源自古希腊哲学家亚里斯多德与古希腊天文学家托勒密的"地心说"是罗马教会所要垄断的"真理"。他们对一切反对地心说的人加以迫害。力学学科特别是其中的动力学,就是在反对"地心说"发展"日心说"中逐渐成熟起来的。
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△古希腊"地心说"
在力学早期的发展中应当特别提到四本书。它们是:1543年出版的哥白尼的著作《天体运行论》,1632年出版的伽利略的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界观的对话》,1638年出版的伽利略的著作《关于两门新科学的对话》和1687年出版的牛顿的著作《自然哲学的数学原理》。这四本书就是力学走向成熟的奠基之作。
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△哥白尼与"日心说"
意大利思想家布鲁诺因为捍卫哥白尼的日心说,批判神学,被宗教裁判所判为“异端”,在1600年被烧死在罗马鲜花广场。
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△布鲁诺受火刑
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△伽利略与著名的比萨斜塔自由落体试验
日心说战胜地心说,它的意义不仅是天文学上新思想的胜利,也不仅在科学上力学学科的成长和成熟。他是人类历史上真理观的一次革命。它宣告以往权势即是真理的破灭,宣告权势可以垄断真理的破产,宣告指鹿为马的把戏破产。它使中世纪以前傲慢的权势不得不向新兴的科学低头,它警告人们,不管他是多么有权势有地位,在科学面前必须持谦卑的态度。
经典力学又常常被称为古典力学,英文均为:Classical Mechanics。狭义地讲,所谓经典力学是指创立于1687年的牛顿力学 (Newtonian Mechanics)、创立于1788年的拉格朗日力学(Lagrangian Mechanics)和创立于1834和1835年的哈密顿力学(Hamiltonian Mechanics)。 其中,牛顿力学着重分析位移、速度、加速度、力等线量矢量,以及角位移、角速度、角加速度和矩等角量矢量间的关系,故又称为矢量力学(vector mechanics);拉格朗日力学和哈密顿力学统称为分析力学(analytical mechanics)。 一般地,拉格朗日力学和哈密顿力学还经常地被称为"拉格朗日形式(Lagrangian formalism)"和"哈密顿形式(Hamiltonian formalism)"。这里的"形式 (formalism)"或称"形式化"所强调的是其数学理论框架。 十九世纪,力学各主要分支学科(如连续介质力学、固体力学、流体力学等)得以建立并得到不同程度的发展。 二十世纪上半叶,物理学发生了巨大变化。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,也就是唯力学论,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。 一个经常提到的科学历史典故是,牛顿于1676年2月5日给胡克的回信中的名言"If I have seen further it is by standing on the shoulders of giants (如果我看的更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上)."我们在这里已经没有必要再纠缠牛顿是否用此来挖苦他的学术竞争对手胡克的身高或者驼背等细节,如图 1(a) 所示,牛顿确实站在了笛卡儿、亚里士多德和胡克三位科学的巨人的肩膀上! 那爱因斯坦又站在谁的肩膀上?这自然是一个十分有趣的话题。 二十世纪二十年代的一天,剑桥大学某位物理学家作为接待者,恭维来访的爱因斯坦说:"你站在了牛顿的肩膀上(You stand on Newton’s shoulders)",爱因斯坦却回答说:"不,我是站在麦克斯韦的肩膀上(No, I stand on Maxwell’s shoulders)!"如图 1(b) 所示。爱因斯坦的回答十分中肯,也确切地表达了他的物理思路和兴趣所在都是跟踪麦克斯韦的足迹。爱因斯坦的主要成就:两个相对论中,狭义相对论显然是为了解决麦克斯韦电磁理论与经典力学的矛盾才得以建立的,而广义相对论则是前面思想之延续。从爱因斯坦在1905年发表的另一篇关于布朗运动的文章,可以看出他也热衷于麦克斯韦曾经致力研究过的分子运动理论。 牛顿力学曾对政治产生过极其重要的影响。牛顿力学创建的四十年后,牛顿的实验助手约翰·西奥菲勒斯·德萨吉利埃( John Theophilus Desaqulier , 1683~1744)于1728年出版了《世界的牛顿体系,政府的最佳模型——一首寓言诗》的专著,提出了"牛顿政府(Newtonian government)"的理想概念,这是第一次将牛顿三定律的思想纳入到政府和社会管理中。后来,"社会力学(social mechanics)"又称"社会物理学(social physics)"、"政治力学(political mechanics)"以及"牛顿社会学(Newtonian sociology)"等交叉学科相继而生。
美国独立宣言的签署人、普林斯顿大学的第六任校长约翰·威瑟斯彭(John Witherspoon, 1723~1794)基于牛顿力学三大定律的思想构建了三权分立及各政府机构间相互制约和平衡(checks and balances)的模型。1769 年,当时在普林斯顿大学就读的学生詹姆斯·麦迪逊(James Madison, 1751~1836)接受了该思想,后来成为美国的"宪法之父(Father of the Constitution)"和第四任总统,他在美国宪法的起草过程中广泛地接受了上述思想。 世界上,大学的工科教育起步很晚。大约只有二百五十年左右的历史。最早的工科教育当是法国成立于1745年的一所道桥学院。其后到1794年法国巴黎的综合工科学校诞生,工科教育逐渐成熟了起来。后来才有世界各国效法它成立的各种工科大学或工科系科。其中一个标志性的事件是巴黎综合工科学校两本基础课教材的出版。一本是1811年分两卷出版的泊松所著的《力学教程》,另一本是1826年出版的纳维所著的《力学在结构和机械方面的应用》。前一本奠定了理论力学的教学基础,而后一本奠定了材料力学的教学基础。实际上,作为材料力学主要内容的梁的理论,是直到纳维的这一本书才最后完成的。
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△图 2 法国巴黎的综合工科学校
早些,在没有工科教育的情况下,工程知识都是由师傅带学徒的方式相互传授。我们知道的18、19世纪的几位著名的工程师与发明家都是学徒出身。如改进蒸汽机的瓦特(1736-1819),纺织机的发明者英国人阿克赖特(1732-1792),蒸汽机为动力的轮船的发明者美国人富尔顿(1765-1815),蒸汽机车的发明者英国人斯梯文森(1781-1848)等,他们青少年时代都曾经当过修表学徒。只有在工科的基础课理论力学和材料力学基本成熟和定型后,工科教育的需要的最重要的基础知识体系才基本系统化定型,成批地培养工科人才才成为可能。所以可以说,现代工科教育,或者说,现代工程,是力学学科发展和成熟的直接成果。
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△图 3 瓦特和蒸汽机
力学对现代工程的发展起到非常重要的作用。一位斯坦福大学电机工程教授斯密斯(RalphJ. Smith,1907-1997)说:"工程是最优地应用科学以自然资源来造福的艺术行业。"另一位叫林赛(S. E. Lindsay)的工程师在1920年说得更加明确,他说:"工程是安全与经济的实践,它采用服从科学定律的力和天然的材料,经过组织、设计、施工以满足人们的普遍利益。"
从这一点说,力学是工程的统帅,而不是工程的奴隶。伽利略和惠更斯研究的单摆,开启了后来整个钟表工业领域;瓦特应用离心调速器,是蒸汽机作为现代工业的动力成为可能。齐奥尔科夫斯基的变质量力学,奠定了宇航的基础。迄今,我们有的人还是有力学是工程的配角、力学要服务与工程的看法,这只是一方面的道理。历史告诉我们,力学不仅能够为工程服务,同时可以统帅工程,指引工程。力学对工程的这两方面的作用缺一不可。
归纳起来,力学的发展过程说明,它是最早向权势即真理的真理观发起挑战,并且取得决定性胜利的学科;它又是自然科学各门学科的共同基础,是人类认识自然界的有力工具;它还是现代工程技术的基础。
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