1 .名人谈力学
什么是力学？
要回答这个问题，必须从它的历史发展的过程来把握。中国古代也有“力学”这个词，但是犹如中国古代“科学”是只科举之学一样，和现在意思完全不同。中国古时候“力学”是努力学习的意思。如“躬耕力学”当努力种地读书讲。“力学”的现代意义是从西方引进的。中国古时候虽然没有与现代意义相同的词，但“力”字的出现却相当早，甲骨文“力”字是奴隶弯腰种地的形状。表明是在运力。
中国最早关于“力”字的定义是在墨子（490——405BC）写的《墨经》中，有两种说法：其一：“力，谓之重。”其二：“力者，刑之所以奋也。”这里的“刑”通形。按照这两种说法已同现在所说的“力”相去不远。
古代的技术，无论是东方还是西方，相当大的分量是起重和搬运，即同重力作斗争，所以在很长历史时期力学的主要内容是研究静力、平衡、重心和起重的学问。
另一方面，“力”是物体改变运动状态的原因。这是伽利略以后的理解。按照现在字面了解，《墨经》上的第二种说法好像是，“形”指身体，“奋”指运动，即是说，力是物体运动的原因。可惜，在墨经中形是指身体，奋指举的意思。按墨经上自己说，“下举重，奋也”可见《墨经》上的意思是：力是身体举物向上。所以《墨经》上两种说法，只有一个意思，只有静力学没有运动。
在西方，“力学”一词是从希腊文来的，字面上讲，指发明、巧思、机械的意思。后来逐渐充实和演化为包含两重意思的词，即一切工艺的改进和理性的对自然运动规律的探讨，而且厚一层含义发展较晚。
从工程与工艺的角度，有史以来，人类逐步积累了关于重心、平衡、简单机械、浮力、圆周与直线运动等方面的知识。从远古说，5000-4000BC苏美尔人就发明了车轮，2000BC中国有了独木舟，2500BC在埃及有了船与帆船的发明。这些经验逐步积累，到古希腊有像阿基米德的守城器械，到意大利维特鲁威（Vitruvius，公园前1世纪）的建筑机械。
直至17世纪将积累起来的力学知识总结为简单机械（杠杆、轮轴、斜面、螺旋、滑轮）五种。在西方语言里，力学（Mechanics）同机构（Mechanism）是同一个字根。所以在相当长的历史阶段，人们把力学和机械当作一回事。
从对自然规律的探讨角度，人类最早积累了对天体运动的观测资料，并且力图探求其真实运动状态。力学的早期发展同是同天文学不可分割的，从古代的历法到古希腊的托勒密地心说，一直到哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿的经典力学。这种探求又紧密的同数学相结合。
后来这两种趋向结合起来就形成了力学学科。其研究内容和特点也是随着时代发展而变化着的。
欧洲文艺复兴早期的学者达芬奇说过：“力学时数学科学的天堂，因为，我们在这里获得数学的成果。”
意大利学者伽利略在《关于两门新学科的对话》（即材料力学与物体运动理论）中说：“你们威尼斯人在著名的兵工厂里，持续的活动，特别是包含力学的那部分工作，对于好学的人提出了一个广阔的领域。因为在这个部门中，所有类型的机器仪器在被很多手工艺者不断制造出来，在他们中间一定有人因为继承经验并利用自己的观察，在解释问题时便变得高度的熟练和非常的聪明。
差不多与伽利略同时，在中国明末，由西方传教士邓玉函（瑞士人）口授、王徽笔录、并于1627年出版的《远西奇器图说》中，关于力学的定义大致反映了西方当时对力学的认识。书中说：“力是力气、力量。如人力、马力、风力之类。又用力之谓，如用人力、用马力、用水风之力之谓。艺则用力之巧法、巧器，所以善用其力、轻省其力之总名也。重学者，学乃公称，艺则私号，盖文学、理学、算学之类，俱以学称，故曰公。而此力艺之学其取义本专属重，故独号之曰重学云。”
这段话，对重学（即力学）和力艺（亦即力学）名称的由来作了说明。由此可见，无论东方还是西方，力学的早期研究内容都大致和起重是分不开的。
这本说还说：“凡学各有所司，如医学所司者治人病疾，算学所司计数多寡，而此力艺之学，其所司不论土、水、木、石等物，则总在运重而已。”这段话则把力学的研究内容作了概括。
该书谈到力学与数学的关系时说：“造物者之生物，有数、有度、有重，物物皆然。数既算学，度乃测量学，重则此力艺之重学也。重有重之性。以此重较彼重之多寡，则资算学；以此重之形体较彼重之形体之大小，则资测量学。故数学、度学、重学之必须，盖三学皆从性理而生，为兄弟内亲，不可相离者也。”这里数学是计算的意思，和现今数学的含义不同。度学是指测量学，更宽一点，指的是几何学。
最有代表性的是牛顿在《自然哲学的科学原理》的序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他的现象”。“自然的一切现象，完全可以根据力学的原理用相似的推理一一演示出来”。
牛顿在他的《自然哲学的科学原理》一书第一版的序言中是这样说的：“由于古人（如帕普斯（Papus，公元前3世纪）所告诉我们的）在研究自然事物方面，把力学看得最为重要，而今人舍弃其实体形状和隐蔽性质而力图以数学定律说明自然现象，因此我在本书中也致力于用数学来探讨有关的哲学问题。古人从两方面来研究力学，一方面是理性的，用论证来精确地进行，另一方面是实用的。一切手艺都属于实用力学，力学之得名就是为这个缘故。”
“几何学是建立在力学的实践基础上的，它无非是普通力学的一部分，能精确地提出并论证测量的方法。但因手艺主要应用于物体的运动方面，所以通常认为几何学涉及物体的大小，而力学力学则涉及它们的运动。在这个意义上，推理力学是一门能准确提出并论证不论何种力所引起的运动，以及产生任何运动所需要的力的科学。”
基尔霍夫
1874年基尔霍夫在他的《力学讲义》的第一段话中给出力学的定义是：“力学时关于运动的科学，我们说它的任务是：以完备而又假定的方式描述自然界中发生的运动。“
周培源
我国著名力学家周培源教授说：“力学是关于物质宏观运动的科学。
惠更斯（Christiaan Huygens1629-1695）
惠更斯说：科学应当是“我希望能够用同样的方法从力学原理推导出自然界的其他许多现象”。“在真正的哲学里，所有自然现象的原因都应该用力学用语来思考，依我的意见，我们必须这样做。”
亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz1821-1894）
亥姆霍兹说：“一切自然科学的最后目的，是这样来归结，那么科学的任务将就此终结了。”
开尔文（Lord Kelvin）(William Thomson 1824-1907)
19世纪末英国科学家开尔文说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型我就能理解它，否则我就不能理解。”
马克思（Karl Marx 1818-1883）
力学是“大工业的真正科学的基础”【剩余价值理论（第二册）。马克思恩格斯全集26卷；116】
恩格斯（Fridriech Engels 1820-1895）
“认识机械运动，是科学的第一个任务”【自然辩证法，人民出版社，1971：230】
劳厄 (Max von Laue，1879-1960）
德国的物理学家劳厄说：“力学这门科学有些什么成就呢？那真是不可胜数啊！它为任何一种技术设计提供理论基础，只要这种设计是力学方面的，从而深入的干预了日常生活；他在生物科学中也得到了应用，例如身体运动的力学或听觉的力学。……，力学描述了大至恒星、小至超显微粒子的运动，并与一切经验相一致；事实上，它甚至部分地证明了我们关于分子、原子甚至更小的基本粒子（电子等等）的实验。因此，它成了气体运动理论以及波尔兹曼-吉布斯创建的物理统计学的基础。而所有这些结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂。因此，很长一个时期人们把力学等同于整个物理学，并把物理学的目的完全看作是将一切过程归结为力学，也就不足为奇了。甚至在人们于1900年左右，认识到电动力学不能归结为力学之后，许多人还错误地认为力学是像数学那样的东西，是超越经验之上的。因此当量子论丛1900年开始，使人们逐渐愈来愈明显地认识到力学的有效的界限时，人们受到的震动是多么深刻啊！可是，甚至就在量子论取代力学的地方，仍有两个力学定律保持不变：这就是能量守恒定律和冲量守恒定律。”
爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）
爱因斯坦在《物理学与实在》中的一段话：“尽管我们今天确实知道古典力学不能用来作为统治全部物理学的基础，可是它在物理学中仍然占领着我们全部思想的中心。其理由在于，不管从牛顿时代以来所达到的重大进步，我们还是还是没有达到一个新的物理基础，它可以使我们确信，我们研究的所有各种现象，以及各种成功的局部理论关系，都能在逻辑上从它推导出来。”
2.力学史上的重要人物
伽利略（Galilei Galileo,1564-1642）
斯梯芬（Simon Stevin,1548-1620）
尼古拉•哥白尼（Nicholas Copernicus,1473-1543）
阿基米德(Archimedes,287BC-212BC)
牛顿(Isac Newton,1642-1727)
莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)
惠更斯(Christiaan Huygens,1629-1695)
开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)
纳维尔(Navier,1785-1836)
拉普拉斯(Pierre Simon Laplace,1749-1827)
拉格朗日(Joseph Louis Lagrange,1736-1813)
欧拉(Leonhard Euler,1707-1783)
爱因斯坦(Albert Einstein.1879-1955)
科瓦列夫斯卡娅(1850-1891)
圣维南(Saint-Venant,1797-1886)
柯西(Cauchy,Auguestin-Louis,1789-1857)
3.各行各业于力学
力学与天文学
地球运动、行星爆炸、三体问题、探索太空
力学与数学
速度加速度与变量过程的研究、极限与微积分、高维空间的引进、变分法和最速落经、能量与泛函、守恒定律与不变量、动力系统和微分方程
力学与物理学
电磁场的认识、在引力场中光线弯曲
力学与医学和生物学
血泵
力学与化学
从1951年开始苏联学者Boris Belousov与其学生Anatol Zhabotinsky注意到将溴酸盐和铈离子的混合物与柠檬酸一起加入到硫酸中会产生无色和淡黄色的周期性变化。从此开始了反应扩散波的研究。
由于力学的基本理论部分在许多方面已经趋于成熟，理论难题仅有像湍流、强度等少数课题，所以理论力学与应用力学相比，应用力学的研究队伍占较大的比重，这同第二阶段形成鲜明的对比，在那时，在整个力学学科的研究队伍中，理论力学的比重相对于现今来说也太多了。
4.中国航空、航天技术的发展
中国航天路
运载火箭：
1958年，中国第一个运载火箭发射场开始兴建，1964年，中国第一枚载有小白鼠的生物火箭在安徽发射，进入了70千米高空。
1970年4月24日，长征1号运载火箭首次发射成功，将中国的第一颗人造卫星东方红1号送入轨道。
长征2号是以远程导弹东风5号为基础发展起来的，1975年，它成功地将中国第一颗返回式遥感卫星送入轨道。
长征3号运载火箭是在长征2号火箭基础上研制的，第三极采用了低温高能的液氢液氧发动机，1984年4月8日，它成功地将东方红2号通信卫星送入了地球同步轨道，中国从此成为世界上少数几个能够发射地球同步卫星的国家。
长征4号是全部采用常规液体推进剂的三级大型运载火箭，1988年9月7日，中国第一代气象卫星风云1号坐着长征4号，成功进入轨道。
1994年2月8日，中国目前高轨道能力最大的运载火箭长征三号甲会哦见首飞成功，把实践4号科学探测卫星和夸父1号模拟星送上了地球同步转移轨道。
随着2003年北斗一号导航试验卫星的发射升空，长征系列运载火箭至此已进行了第70次发射，发射成功率达到了90%，总体技术性能已经达到了国际一流水平。
卫星：
1970年4月24日长征1号运载火箭将东方红1号卫星发射升空，卫星进入近地轨道，其轨道倾角位68.40，运行周期为114分钟。
从1975年11月以来，中国共陆续发射两代返回式遥感卫星共17颗，除一颗外，全部回收成功，取得了遥感及微重力研究方面的重大成就。
中国的第一颗实用通信卫星，正式命名为东方红2号。
1988年9月7日，中国第一颗气象卫星风云1号由长征4号发射升空。
1999年10月中国——巴西联合研制的“资源一号”卫星发射成功，所接收到的卫星图像资料，广泛应用于农业、林业、水利、矿产、能源、测绘、环保等众多部分。
为了建立中国的北斗导航系统，设计人员研制成功了北斗导航试验卫星1号，于2000年10月12日首次成功发射。
2002年5月15日，海洋1号连同1枚风云1号卫星由长征4号乙送入轨道，海洋1号是中国第一颗从试验阶段转入实际应用的小型卫星，它主要从长空对海洋进行探测，促进海洋资源的开发和利用。
截止到2003年上半年，中国已研制并发射了51颗各类人造卫星。
在茫茫戈壁建成生态航天城
酒泉卫星发射中心的航天纪念塔，1958年开始建设的这个发射中心地处戈壁大漠深处，是中国第一个卫星发射场，也是中国规模最大的航天发射中心。
载人航天的到来：最初探讨
1971年4月，80多家单位，400多名航天专家来到北京京西宾馆，对载人航天进行了深入探讨。
这次讨论进行的比较顺利，确定了载人航天发展的“714工程”，中国的科技工作者似乎已经看到了载人航天的曙光。
载人航天的到来：曙光来临
1992年，中国政府正式批准了载人航天工程，并命名为“921工程”。
1999年11月20日，神舟一号飞船发射入轨，11月21日顺利返回地面，实验取得了圆满成功，后经过神舟二号、三号、四号的充分实验、试验，于2003年10月进行了首次载人航天（神舟5号）的飞行，并取得了圆满成功。
嫦娥一号卫星在环月轨道开展探测任务（2007.11）
神七问空（2008.09.25）
5.力学在土木工程中的应用——结构工程概况
人类文明程度的一种标志体现在各种结构上，承受力而又有一定功能的物体都可以归结为结构，如高楼、车、船、飞机、大桥、大坝、机床、望远镜、精密仪器等都可看为特定的结构。广义地说，地壳、岩基、土层也可以看为结构。人类愈进步，结构愈复杂。
所谓建筑，一要安全、经济；
二要实用、舒适、好看。
前一类问题就是工程结构、结构力学要解决的问题；二后一个任务是属于建筑学要解决的问题。
结构设计，包含结构物本身的强度、刚度、动力、及稳定性分析。
目前结构设计大部分工作量都开始由计算机承担，这就是计算结构力学与结构CAD。
结构设计的另一方面是确定结构所受的荷载。
还包括保持一定功能的优化设计，新结构形式的研究与结构的加工与成形的研究。如果我们能在刚结构设计中选用优化的方法，节约1%的钢材，它就相当于建造一座年产百万t的钢厂。
以石、木、砖为主要建筑材料的时代
无论是东方还是西方，在使用钢、混凝土为主要建筑材料之前，时间最长的是以石、木、砖为建筑材料。
木结构不耐火，所以 我国存世古建筑历史很长的不多。
古希腊雅典卫城的门口
雅典女神庙
五台山显通寺无梁殿
应县佛宫寺释迦塔
河北赵县赵州桥
古罗马的拱桥
6.早期的材料力学研究
•达芬奇在他的手稿中研究和讨论了住所能承受的载荷
•伽利略在他《关于两种新学课科的对话》（1638年）提到，考察了固定悬臂梁的承载能力的问题。
•马略特做了伽利略所做的实验，由于他们的载面上平衡条件都不对，所以结果的系数都不正确。
•雅克比•伯努利关于梁的研究，这就是现今人们所称的伯努利梁理论。
混凝土的简史：
•1774年，英国工程师斯密顿载建造海上灯塔时用石灰，粘土，砂的混合物砌基础，效果很好。
•1824年英国石匠营造者亚斯普丁取得了烧制水泥的专利，因其与波特兰地方的石材很接近，所以称为波特兰水泥。
•法国1840年，德国1855年设水泥厂。
1970年世界每人每年使用水泥156公斤。
钢筋与混凝土共同工作的条件
钢筋和混凝土两种材料的物理力学性能很不相同，他们可以结合在一起共同工作，是因为：
1） 钢筋和混凝土之间存在有良好的粘结力，在荷载作用下，可以保证两种材料协调形变，共同受力；
2） 钢筋与混凝土具有基本相同的温度线膨胀系数（钢材为1.2x10^-5,混凝土为（1.0~1.5）x10^-5），因此当温度变化时，两种材料不会产生过大的变形差而导致两者间的粘结力破坏。
混凝土结构的优点：
1） 材料利用合理：钢筋和混凝土的材料强度可以得到充分发挥，结构承载力与刚度比例合适，基本无局部稳定问题，单位应力价格低，对于一般工程结构，经济指标优于钢结构。
2） 可模性好：混凝土可根据需要浇筑成各种性质和尺寸，适用于各种形状复杂的结构，如空间薄壳，箱形结构等。
3） 耐久性和耐火性较好，维护费用低：钢筋有混凝土的保护层，不易产生锈蚀，而混凝土的强度随时间而增长；混凝土是不良导热体，30mm厚混凝土保护层可耐火2小时，使钢筋不致因升温过快而丧失强度。
4）现浇混凝土结构的整体性好，且通过合适的配筋，课获得较好的延性，适用于抗震、抗暴结构；同时防振性和防辐射性能较好，适用于防护结构。
5）刚度大、阻尼大，有利于结构的变形控制。
6）易于就地取材：混凝土所用的大量砂、石，易于就地取材，近年来，已有利用工业废料来制造人工骨料，或作为水泥的外加成分，改善混凝土的性能。
混凝土结构的缺点：
（1） 自重大：不适用于大跨、高层结构；
（2） 抗裂性差：普通RC结构，在正常使用阶段往往带裂缝工作，环境较差（露天、沿海、化学侵蚀）时会影响耐久性；也限制了普通RC用于大跨结构，高强钢筋无法应用；
（3） 承载力有限：在重载结构和高层建筑底部结构，构件尺寸太大，减少使用空间；
（4） 施工复杂，工序多（支模、绑钢筋、浇筑、养护），工期长，施工受季节、天气的影响较大；
（5） 混凝土机构一旦破坏，其修复、加固、补强比较困难。
钢铁材料
19世纪中叶之后，炼钢技术得到普及于是在结果上普遍采用钢铁。1859年英国建成第一艘钢船。
1873年英国伦敦建成跨泰晤士河的阿尔伯特吊桥，最大跨度384英尺。
网架结构
是大量彼此相同的短钢管或合金管组成的平面或空间桁架。
它与桁架不同，桁架的杆有主从之别。
由于分析它的应力，未知量很多，所以发展较晚，到20世纪60年代后才广泛使用。
建筑按结构分类：
1. 混合结构
2. 单层厂房结构
3. 框架结构：25--60m
4. 框架-剪力墙结构：50--130m
5. 剪力墙结构：60—140m
6. 简体结构：70—300m
7. 大跨度结构：>300m
悬索结构
最早的吊桥在9世纪70年代就在英国出现了。
把高强度钢丝固定于外部混凝土圈梁上，正好发挥钢丝耐拉、混凝土耐压的优点。
20世纪60年代之后，大跨度的展览厅、运动场时有出现。
发电厂的冷却塔
波音767飞机
温哥华的充气结构展览厅
充气结构
随着化学工业的发展，尼龙薄膜，人造纤维普遍使用。充气结构师在悬索结构上发展起来的。
安装，充气，拆卸，搬运都很方便。
可以做得跨度很大。
最早出现于40年代，大量出现于70年代。
抗震结构
世界上许多地区是多震的，如日本，我国台湾，美国旧金山等
在多震地区建设，必须考虑结构的抗震性能。
一般来说，轻而柔的结构对抗震有利。
另外国家有关部门还制定了建筑结构的抗震规范。
吊索的剖面，广东虎门大桥，香港青马大桥，斜拉桥拉杆根部的减震器，斜拉桥的施工。
薄壳结构
弹性薄壳的理论是乐府的基尔霍夫关于板的理论的基础上在19世纪末发展起来的
20世纪20年代，在德国首先把圆柱壳用于屋顶结构。后来出现了球面，马鞍面等多种曲面的壳结构和折板结构。
在大型冷却塔使用薄壳结构大约起于1913年左右。
薄壳理论大约在20世纪40年代趋于成熟，在那以后薄壳被广泛用于建筑。用于船舶，航空结构则还要早。
由于桥洞被冰阻塞导致桥破坏 图
重建的桥 图
作用在结构上的载荷：地震载荷 图
全球地震发生分布图 图
作用在结构上的荷载
• 国家定有载荷规范，对风载，雪载，温度载荷，地震载荷以及恒载和活载都有明确的规定。
• 在实际设计中还要按照某些荷载的不同组合来决定设计。
•
7.力学在二十世纪的发展
20世纪力学中的若干重要问题的进展
1、对20世纪以前力学发展特点的回顾
•力学同数学的紧密关系
•力学系统中不断出现新的模型
•理论力学与应用力学的关系
•实验在力学学科中的作用
2、力学中的分叉问题
•周期解与非线性振动问题
•分叉问题
•Hopf分叉问题
•KAM定理与稳定性理论的进一步发展
•奇怪吸引子与全局分叉问题
•非线性科学
3、流体中的孤立波、分叉与湍流
•湍流的早期实验研究
•流体流动的稳定性
•孤立波的研究
•早期的湍流理论研究
•湍流与分叉
4、连续介质力学、结构分析与固体力学的发展
•连续介质力学的发展
•结构力学的发展
•塑性力学
•强度理论与材料的疲劳强度
• 断裂力学的形成与发展
5、计算力学的形成与发展
6、力学教育的发展
力学在二十一世纪的发展趋势
21世纪力学学科的发展趋势
1. 宏观与微观相结合
2. 学科的交叉与融合
3. 力学与工程技术的结合
4. 更加重视高性能计算与先进实验技术
（一） 固体力学学科的发展趋势
1. 重要科学问题与前沿领域
•微纳米技术
•多尺度力学与跨尺度关联和计算
•新材料与结构的多场耦合力学
•生物材料与仿生材料力学
•科学与工程计算与软件
•仪器设备研制及实验力学新技术与新表征方法
2. 国家需求的方向
•固体强度与破坏力学
•计算力学软件
•固体力学在国家安全、航空航天工程中的应用
•大型工程结构与工业装备的力学问题
•爆炸与冲击力学
•环境与灾害力学
（二）流体力学学科的发展趋势
1）界面流体力学
2）构型增长原形的黏性指进
3）动静脉中的血液流动
4）剪切流的不稳定性
5）湍流
6）环境对流
7）磁流体动力学
8）流体的凝固
9）地质流体力学
10）海洋动力学
11）全球尺度的大气环流
12）涡动力学
13）高速水动力学
14）高超声速空气动力学
15）稀薄气体动力学
16）多相流体力学
17）非牛顿流体力学
18）计算流体力学
(三）一般力学与基础（动力学与控制)学科的发展趋势
主要研究领域：
1）非线性力学
2）多体系统动力学
3）分析力学
研究方向
6)极端状况下重大装备中的非线性振动与控制
7)复杂网络系统的非线性动力学
8)微/纳尺度系统动力学与控制
9)分析力学的若干问题(如：约束系统非线性动力学等)
10)弹性体-刚体耦合系统动力学与控制
（四）交叉力学学科的发展趋势
1.物理力学
2.生物力学
3.环境力学
4.爆炸力学
5.等离子力学
6.地球动力学
8.小结
1力学是最早精确化的科学；
2力学在各门自然科学中是最基本的学科，掌握力学是进入其他学科的门径；
3在力学历史上形成的方法论对各门学科有深远的影响；
4力学是近代工程技术的理论基础；
5力学是真、善、美的统一。
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