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理論力學,是機械運動及物體間相互機械作用的一般規律的學科,也稱經典力學。是力學的一部分,也是大部分工程技術科學的基礎。

     理論力學是機械運動及物體間相互機械作用的一般規律的學科,也稱經典力學。是力學的一部分,也是大部分工程技術科學

理論力學理論力學

的基礎。所謂的機械運動是指物體在空間的位置隨時間而變化。例如:車船的行駛,導彈的發射,機器的轉動等,都是機械運動。

       理論力學的理論基礎是以17世紀伽利略和牛頓所總結的動力學基本定律為基礎,故又稱牛頓力學。20世紀初,物理學有啦重大發現,改變啦絕對時空的概念,從而產生了量子力學和相對論,指出經典力學的局限性,它不適用於速度接近光速的宏觀物體的運動,也不適用於微觀粒子的運動。經典力學所表述的是相對論力學在物體速度遠小於光速時的極限情況,也是量子力學在量子數為無限大時的極限情況。對於速度遠小於光速的宏觀物體的運動,包括超音速噴氣飛機及宇宙飛行器的運動,都可以用經典力學進行分析,其分析結果足夠精確。

1 理論力學 -概述

       理論力學是力學中的一門橫斷的基礎學科,它用數學的基本概念和嚴格的邏輯推理,研究力學中帶共性的問題。理論力學一方面用統一的觀點,對各傳統力學分支進行系統和綜合的探討,另一方面還要建立和發展新的模型、理論,以及解決問題的解析方法和數值方法。

理論力學的研究特點是強調概念的確切性和數學證明的嚴格性,并力圖用公理體系來演繹力學理論。1945年後,理論力學轉向以研究連續介質為主,並發展成為連續統物理學的理論基礎。

2 理論力學 -發展簡史

奠基時期牛頓的《自然哲學的數學原理》一書可看作是理論力學的第一部著作。從牛頓三定律出發可演繹出力學

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運動的全部主要性質。另一位理論力學先驅是瑞士的雅各布第一·伯努利,他最早從事變形體力學的研究,推導出沿長度受任意載荷的弦的平衡方程。通過實驗,他發現弦的伸長和張力並不滿足線性的胡克定律,並且認為線性關係不能作為物性的普遍規律。

法國科學家達朗貝爾於1743年提出:理論力學首先必須象幾何學那樣建立在顯然正確的公理上;其次,力學的結論都應有數學證明。這便是理論力學的框架。

1788年法國科學家拉格朗日創立了分析力學,其中許多內容是符合達朗貝爾框架的;其後經過相當長的時間,變形體力學的一些基本概念,如應力、應變等逐漸建立起來;1822年法國柯西提出的接觸力可用應力矢量表達的「應力原理」,一直是連續介質力學的最基本的假定;1894年芬格建立了超彈性體的有限變形理論;關於有向連續介質的猜想是佛克脫和迪昂提出的,其理論則是由法國科學家科瑟拉兄弟在1909年建立的。

1900年,著名德國數學家希爾伯特在巴黎國際數學大會上,提出的23個問題中的第6個問題就是關於物理學(特別是力學)的公理化問題。1908年以來,哈茂耳重提此事,但當時只限於一般力學的範圍。

停滯時期約從20世紀初到1945年。這段時期形成了以從事線性力學及其相關數學的研究為主的局面。線性理論充分發揮了它解釋力學現象和解決工程技術問題的能力,並使與之相關的數學也發展到相當完善的地步。相形之下,非線性理論的研究沒有多大進展,理論力學也因此處於停滯時期。

復興時期從1945年起,理論力學開始復興。復興不是簡單的重複,而是達朗貝爾框架在連續介質力學方面的進一

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步發展。這種變化是由1945年賴納和1940年裡夫林的工作引起的。

賴納的工作是研究非線性粘性流體,過去長期不得解決的所謂油漆攪拌器效率不高的問題,因為有了這個非線性粘性流體理論而真相大白。里夫林的工作是在任意形式的貯能函數下,對於等體積變形的不可壓縮彈性體,給出了幾個簡單而又重要問題的精確解,用這個理論解釋橡膠製品的特性取得驚人的成功。另外,過去得不到解決的「柱體扭轉時為什麼會伸長」的問題也自然獲得解決。這兩個工作揭開了理論力學復興的序幕。

奧爾德羅伊德1950年提出本構關係必須具有確定的不變性,這個思想後來就發展成為客觀性原理。1953年,特魯斯德爾提出低彈性體的概念。同年,埃里克森發表了各向同性不可壓縮彈性物質中波的傳播理論。

1956年以來,圖平關於彈性電介質的系統研究,為電磁連續介質理論的發展打下了基礎;1957年托馬期關於奇異面的研究是另一重大進展;1957年諾爾首先提出純力學物質理論的公理化問題。次年,他發表了連續介質的力學行為的數學理論,這便是簡單物質的公理體系的雛型,後來逐漸發展成為簡單物質譜系。

1958年埃里克森和特魯斯德爾提出的桿和殼中應力和應變的準確理論,德國學者金特爾關於科瑟拉連續統的靜力學和運動學的論文,引起了對有向物體理論的重新認識和系統研究。1969年科勒曼和諾爾建立了連續介質熱力學的一般理論。

1960年特魯斯德爾和圖平所著《古典場論》,以及1966年特魯斯德爾和諾爾所著《力學的線性場論》兩書,概括

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了以前有關理論力學的全部主要成果,是理論力學的兩部經典著作。這兩部書的出版標誌著理論力學復興時期的結束。

發展時期1966年以來,理論力學進入發展時期。它的發展是和當代科學技術發展的總趨勢相呼應的。這個時期的特點是理論力學本身不斷向深度和廣度發展,同時又與其他學科相互滲透,相互促進。

理論力學的發展主要涉及五個方面:公理體系和數學演繹;非線性理論問題及其解析和數值解法;解的存在性和唯一性問題;古典連續介質理論的推廣和擴充;以及與其他學科的結合。

3 理論力學 -學科內容

     理論力學所研究的對象(即所採用的力學模型)為質點或質點系時,稱為質點力學或質點系力學;如為剛體時,

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稱為剛體力學。因所研究問題的不同,理論力學又可分為靜力學、運動學和動力學三部分。靜力學研究剛體在力作用下處於平衡的規律。運動學研究物體運動的幾何性質。動力學研究物體的運動變化及作用力之間的關係。靜力學和運動學是學習動力學的基礎。  

     理論力學的重要分支有振動理論、運動穩定性理論、陀螺儀理論、變質量體力學、剛體系統動力學、自動控制理論等。這些內容,有時總稱為一般力學。  

     理論力學與許多技術學科直接有關,如水力學、材料力學、結構力學、機器與機構理論、外彈道學、飛行力學等,是這些學科的基礎。

4 理論力學 -課程內容

靜力學

        基本公理,約束與約束力,平面任意力系的簡化與平衡,物體系的平衡,平面簡單桁架內力計算方法,靜定與超靜定的概念,空間力系的簡化與平衡,滑動摩擦與滾動摩擦。

        研究的問題:物體的受力分析;力系的簡化;力系的平衡及其運用。

運動學

         點的運動合成,科氏加速度,剛體平面運動的速度分析方法,剛體平面運動的加速度分析方法。

         研究的問題:建立物體運動的描述方法;確定物體運動的有關特徵量,例如:運動軌跡、速度、加速度,剛體的角速度及其角加速度等。

動力學

        基本概念,動量定理,質心運動定理,剛體對於定點的動量矩定理,剛體對於質心的動量矩定理,剛體平面運動微分方程,動能、勢能、動能定理,達朗貝爾原理,虛位移原理及其在靜力分析中的應用。單自由度系統振動方程與振動特徵量。

        動力學可分為質點動力學和質點系動力學。研究問題包括對物體的受力分析,建立物體機械運動的普遍規律。

5 理論力學 -基本概念和方法

運動學中關於運動的量度,對於點有速度與加速度,對於剛體有移動的速度與加速度,轉動的角速度與角加速度。

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物體間的相互機械作用的基本量度是力,理論力學中還廣泛用到力對點之矩和力對軸之矩的概念。

物體運動的改變除與作用力有關外,還與本身的慣性有關。對於質點,慣性的量度是其質量。對於剛體,除其總質量外,慣性還與質量在體內的分佈狀況有關,即與質心位置及慣性矩、慣性積有關。剛體對於三個互相垂直的坐標軸的各慣性矩及慣性積組成剛體對該坐標系的慣性張量。

動力學中關於運動的量度有動量、動量矩和動能,與此有關的力的作用的量度有衝量、衝量矩和功。表明這兩種量度間的關係的定理,有動量定理、動量矩定理以及動能定理,稱為動力學普遍定理。

理論力學的基礎是牛頓三定律:第一定律即慣性定律;第二定律給出了質點動力學基本方程;第三定律即作用與反作用定律,在研究質點系力學問題時具有重要作用。第一、第二定律對於慣性參考系成立。在一般問題中,與地球固結的參考系或相對於地面作慣性運動的參考系,可近似地看作慣性參考系。  

研究非自由質點系的平衡和運動的較有效方法是力學的變分原理,其中有虛位移原理、達朗伯原理、哈密頓原理等。在解題時廣泛應用了由此推出的運動微分方程,其中有拉格朗日方程、哈密頓正則方程、哈密頓-雅可比方程等。

6 理論力學 -研究內容

連續介質力學是研究連續介質的宏觀力學行為。連續介質力學用統一的觀點來研究固體和流體的力學問題,因此也有人把連續介質力學狹義地理解為理論力學。

純力學物質理論主要研究非極性物質的純力學現象。諾爾提出的純力學物質理論的公理體系由原始元、基本定律

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和本構關係三部分組成。1960年科勒曼和諾爾提出減退記憶原理。在這個公理體系下,並給出各類物質的譜系是純力學物質理論的中心課題。純力學物質研究得比較充分,尤其是簡單物質理論已形成相當完整的體系,這是理論力學中最成功的一部分。

熱力物質理論是用統一的觀點和方法,研究連續介質中的力學和熱學的耦合作用,1966年以來逐漸形成熱力物質理論的公理體系。這個公理體系也是由原始元、基本定律和本構關係三部分組成,但其內容比純力學物質理論更為廣泛。到目前為止還沒有一個公認的、完整的熱力物質理論,它正在各派學者的爭論中發展並不斷完善。

電磁連續介質理論是按連續統的觀點研究電磁場與連續介質的相互作用。由於現代科學技術發展的客觀需要,電磁連續介質理論的研究越來越受到重視,已成為現代連續介質力學的重要發展方向之一。

混合物理論是研究由兩種以上,包括固體和流體形式物質組成的混合物的有關物理現象。混合物理論可以用來研究擴散現象、多孔介質、化學反應介質等問題。

連續介質波動理論是研究波在連續介質中傳播的一般理論和計算方法。連續介質波動理論把任何以有限速度通過連續介質傳播的擾動都看做是「波」,所以研究的內容是相當廣泛的。在連續介質波動理論中,奇異面理論佔有十分重要的地位,但到目前為止,研究尚少。

廣義連續介質力學是從有向物質點連續介質理論發展起來的連續介質力學。廣義連續介質力學包括極性連續介質力學、非局部連續介質力學和非局部極性連續介質力學。極性連續介質力學主要研究微態固體和微態流體,特別

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是微極彈性固體和微極流體。非局部連續介質力學則主要研究非局部彈性固體和非局部流體。由於非局部極性連續介質力學是極性連續力學和非局部連續介質力學的結合,所以它的主要研究對象是非局部微極彈性固體和非局部微極流體。20世紀70年代以來,廣義連續介質力學內容在不斷擴充,並已發展成為廣義連續統場論。

非協調連續統理論是研究不滿足協調方程的連續統的理論。古典理論要求滿足協調方程,但在有位錯或內應力存在的物體中,協調方程不再滿足,這時對連續位錯理論必須引入非協調的概念。這種非協調理論宜用微分幾何方法來描述。最近又開展了連續旋錯理論的研究,把非協調理論和有向物體理論統一起來是一個研究課題,但還未得到完整的結果。

相對論性連續介質理論是從相對論觀點出發研究連續介質的運動學、動力學、熱動力學和電動力學等問題。

除上述的分支和理論外,理論力學還研究非線性連續介質理論的解析或數值方法以及同其他學科相交叉的問題。

理論力學來源於傳統的分析力學、固體力學、流體力學、熱力學和連續介質力學等力學分支,並同這些力學分支結合,出現了理性彈性力學、理性熱力學、理性連續介質力學等理論力學的新興分支。理論力學就是這樣從特殊到—般,再從一般到特殊地發展著。理論力學除了同傳統的各力學分支互相捉進外,還同數學、物理 

7 理論力學 -學習目的

           理論力學是一門理論性很強的技術基礎課,是材料力學,結構力學,彈性力學,流體力學等課程的基礎和前提。理論力學與工程技術有著比較緊密的聯繫。某些實際工程可以直接用理論力學得到解決,有些複雜問題需要理論力學與其他專業知識聯合求解。通過理論力學的學習一方面要學習其中的具體的力學知識,還要學習其中的辯證唯物主義思想,提高我們全面分析問題、綜合利用理論和求解問題的能力,為以後的社會實踐,及其科學研究創造條件。


8 理論力學 -參考書目

[1]黃安基.理論力學[M].人民教育出版社,北京,1981. 

[2]喬洪州.理論力學[M].中國建築工業出版社,北京,2006.

[3]H.Goldstein,Classical Mechanics, 2nd ed.,Addison-Wesley,Reading,Massachusetts,1980.

[4]F.P.Beer,E.R.Johnston,Jr.,Vector Mechanics for Enɡineers,McGraw-Hill,New York,1977.

9 理論力學 -參考資料

http://wiki.keyin.cn/index.php/%E7%90%86%E8%AE%BA%E5%8A%9B%E5%AD%A6

http://www.pep.com.cn/gzwl/gzwljszx/wlbwg/wlsx/wlxjs/200406/t20040620_89780.htm

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