力学史pdf

③ 力学史的经典力学

伽利略对动力学的主要贡献是他的惯性原理和加速度实验。他研究了地面上自由落体、斜面运动、抛射体等运动，建立了加速度的概念并发现了匀加速运动的规律。他采用科学实验和理论分析相结合的方法，指出了传统的亚里士多德的运动观点的错误，并竭力宣扬日心说。他在1638年出版的《关于两门新科学的谈话和数学证明》是动力学的第一本着作。C.惠更斯在动力学研究中提出向心力、离心力、转动惯量、复摆的摆动中心等重要概念。另一方面，开普勒根据第谷的30年天文观测资料总结出行星运动的三定律（1609，1619）。I.牛顿继承和发展了这些成果，提出了物体运动定律和万有引力定律。他的成就收在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中。他在本书中给出的运动三定律是：①第一定律：任何一个物体将保持它的静止状态或作匀速直线运动，除非有施加于它的力迫使它改变此状态。②第二定律：物体运动量的改变与施加的力成正比，并发生于该力的作用线方向上。③第三定律：对于任何一个作用必有一个大小相等而方向相反的反作用。第一定律在伽里略着作中已有叙述，1644年R.笛卡儿在形式上又作过改进。第三定律是牛顿总结C.雷恩、J.沃利斯和惠更斯等人的结果得出的。牛顿的万有引力定律是他在1665～1666年间开始考虑，后来在R.胡克1679年的建议启发下得出的。
牛顿运动定律是就单个自由质点而言的，J.le R.达朗伯把它推广到受约束质点的运动。J.-L.拉格朗日进一步研究受约束质点的运动，并把结果总结在他的着作《分析力学》（1788年初版）中，分析力学从此创立。在此以前，L.欧拉建立了刚体的动力学方程（1758）。至此以质点系和刚体的运动规律为主要研究对象的经典力学臻于完善。在这发展过程中，有限自由度运动和振动的理论稍后于弹性弦和杆的振动理论，这是历史顺序和逻辑顺序少有的不一致，其原因是弹性振动研究是由声学促进的。1787年克拉尼作了杆和板振动模态的实验。1788年拉格朗日的《分析力学》中对有限自由度微振动已有完整的论述，后来，К.维尔斯特拉斯于1858年和О.И.索莫夫于1859年分别指出了其中的缺陷。
欧拉是继牛顿以后对力学贡献最多的学者。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。达朗伯也研究流体的运动，得到运动物体受到的流体阻力为零的结论，即达朗伯佯谬。牛顿关于阻力的公式（1723）、达朗伯佯谬（1752）以及它们和流体阻力实验结果之间的差别，很长时期内推动流体力学的研究，促进了下一时期流体力学分支的产生。 19世纪中固体方面的力学的发展，除材料力学更趋完善并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。C.-L.-M.-H.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，建立了各向同性弹性固体方程，其中只有一个弹性常量。A.-L.柯西在1823年将离散分子模型改为连续统模型（A.C.克莱罗于1713年最先提出连续统模型），对应力和应变的理论作了详细探讨，建立了各向同性弹性材料平衡和运动的基本方程，其中有两个弹性常量。1829年S.-D.泊松发表的弹性力学方程，又回到了给出一个弹性常量方程的离散粒子模型，但它指出纵向拉伸引起横向收缩，两者应变比是一个常数，等于四分之一。各向同性弹性固体的弹性常量是一个还是两个，或者在一般弹性体中是15个还是21个，曾引起激烈的争论，促进弹性理论的发展。最后G.格林从弹性势，G.拉梅从两个常量的物理意义给出了正确结论：弹性常量应是两个，不是一个（一般弹性材料是21个）。
弹性振动理论在18世纪弦、杆等振动研究基础上得到发展，这方面的代表作是瑞利的《声学理论《两卷（1877～1878）总结了当时这方面的成果。在弹性动力学和振动理论基础上发展起来的弹性波理论指出，不仅有纵向波和横向波的存在（如泊松在1829年所指出的那样），还有表面波的存在（瑞利，A.E.H.乐甫，H.兰姆等），这对于解释地震等地球物理现象具有理论意义。有意思的是弹性波最早的成果不是力学上的研究所得，而是1821年A.-J.菲涅耳在光学研究中提出的，他指出弹性介质中存在横向波，那时认为光是在一种弹性介质（以太）中传播的。
弹性力学基本方程建立后A.J.C.B .de圣维南着手方程求解，得到一些有价值的原则结果，如指出局部的平衡力系对大范围内的弹性效应是可以忽略的。在19世纪，陆续得到一些具体情况中的解，这些成果总结于乐甫所着的《数学弹性理论》两卷（1892～1893）中。到20世纪上半叶则出现更多的来自工程技术的问题解答。在19世纪，在建筑、机械中大量出现的固体力学强度和刚度问题，还不得不依靠材料力学和结构力学进行计算。包括物理学家J.C.麦克斯韦在内的许多科学家都曾先后研究过结构力学中的实用解法，如图解方法。此外，由于结构中出现失稳现象的杆大多不属于欧拉所考虑过的细长杆，许多学者如Φ.C.亚辛斯基，W.J.M.兰金等，在实验基础上给出一些半经验公式。有关材料塑性、屈服的规律研究结果也开始出现，如1886年发表了包辛格效应（在J.包辛格以前，1858和1859年维德曼已在实验中观察到这种效应），1864年发表了特雷斯卡塑性流动和剪应力屈服理论。 这一时期内有关流体方面的力学发展情况类似于固体方面，在实践的推动下水力学发展出不少经验公式或者半经验公式；另一方面在数学理论上最主要的进展是粘性流体运动基本方程，即纳维－斯托克斯方程的建立。纳维继承欧拉的工作，1821年发表不可压缩粘性流体运动方程，其出发点是离散的分子模型。1831年泊松改用粘性流体模型解释并推广了纳维的结果，第一个完整地给出粘性流体的本构关系。G.G.斯托克斯在1845年将离散的分子平均化，采用连续统的模型，假设应力六个分量线性地依赖于变形速度六个分量，得到粘性流体运动基本方程，即现代文献中纳维－斯托克斯方程的直角分量形式。在此以前，G.H.L.哈根于1839年和J.-L.-M.泊肃叶于1840～1841年分别发表了关于管道流动的实验结果和得出的公式，它们成为斯托克斯方程的例证。斯托克斯还曾考虑应力与变形速度之间有一般非线性函数关系的情况，但这种非牛顿流体的研究，无论从理论上或是实用上，只是到了20世纪40年代才有发展。
在可压缩流体或气体的力学方面，根据实验发现不少基本规律。圣维南在1839年给出气体通过小孔的计算公式。在声学理论方面，除上述瑞利的弹性振动理论外，气体的波动理论有很大的发展。对于超声速流动，E.马赫在1887年开始发表的关于弹丸在空气中飞行实验结果，提出流速与声速之比这个无量纲数。后来这个参数被称为马赫数（1929），它的逆正弦被称为马赫角（1907）。兰金和P.H.许贡纽分别于1870年和1887年考虑了一维冲击波（激波）前后压力和密度的不连续变化规律。
关于从层流到湍流的转捩（或过渡），以及流动失稳问题的奠基性工作是1883年O.雷诺的管道实验。他在实验中指出流动的动力相似律，而在其中起关键作用的是一个无量纲数，即雷诺数。雷诺还开始了湍流理论的艰难研究。
兰姆在其《流体运动数学理论》（1878初版，后来改名《水动力学》中总结了19世纪流体力学的理论成就。但实用中出现的许多流体力学问题，还得依靠水力学中经验公式或半经验公式，如在表征力学能量的伯努利定理中引进若干经验系数以计算阻力的影响，在只适用于均匀管流的哈根－泊肃叶流动公式中加进考虑非均匀性的修正系数等。许多水利工程、水力机械中的力学问题依赖这种办法得到解决，如A. de谢才、R.曼宁的明渠流公式，L.A.佩尔顿，J.B.弗朗西斯，V.卡普兰等为提高水力机械效率而作的许多水力学研究。Н.П.彼得罗夫在1890年关于偏心两圆柱间的流动的研究则是和轴承的润滑问题相联系的。 分析力学方面的主要成就是由拉格朗日力学发展为以积分形式变分原理为基础的哈密顿力学。积分形式变分原理的建立对力学的发展，无论在近代或现代，无论在理论上或应用上，都具有重要的意义。积分形式变分原理除W.R.哈密顿在1834年所提出的以外，还有C.F.高斯在1829年提出的最小拘束原理。哈密顿另一贡献是正则方程以及与此相关的正则变换，为力学运动方程的求解提供途径。C.G.J.雅可比进一步指出正则方程与一个偏微分方程的关系。从牛顿、拉格朗日到哈密顿的力学理论构成物理学中的经典力学部分。
此外，19世纪末开始了对非完整系统的研究，如P.-┵. 阿佩尔建立了以“加速度能量”表达的非完整系统的运动方程。
1846年，海王星先经计算作出预言，而后用观测证实，推动了以牛顿运动定律和万有引力定律为基础的天体力学的研究。法国科学院曾悬赏征求三体问题的研究结果，H.庞加莱为此作出的许多研究成果不仅推动了力学中运动稳定性理论、摄动理论的发展，也促进了数学中拓扑学、微分方程定性理论两个分支的发展。另一方面，工程技术和天体力学中其他方面也提出了不少运动稳定性问题。对此作出贡献的还有E.J.劳思，Н.Е.儒科夫斯基，特别是A.M.里雅普诺夫，他的专着《运动稳定性的一般问题》（1892）直到20世纪中叶仍有意义。19世纪悬赏征解的经典力学难题除三体问题外，还有重刚体定点运动。C.B.柯娃列夫斯卡娅在应征结果中得到的重刚体定点运动方程是除了欧拉、拉格朗日已得的两种以外的第三种可积形式的方程，1906年V.F.赫斯证明一般条件下只有以上三种可积形式的方程。
在应用方面，大机器的发展提出大量与机器传动有关的运动学、动力学问题并得到解决，逐步形成现在的机械原理等科目。应用力学的代表人物值得提到的是J.-V.彭赛列，他在1827～1829年间专门写了《为工匠和工人用的实用力学》。

④ 量子力学史

有人引用量子力学中的随机性支持自由意志说，但是第一，这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观的自由意志之间仍然有着难以逾越的距离；第二，这种随机性是否不可约简(irrecible)还难以证明，因为人们在微观尺度上的观察能力仍然有限。
自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题。统计学中的许多随机事件的例子，严格说来实为决定性的。 量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。

量子力学的发展简史

量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。

1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。

1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。

1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。

在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性。这一假说不久就为实验所证实。

德布罗意的波粒二象性假设：E=ħω，p=h/λ，其中ħ＝h/2π，可以由E=p²/2m得到λ＝√(h²/2mE)。

由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时，它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。

量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。

当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年，海森伯得出的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。

量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。

量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的。旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量子论不能令人满意，人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了量子力学。

1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。

海森堡还提出了测不准原理，原理的公式表达如下：ΔxΔp≥ħ/2。

量子力学的基本内容

量子力学的基本原理包括量子态的概念，运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。

在量子力学中，一个物理体系的状态由态函数表示，态函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程，该方程预言体系的行为，物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示；测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作，对应于代表该量的算符对其态函数的作用；测量的可能取值由该算符的本征方程决定，测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。

态函数的平方代表作为其变数的物理量出现的几率。根据这些基本原理并附以其他必要的假设，量子力学可以解释原子和亚原子的各种现象。

根据狄拉克符号表示，态函数，用<Ψ|和|Ψ>表示，态函数的概率密度用ρ＝<Ψ|Ψ>表示，其概率流密度用（ħ/2mi）（Ψ*▽Ψ－Ψ▽Ψ*）表示，其概率为概率密度的空间积分。

态函数可以表示为展开在正交空间集里的态矢比如|Ψ（x）>＝∑|ρ_i>，其中|ρ_i>为彼此正交的空间基矢，<m|n>＝δm,n为狄拉克函数，满足正交归一性质。

态函数满足薛定谔波动方程，iħ(d/dt)|m>=H|m>,分离变数后就能得到不含时状态下的演化方程H|m>＝En|m>，En是能量本征值，H是哈密顿能量算子。

于是经典物理量的量子化问题就归结为薛定谔波动方程的求解问题。

关于量子力学的解释涉及许多哲学问题，其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说，量子力学的运动方程也是因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知道时，可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。

但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的。在经典物理学理论中，对一个体系的测量不会改变它的状态，它只有一种变化，并按运动方程演进。因此，运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言。

但在量子力学中，体系的状态有两种变化，一种是体系的状态按运动方程演进，这是可逆的变化；另一种是测量改变体系状态的不可逆变化。因此，量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率。在这个意义上，经典物理学因果律在微观领域失效了。

据此，一些物理学家和哲学家断言量子力学摈弃因果性，而另一些物理学家和哲学家则认为量子力学因果律反映的是一种新型的因果性——几率因果性。量子力学中代表量子态的波函数是在整个空间定义的，态的任何变化是同时在整个空间实现的。

20世纪70年代以来，关于远隔粒子关联的实验表明，类空分离的事件存在着量子力学预言的关联。这种关联是同狭义相对论关于客体之间只能以不大于光速的速度传递物理相互作用的观点相矛盾的。于是，有些物理学家和哲学家为了解释这种关联的存在，提出在量子世界存在一种全局因果性或整体因果性，这种不同于建立在狭义相对论基础上的局域因果性，可以从整体上同时决定相关体系的行为。

量子力学用量子态的概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系，特别是观察仪器的相互作用中表现出来。

人们对观察结果用经典物理学语言描述时，发现微观体系在不同的条件下，或主要表现为波动图象，或主要表现为粒子行为。而量子态的概念所表达的，则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性。

量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。关于远隔粒子关联实验的结论，也定量地支持了量子态不可分离

⑤ 力学史的近代力学

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。
这半个多世纪中力学的主要推动力来自以航空事业为代表的近代工程技术。1903年莱特兄弟飞行成功，飞机很快成为交通工具。1957年人造地球卫星发射成功，标志着航天事业的开端。力学解决了飞机、航天器等各种飞行器的空气动力学性能问题、推进器的叶栅动力学问题、飞行稳定性和操纵性问题以及结构和材料强度等问题。在航空和航天事业的发展过程中，人们清楚地看到力学研究对于工业的先导作用。超声速飞行和航天飞行器返回地面关键问题，都是仰仗力学研究才得到解决。1945年第一次核爆炸成功，标志着核技术时代的开始。力学解决了对猛烈炸药爆轰的精密控制，材料在高压下的冲击绝热性能，强爆炸波的传播，反应堆的热应力等问题。此外，新型材料出现如混凝土在建筑中的应用，合成橡胶和塑料的制成，都向力学提出了新的课题。
力学实验规模日益扩大，有些实验研究已不是少数人所能完成的，如作流体力学实验用的风洞、激波管、水洞、水池，作动态强度试验用的振动台、离心机、轻气炮等就需要复杂的机器设备和精密的控制测量仪表，有的还需要巨大的能源，因而需要多种技术人员协同工作。
在力学内部，一个重要的特点是19世纪中叶开始的理论研究和应用研究脱节的倾向开始发生变化。19世纪中叶侧重理论研究的水动力学和弹性力学，往往应用较深的数学而不很关心工程师们的实际运用，侧重应用研究的水力学和材料力学常用经验的或半经验的公式而不大关心力学现象的内在机理。而到了1904年在德国格丁根大学数学教授F.克莱因的倡导下成立了应用力学研究所，力求把当时称为“数学理论”的水动力学和弹性力学应用于工程实际。一个典型的例子就是L.普朗特为解决飞行阻力这一实际问题而创立了边界层理论。此后格丁根应用力学学派的影响遍及世界各国。
近代力学的代表人物有德国学者普朗特，美籍匈牙利学者T.von卡门，英国学者G.I.泰勒，苏联学者Л.И.谢多夫和中国学者钱学森，他们善于从错综复杂的自然现象、科学实验结果和工程技术实践中抓住事物的本质，提炼成力学模型，采用合理的数学工具，从而掌握自然现象的规律或者进而提出解决工程技术问题的方案，最后再和观察结果反复校核直到接近实际为止。他们这一套工作方法逐渐形成应用力学的特殊风格。 由古老的材料力学、19世纪发展起来的弹性力学和结构力学、20世纪前期建立理论体系的塑性力学和粘弹性力学融合而成。这个时期，由于地震研究的需要，弹性动力学获得迅速的发展。以兰姆命名的在地表脉冲载荷作用下的弹性波传播问题（1904），在1939年由L.卡尼阿特用积分变换法加以处理和推广，解释了侧面波现象，这一方法成为现代弹性动力学的重要基础。层状介质中弹性波传播问题得到了周详的研究，H.杰弗里斯解释了层间折射震相现象。用地震波来探明地球的内部构造和地层分布，需解决困难的反演问题，即从地表观测数据来反推介质性质和震源机制。在弹性静力学方面，解决了有重要意义的孔附近的应力集中问题（G.基尔施，1898；Г.В.科洛索夫，1910），并据此发展出用复变函数处理弹性力学的一般方法。航空工程要求解决轻质蒙皮结构的强度、颤振、疲劳和稳定性问题，板壳理论得到空前的发展。卡门提出了薄板大挠度问题（1910），他又和钱学森一起导出非线性的球壳和柱壳的方程，解决了长期存在的线性屈曲理论和实际不符问题，开创了非线性屈曲理论（1939，1941）。后来W.T.科伊特系统地发展了非线性弹性稳定性理论（1945）。J.L.辛格和钱伟长应用张量分析建立了极为普遍的板壳理论，根据量级分析把板壳理论按近似程度分成几十种类型，这是迄今最周详的分析（1940）。钱伟长还提出了用摄动法解决薄板大挠度一类非线性方程的求解问题（1947）。为了寻求难于得出精确解的大量问题的近似解，发展出着名的瑞利－里兹法和伽辽金法。在这个背景上发展了各种变分原理，如赫林格-赖斯纳变分原理（1914，1950）和胡海昌-鹫津久一郎变分原理（1954,1955）。在结构力学方面，由于桁架的出现而发展了A.本迪克森的转角位移法（1914）。H.克罗斯提出了巧妙的逐步数值解法──力矩分配法（1932），引出了应用较广的松弛法，最后导致有限元法的建立，从而使弹性力学的求解方法出现了重大突破。在有限变形理论方面，M.赖纳在1945年用各向同性张量函数给出了非线性弹性的本构关系，R.S.里夫林给出非线性弹性普遍方程的一些精确解，解释了开尔文效应、坡印亭效应等重要的非线性现象，为后来理性力学学派的复兴作了先导。
塑性力学的建立是力学在20世纪的大事。普朗特和A.罗伊斯建立了增量形式的塑性本构关系，H.亨奇等建立了全量形式的塑性本构关系，R.希尔对塑性理论的总结（50年代），德鲁克公设（1952）和以后的伊柳辛公设（1961）为塑性理论的建立奠定了理论基础。60年代塑性力学解决了金属压延和结构强度等大量问题。极限设计理论的提出显示出塑性力学在节约材料中的重大作用。襄雷指出，塑性屈曲中的丧失唯一性和丧失稳定性属于不同的概念，这是塑性屈曲研究的一个里程碑。在第二次世界大战期间，卡门、G.I.泰勒和X.A.拉赫马图林各自独立地建立了塑性波理论，开辟了塑性动力学的新领域。应变率对于塑性性能的影响被发现了，从В.В.索科洛夫斯基（1948），L.E.马尔文（1951）起开始探索粘塑性理论。 在航空、航天事业的推动下，20世纪上半叶流体力学的发展主要在空气动力学方面。
空气动力学最早是由解释和计算机翼举力开始的。F.W.兰彻斯特的《空气动力学》（1907）和《空气翱翔学》（1908）两书中，已经包含他1894年提出的举力环流理论。以后M.W.库塔和儒科夫斯基也认识到环流和举力的关系，儒科夫斯基还给出可用的计算举力的定理和这个定理的各种应用，解决了有关二元机翼即无限翼展机翼的问题。为现代机翼理论创立实用数学形式的是普朗特。普朗特提出有限翼展的举力线理论（1918），其中把工程师们所关心的举力分布计算归结为一个积分方程，它的解对设计工作提供重要根据。这一理论成为一切中等速度飞机设计的基础。机翼的阻力计算也在19世纪所积累的经验和普朗特边界层理论的基础上得到不同程度的解决。当飞机速度提高时，提出了超声速飞行和跨声速空气动力学问题。E.马赫在19世纪末关于弹丸超声速运动的开拓性研究得到重视和发展。J.阿克莱特（1925）建立了二元线性化机翼的超声速举力和阻力理论。这个理论后来由普朗特（1930）、钱学森（1939）、卡门（1940）等作过修正。当马赫数接近1，即飞行速度接近声速时，翼面上有些点的当地速度超过声速，对于这种跨声速的流场，阿克莱特的理论及其修正都不适用了。阿克莱特（1946）、H.W.李普曼（1946）、钱学森和郭永怀（1946）分析了流场中出现的边界层和冲击波的相互作用，成功地解决了跨声速飞行中的空气动力学理论问题。力学上有关理论的建立和工程上后掠机翼的采用，使跨声速飞行成为现实。力学对突破航空中的声障起了关键作用。到了50年代，洲际导弹、航天技术又提出了飞行器再入大气时的加热问题。空气动力学又成功地解决了这问题，产生了当前通用的烧蚀防热办法。除航空、航天技术外，核爆炸技术也提出许多空气动力学问题，对其中的强爆炸问题G.I.泰勒（1946，1950）和谢多夫（1946）分别用力学中量纲分析的方法提出自模拟理论，该理论和以后的发展是核爆炸技术中计算冲击波强度的主要理论根据。
边界层理论的提出和分析机翼阻力有关，但它的意义不限于空气动力学。普朗特所开创的这一理论，经过卡门（1921）和K.波尔豪森（1921）对边界层方程所作的简化和提出的近似计算方法后，一直是流体力学中令人瞩目的课题。它不仅在力学方面的各种问题，如高速边界层、层流边界层、湍流边界层中有不少发展，而且从中提出的数学方法还逐渐形成了奇异摄动法，这种方法适用范围甚至超出力学。雷诺在19世纪末提出流体运动稳定性问题和湍流理论也是流体力学中的重要课题。20世纪以来在热对流的稳定性、平行流动稳定性、同轴两转动圆筒间的流动稳定性的研究方面，都有重要的进展。特别是对最后一种稳定性问题，1923年G.I.泰勒得到失稳的临界参数值。湍流理论在20年代主要是半经验性的，如普朗特考虑到动量传递而提出的混合长度理论。30年代开始的各种理论模型出现，其提出者有G.I.泰勒（1935）、周培源（1937起）、卡门（1938），以及物理学家W.K.海森伯（1947）等。但湍流理论至今尚不够完善。 电子计算机自1946年问世以后，计算速度、存储容量和运算能力不断提高，过去力学工作中大量复杂、困难而使人不敢问津的问题，因此有了解决的门路。计算机改变了力学的面貌，也改变了力学家的思想方法。有限差分方法很早被用于强爆炸冲击波计算，还随着出现了人工粘性、激波装配等克服间断性困难的办法。1963年J.E.弗罗姆和F.H.哈洛成功地计算了长方形柱体的绕流问题，给出柱体尾流涡街的形成和随时间的演变过程，并以《流体力学中的计算机实验》为题作了介绍，这一事件被看作是Link title计算流体力学兴起的标志。弹塑性动力学问题也用差分法作了有效的计算。在计算的实践中还创立了很多新概念，从运用传统的拉格朗日方法和欧拉方法等算法，发展到在差分格子里讨论质量、动量和能量的输运和均衡，建立了所谓离散力学。最令人鼓舞和惊叹的还是60年代有限元法的兴起。有限元法发源于结构力学。一个连续体结构经离散化为杆件（有限元）的组合后，计算机可以轻巧地对这种复杂杆件系统作出计算。有限元法一出现就显示出无比的优越性，它迅速的占领了整个弹性静力学。经过一段关于有限元法的数学基础和收敛性问题的深入讨论之后，认清了有限元法和变分原理的关系。力学家们自觉地以各种变分原理为基础建立了不同形式的杆元、板元、壳元、夹层板元、三维应力元、半无限元、奇异元、杂交元等，发挥了有限元法的巨大威力。随后它又冲出弹性静力学的范围，被广泛应用于弹性动力学、瞬态分析、塑性力学、流场分析，并向传热学、电磁场等非力学领域渗透，显示了极为光辉的前途。
孤立子和混沌现象的发现是计算机给力学以深刻影响的两个突出的例子。非线性波的研究在水波、气体和等离子体中的冲击波和弹塑性波等领域中受到重视。1965年N.J.扎布斯基和K.D.克鲁斯卡尔利用计算机对浅水波的KdV方程进行数值积分，发现在直线上行进的孤立波碰撞前后的形状相同，具有粒子的性质。这一发现和后继的研究使非线性波理论焕然一新，应用范围遍及大气、洋流、晶格力学，以至非线性光学和粒子物理学等。混沌现象的最早例子是E.N.洛伦茨1963年在研究大气对流问题时通过数值计算发现的，这件事说明在确定性系统中也可出现类似随机的过程，这是有序向无序的一种演化过程，是非线性动力学中一个令人惊异的现象。混沌和有关的奇怪吸引子理论的一些结果冲击了数学、物理学的许多分支。例如湍流问题是流体力学中长斯存在的难题，分岔和混沌模型结合在实验中发现的拟序结构，使这个难题的解决似乎有了新的希望。
计算机惊人的运算能力和对介质的力学性能不甚清楚之间的矛盾，推动了对材料本构关系的深入研究。计算机又使力学实验方法现代化，实验数据的采集整理可以借助微型计算机自动实现。计算机甚至可部分地代替某些常规实验。 航天工程开辟了人们的视野，现代力学以远远超过牛顿时代的水平再度向天文学渗透。人们用磁流体力学研究太阳风在地球磁场中形成的冲击波，用流体力学结合恒星动力学研究密度波，以解释旋涡星系的螺旋结构，以至用相对论流体力学来研究星系的演化。航天任务基本实现之后，60年代起许多力学家开始转向新的力学生长点。由冯元桢等奠基创建的生物力学就是一个科学渗透的显着例子。多年来的研究使人们认识到：“没有生物力学，就不能很好地了解生理学。”生物力学在考虑生物的形态和组织的基础上，测定生物材料的力学性质，确定本构关系，再结合力学基本原理解决边值问题，这些已在定量生理学、心血管系统临床问题和生物医学工程方面取得不少成就。现代力学又向地球科学渗透，在板块动力学、构造应力场、地震预报以及用反演法阐明震源机制、地层结构和地质材料性质方面进行新的探索，并推动岩石力学的研究。在工程技术方面，如能源开发、环境保护、材料科学、海洋工程、安全防护等综合技术都提出多种多样力学新课题。因此现代力学都必须和别的学科相结合，发展边缘学科解决这些问题。在机器人控制和卫星姿态控制研究中的多刚体系统动力学问题就需要用由力学和控制反馈理论相结合的方法进行研究。
力学向外渗透的同时，在力学内部也出现了综合的倾向。从19世纪力学分为三大支以后，每个分支到20世纪又进一步分化，积累了大量资料，因而提出了概括和提高的任务，需要在统一的基础上把各个分支学科综合起来。在50年代出现了以C.特鲁斯德尔为代表的理性力学学派，他们重新检核了连续介质力学和热力学的基础，在1958年由W.诺尔提出以确定性原理、局部作用原理和材料的标架无关性原理作为三条公理，按照过去达朗伯关于理性的力学必须建立在显然的公理上的思想，运用演绎的方法推导出弹性和粘性等简单物质的本构关系。在60～70年代，公理系统续有扩大，经统一处理的理想材料包括粘弹性和塑性等记忆材料，具有微结构的有向材料，非局部作用模型、混合材料以及热－力耦合材料等。在统一处理材料本构关系的同时，理性力学学派还综合讨论了各种介质应共同遵守的通有原理和共有的现象和方法如波动、稳定性、变分方法等。钱学森指出，理性力学就是连续介质力学的基础理论，它的任务是审核复杂物性物质或材料的基本方程是否和热力学、力学基本原理相容，因而有重要的实际意义。 从构成物质的微观粒子（如分子、原子、电子）或者细观结构（如晶粒、分子链）的性质及其相互作用出发来确定材料的宏观性质（如本构关系中的弹性系数、松弛函数、热导率、比热），或者解释变形或破坏的机制等等，从40年代到50年代已积累了大量结果。用统计力学方法处理气体的平衡问题已较成熟，但对液体和固体的问题，以及非平衡过程方面的问题则很差。在40年代用统计力学处理高分子材料的分子网络，得到的贮能函数和用非线性弹性理论所得到的非常接近。这个结果令人鼓舞，但限于弹性范围。1936年G.I.泰勒提出的金属中的位错假说，50年代已被实验证实，并在60年代发展成位错动力学。用位错参数表达的奥罗万应变率公式已经通过“内变量”的桥梁进入宏观的本构关系，沟通了宏观和微观的关系。
材料中往往存在大量裂纹、损伤或裂隙，使连续介质发生间断并影响其力学性能。位错理论和断裂力学分别从微观和宏观的角度突出了缺陷材料性能的重要性，两者之间有密切联系。断裂力学在60年代迅速发展，改变了对强度安全设计和材料评价的传统看法。
宏观和微观的沟通还表现在某些观点上。19世纪统计力学建立以来，经典力学中的确定论和统计力学中的随机论一直是截然不同的两种观点。60～70年代力学和物理学中对混沌现象的研究说明，经典力学系统自身具有内在的随机性。人们又得重新估计经典力学和统计力学之间的联系。
几千年来人类对物质机械运动即力学规律的认识，经历了由浅入深、由表及里的过程。科学的发展总的说来是既有综合又有分析，但在特定的阶段可能有所侧重。自然科学最早是统一的无所不包的自然哲学，以后物理学从其中分出来，力学又从物理学中分出来，后来力学出现分支学科，再派生出新的分支学科，与此同时还出现综合的倾向。有一种观点认为，当代自然科学的总趋势是由交叉学科、边缘学科发展成为综合性更强的科学。如果真是这样，力学未来的面目也许很不同于今天。然而有一点则是肯定的，人们对物质世界的认识总是在原先积累的基础上进一步深化。无数相对真理的总和，就是绝对真理。
参考书目
清华大学自然辩证法教研组编：《科学技术史讲义》，清华大学出版社，北京，1982。
S.P.铁木生可着，常振檝译：《材料力学史》，上海科学技术出版社，上海，1961。（S.P.Timoshenko,History of StrengthofMaterials,McGraw-Hill,New York,1953.)
钱学森：现代力学，《力学与实践》，第1期，第4～9页，1979。
卡尔曼着，江可宗译：《空气动力学的发展》，上海科学技术出版社，上海，1959。（T.vonKármán,Aerodynamics:Selected Topics in the Light of Their Historical Development,Cornell Univ.Press,Ithaca,1954.)
S. Goldstein,FluidMechanicsintheFirst Half of thisCentury,Annual Reviews ofFluid Mechanics,Vol.1,pp.1～28,1969.

⑥ 力学史的相关图书信息

书 名： 力学史
作者：武际可
出版社：上海辞书出版社
出版时间：2010-7-1
ISBN: 9787532631483
开本：16开
定价： 38.00元 绪论
第1章 古代中国力学的发展
第2章 古希腊的力学
第3章 静力学的发展
第4章 从哥白尼到开普勒
第5章 经典力学理论系统的建立
第6章 经典力学的进一步发展
第7章 流体力学的发展
第8章 固体力学的发展
第9章 经典力学的困难与相对论和量子论的诞生
第10章 20世纪力学中若干重要问题的进展
第11章 航空、航天技术的发展与力学
第12章 力学在中国的传播与发展
附录 1920年以前力学发展史上的100篇重要文献
参考文献
人名索引
主题索引
后记
再版后记

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《量子力学的哲学》（（美）M.雅默（Max Jammer））电子书网盘下载免费在线阅读

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书名：量子力学的哲学

作者：（美）M.雅默（Max Jammer）

译者：秦克诚

豆瓣评分：9.3

出版社：商务印书馆

出版年份：1989

页数：628页

⑧ 力学历史 例如牛顿

牛顿他是在天文学方面，牛顿可以称为近代伟大天文学家。他的杰出贡献是制作了反射式望远镜，反射式望远镜的制造成功，是天文学史上的一项重大革新。自伽利略发明第一架天文望远镜以来，人们对于宇宙的认识范围迅速扩展，但是当时流行的伽利略、开普勒等人发明和制造的折射望远镜，口径有限，制造大型望远镜不但困难，而且太庞大，同时折射望远镜的折射色差和球差都很大，这些大大限制了天文观测的范围。牛顿由于了解了白光的组成，因而于1668年设计制成了第一架反射式望远镜。这种望远镜能反射较广光谱范围的光而无色差，容易获得较大的口径，同时对球差也有校正。这样牛顿为现代大型天文望远镜的制造奠定了基础。 牛顿在天文学上的另一重要贡献是对行星的运动规律进行了全面考察，特别是对开普勒等人的学说进行过系统的研究。1686年他在给哈雷的信中说明了天体可以按照质点处理并证明了开普勒的行星运动的椭圆形轨道以及彗星的抛物线轨道。牛顿还进一步发展了自己的理论，认为行星都由于自转而使两极扁平赤道突出，还预言地球也是这样的球体。由于地球不是正球体，牛顿就指出，太阳和月球的引力摄动将不会通过地球中心，因此地轴将作一缓慢的圆锥运动，这便出现了二分点的岁差现象。对于潮汐现象，牛顿也作出了解释，他认为这是太阳和月球引力造成的。 英国物理学家、数学家、天文学家，经典物理学的创始人。1642年12月25日生于林肯夏郡沃斯索普村一个农民家庭。牛顿在出生前3个月父亲便去世了。3岁时母亲改嫁，他由外祖母抚养。1654年牛顿开始读小学，后在舅父的资助下进入格兰山姆镇皇家中学。1661年进入剑桥大学三一学院。1663年，三一学院创办自然科学讲座，牛顿成为了数学家伊萨克枣巴罗（Isaac Barrow, 1630-1677）教授的学生，1664年成为巴罗的助手。1665年获文学学士学位，1665年至1667年为躲避瘟疫回到家乡。1667年牛顿又回到剑桥大学，并被选为选修课的教研员。1668年3月任专修课教研员，同年获硕士学位。1669年巴罗辞去职务，以让牛顿晋升为数学教授。1670年牛顿又担任了卢卡斯讲座教授。1672年他被选为皇家学会会员，此后一直在剑桥大学工作。1689年被选为代表剑桥大学的国会议员。1696年他被任命为造币厂督办，迁居伦敦。1699年担任了造币厂厂长。1701年牛顿辞去剑桥大学教授职位，退出三一学院。1703年被选为皇家学会会长。1705年受封勋爵，成为贵族。1727年3月20日逝世于肯新顿村，终年85岁，终生未娶。 牛顿是科学发展史上举世闻名的巨人。他奠定了近代科学理论基础，是以正确的思维方法指导科学研究的代表。他是一位自强、勤奋的“天才”，为世界自然科学的发展作出了不可磨灭的贡献，成为近代科学的象征。他的科学贡献代表了当时新生资产阶级的利益，因为他为他的国家作出了巨大贡献，死后葬于威斯敏斯特教堂。 少年时期的牛顿，便显示出了出众的才能。他所精心制作的许多小机械，如风车、风筝、滴漏时钟、日圭仪等，引起了多人的注重和好评。牛顿的一生大部分时间从事科学实践、教学和理论的研究。从1672年他发表第一篇论文起，一生写出了多部极其着名的着作，如1686年写成，1687年出版的《自然哲学的数学原理》、1704年出版的《光学》等，在科学史上都具有重要价值。他在数学、物理学、天文学等多方面创造了惊人的奇迹。在数学方面，牛顿是微积分的创始人之一，同莱布尼兹一道名垂千古。1665年，牛顿在23岁时便发现了“二项式定理”和“流数法”，“流数法”就是现代所说的微分法。同时他还发现了流数法反演，即积分法。微积分的创立，是近代数学史上的一次重大变革，是真正的变量数学，为近代科学发展提供了最有效的工具，开辟了数学上的一个新纪元。 在物理学方面，牛顿取得了力学、热学、光学等多方面的巨大成就。牛顿是经典力学理论的开创者。他在伽利略等人工作的基础上，进行了深入研究，经过大量的实验，总结出了运动三定律，创立了经典力学体系。牛顿所研究的机械运动规律，首先是建立在绝对时空观基础之上的。绝对化的时间和绝对化的空间是指不受物体运动状态影响的时间和空间。在两个匀速运动状态下的观察者，对机械运动具有相同的测量结果。在高速运动状态下，这种时空观已不能采用，这时（运动速度与光速可以比拟），牛顿力学将被相对论力学所代替。在微观情况下，由于粒子的波动性已明显表现出来，牛顿力学将被量子力学所代替。牛顿在力学方面另一巨大贡献是在开普勒等人工作的基础上，发现了万有引力定律。牛顿认为：太阳吸引行星，行星吸引卫星，以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力。牛顿用微积分证明了，任何一曲线运动的质点，如果半径指向静止或匀速直线运动的点，且绕次点扫过与时间成正比的面积，则此质点必受指向该点的向心力的作用，如果环绕的周期之平方与半径的立方成正比，则向心力与半径的平方成反比。牛顿还在力学发展中，首先确定了一系列的基本概念，如质量、动量、惯性和力等。经过牛顿的工作，力学已形成了严密、完整、系统的科学体系。 在热学方面，牛顿确立了冷却定律。他指出：当物体表面与周围存在温度差时，单位时间内从单位面积上散失的热量与这一温度差成正比。 在光学方面，牛顿同样取得了巨大成果。牛顿是白光组成的最早发现者，1666年他利用三棱镜进行了着名的色散实验，发现白光可以分解为多种颜色的光谱带。同时他还作出了多色光合成白光的实验。牛顿对各色光的折射率进行了精确分析，说明了色散现象的本质。他指出，由于物质对不同颜色光得折射率和反射率不同，才造成了物体颜色的差别，从而揭开了颜色之谜。对于光的本性，牛顿提出了光的“微粒说”。他的观点一定程度上反映了光的本质。他认为，光是由微粒形成，并且走的是快速的直线运动路径。应用光的微粒说可以很好地解释光的反射和折射现象，但对于衍射现象却无能为力。微粒说是关于光的本性的重要理论之一，他同惠更斯的波动说共同构成了关于光的两大基本理论。现代科学证明，任何物质都具有波粒二象性。牛顿在光学方面还有许多发现和研究成果。如1666年他制作了牛顿色盘；1675年曾利用凸透镜和平板玻璃观察到了一种干涉图样，称为牛顿环等。他对牛顿环进行过精细的测量，但是没有能够作出满意的解释。此外牛顿还研究制成了多种光学仪器，在天文观测中有广泛的应用。 牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义思想。他承认时间、空间的客观存在，但却把它们看成是与运动着的物质相脱离的。他所提出的形而上学的绝对时空观，虽然在解决宏观低速下运动物体的运动规律时能很好的适用，但在离开宏观低速的条件时，便无能为力了。 牛顿对于宇宙的解释也是和笛卡儿等人一样，承认神是“第一推动力”，后来的牛顿可以说完全陷入了唯心主义。他的全部成就几乎都是在45岁以前取得的，尤其集中在23岁以前。以后的四十年中则完全陷入了对神学的研究，他在神学方面的研究手稿竟有1，500，000字之多。

⑨ 武际可的主要论着

1 《旋转壳的应力分析》，与王大钧、袁明武合着，水利电力 出版社，1978年
2 《弹性力学引论》，与王敏中合着，北京大学出版社，1981年
3 《弹性系统的稳定性》，与苏先樾合着，科学出版社，1994年
4 《力学诗趣》，与王振东合着，南开大学出版社，1998年
5 《力学史》，重庆出版社，2000年
6 《弹性力学教程》，与王敏中，王炜合着，北京大学出版社，2001年
近期主要研究方向
计算力学、动力系统的分岔和力学系统的稳定性问题； 对科学普及、科学史、科学哲学等也有兴趣
通讯地址
地址：100871北京大学力学与工程科学系