經典力學

力學又稱經典力學,是研究通常尺寸的物體在受力下的形變,以及速度遠低於光速的運動過程的一門自然科學。力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎,機械、建築、航天器和船艦等的合理設計都必須以經典力學為基本依據。

經典力學是研究宏觀物體做低速機械運動的現象和規律的學科。宏觀是相對於原子等微觀粒子而言的;低速是相對於光速而言的。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。人們日常生活直接接觸到的並首先加以研究的都是宏觀低速的機械運動。

自遠古以來,由於農業生產需要確定季節,人們就進行天文觀察。16世紀後期,人們對行星繞太陽的運動進行了詳細、精密的觀察。17世紀開普勒從這些觀察結果中總結出了行星繞日運動的三條經驗規律。差不多在同一時期,伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究,從而提出關於機械運動現象的初步理論。

牛頓深入研究了這些經驗規律和初步的現象性理論,發現了宏觀低速機械運動的基本規律,為經典力學奠定了基礎。亞當斯根據對天王星的詳細天文觀察,並根據牛頓的理論,預言了海王星的存在,以後果然在天文觀察中發現了海王星。於是牛頓所提出的力學定律和萬有引力定律被普遍接受了。

經典力學中的基本物理量是質點的空間坐標和動量:一個力學係統在某一時刻的狀態,由它的某一個質點在這一時刻的空間坐標和動量表示。對於一個不受外界影響,也不影響外界,不包含其他運動形式(如熱運動、電磁運動等)的力學係統來說,它的總機械能就是每一個質點的空間坐標和動量的函數,其狀態隨時間的變化由總能量決定。

在經典力學中,力學係統的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發展表明,任何一個孤立的物理係統,無論怎樣變化,其總能量和總動量數值是不變的。這種守恒性質的適用範圍已經遠遠超出了經典力學的範圍,現在還沒有發現它們的局限性。

早在19世紀,經典力學就已經成為物理學中十分成熟的分支學科,它包含了豐富的內容。例如:質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經典力學的應用範圍,涉及到能源、航空、航天、機械、建築、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。當然,工程技術問題常常是綜合性的問題,還需要許多學科進行綜合研究,才能完全解決。

機械運動中,很普遍的一種運動形式就是振動和波動。聲學就是研究這種運動的產生、傳播、轉化和吸收的分支學科。人們通過聲波傳遞信息,有許多物體不易為光波和電磁波透過,卻能為聲波透過;頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠的地方,因此能迅速傳遞地球上任何地方發生的地震、火山爆發或核爆炸的信息;頻率很高的聲波和聲表麵波已經用於固體的研究、微波技術、醫療診斷等領域;非常強的聲波已經用於工業加工等。

機械運動是物質運動的最基本的形式。機械運動亦即力學運動,是物質在時間、空間中的位置變化,包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等。而平衡或靜止,則是其中的特殊情況。物質運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等。

力是物質間的一種相互作用,機械運動狀態的變化是由這種相互作用引起的。靜止和運動狀態不變,則意味著各作用力在某種意義上的平衡。因此,力學可以說是力和(機械)運動的科學。

力學的起源