱特兄弟：制成了4缸8马力内燃发动机，用枞木制造了螺旋桨并且成功试飞

1.3航空事业的发展：法国的桑托斯制造了蜻蜓式飞机，成为第一个飞跃英吉利海峡的人；美国人林白是第一个从纽约飞往巴黎的飞行者，是第一批改进机械心脏泵的发明者之一

2.航天技术的发展

2.1早期星际航行的研究：俄罗斯齐奥尔可夫斯基的《利用喷气工具研究宇宙空间》一文开创了变质量力学，推导出了火箭克服地球引力所要具有的最小速度即第一宇宙速度；

2.2火箭的改进与V-2火箭：美国的戈达德与罗马尼亚人奥伯特是最早研究设计与制造液体火箭的人；到后来二战时期斥巨资研究火箭并取得了大量空气动力学方面的成果；

2.3人造卫星、星际航行的发展及其技术应用：1957年苏联成功发射第一颗人造卫星，进行了高空空气阻力的测量，完成了大气密度的测量；1958年美国成功发送卫星；1984年我国成功发射一颗地球同步静止通讯卫星；1981年美国有成功地进行载有两名宇航员的航天飞行

3.航空与航天力学的发展

3.1空气动力研究中心与若干著名学者的研究工作：1906年德国的动力飞艇研究会成立；普朗特在塑性力学方面提出了增量型的应力应变关系，他的论文奠定了边界层理论的基础；1918年苏联成立了中央空气动力研究所；普雷金的论文为解决亚声速气流奠定了理论基础；匈牙利的卡门与他的学生钱学森最早给出了球壳受外压与圆柱壳受轴压失稳的非线性分析，提出了著名的卡-钱方法，用于计算超声速流中机翼的压力变化

3.2超音速气体动力学：早在1932年前，哥廷根大学的布泽曼就已经研究了超音速飞行的空气动力学问题，他的结论在1939年被哥廷根大学的贝茨所证实

3.3气动加热问题：为解决飞机热障问题，还需要应用特殊的耐高温材料

3.4惯性导航的发展：法国科学家博科运用高速旋转物体的定向性制造了第一架陀螺仪一战期间将陀螺仪应用与飞机的指示器来控制飞行；二战期间德国将陀螺仪安装至导弹来控制精度

3.5飞行器的稳定性与气动弹性力学问题：最早由英国人布莱恩和威廉斯发表的《航空的稳定性》中给出；在飞行动力学的研究中发现了结构失稳的颤振现象

力学在中国的传播与发展

1.现代理工科教育的产生

1.1现代理工科教育的开始：19世纪末洋务派在机械、造船方面的学习，1895年盛宣怀在天津创办了中西学堂后更名为天津大学，是我国最早的工科大学；1896年在河北创办山海关北洋铁路学堂后更名为西南交通大学；1898年在北京成立京师大学堂后更名北京大学

1.2 20世纪早期力学在中国的传播：1912年北京大学物理系成立；1931年商务印书馆出版了翻译的《自然哲学的数学原理》，《材料强度学》等；

1.3早期力学研究工作：1928年南京革命政府成立中央工业试验所；1934年清华大学筹办航空工程研究所

2.我国高等学校中力学专业的设置

2.1北京大学数学力学系力学专业：是中国第一个力学专业

2.2力学学科的发展：1958年我国高等学校纷纷建立力学系科，同时选派留学生至苏联和东欧各国进修

3 50年代以来中国的力学发展

3.1从数学研究所的力学研究室到力学研究所：1951年中国科学院数学研究所成立了力学研究室，是我国第一个专门从事力学研究的学术机构，钱伟长教授为室主任；后赴美留学在冯卡门的指导下从事航空航天领域的研究工作；1955年钱学森举家回国与钱伟长合作成立力学研究所，为我国火箭导弹事业做出了巨大贡献；1963年原哈尔滨中国科学院土木建筑研究所改名中国科学院工程力学研究所；1963年建立中国科学院兰州渗流力学研究室；1962年原中南力学研究所改组成为中国科学院武汉岩体土力学研究所

3.2中国力学学会：1957年中国力学学会在北京成立

3.3力学研究成果及其在国家经济与国防建设中的作用：1.2万吨的水压机、第一座跨越长江的大桥武汉长江大桥、南京长江大桥、江南造船厂两万吨货轮、大连造船厂五万吨油轮；我国研制的原子弹与氢弹，人造卫星等这些都是力学研究的成果

4周培源、钱学森与中国的力学

4.1周培源的生平：在广义相对论方面以坐标有关论而独树一帜；在湍流领域他被誉为湍流模式理论的基础

4.2钱学森的生平：钱学森是著名的力学家、航空专家和火箭专家，在薄壳的非线性稳定性理论的研究取得了开创性的成果；

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