力学发展简史

经典力学发展简史

姓名：周玉全

力学是物理学中最早发展的分支，它和人类的生活与生产关系最为密切。经典力学是力学的一个分支。经典力学是以牛顿运动定律为基础，研究宏观、低速状态下物体运动的一门学科。

力学的发展可谓与人类生活与生产息息相关。早在遥远的古代，人们就在劳动生产中应用杠杆、螺旋、滑轮、斜面等简单机械，促进了静力学的发展。公元前二百多年，古希腊的阿基米德提出了杠杆原理以及浮力定律。而我国古代的春秋战国时期，以《墨经》为代表作的墨家，总结了大量力学知识。虽然这些知识尚属于力学的萌芽，但不妨它在力学发展史中占有一席之地。

在古代，由于人们缺乏经验以及生产水平低下，没有适当科学仪器，导致力学的发展受到抑制。古希腊时代的亚里士多德主张物体速度与外力成正比、重物下落比轻物快、自然界惧怕真空等，看起来的确与经验没有明显矛盾，因此这些理论长期没人怀疑。当然力学长期得不到较大发展还与西方教会利用所谓“科学”奴役人们思想有关。这点最为人所熟知便属“地心说”了。托勒密的“地心说”因与《圣经》内容相符，再加上按地心说预报的行星位置在当时目测精度下与实际位置相差不多，故被人广泛接受。

首先揭开科学革命序幕、反对一直被奉若圭臬的“地心说”的是天文学领域。公元1543年，哥白尼发表了《天体运行理论》来具体论述日心体系。但这一新思想一开始并未能得到世人的广泛认识，因为当时教会仍然占有统治地位，而日心说与《圣经》内容相悖。科学发展越快，教会越趋极端，凡是不符合教会思想而另有主张的人，都会遭到迫害。意大利思想家布鲁诺就是一位信仰和宣扬哥白尼体系而英勇献身的科学殉道士。他认为宇宙是无限的，在太阳系之外还有无数的世界，这比日心说更为有力的冲击了教会的教义，因此被处以火刑。但科学并不会因惧怕火刑而驻足不前。德国天文学家开普勒在基于天文学家第谷毕生积累的天文观测资料的基础上，经过计算，得出了开普勒第一和第二定律，并在1609年出版的《新天文学》一书中，公布了这两条行星运动定律。开普勒的这两条定律打破了两千年来认为天体只能作匀速圆周运动的观念，使日心说与观测结果更为符合。开普勒继续利用第谷的观测数据进行深入研究，并于九年后找到了二分之三次方定律，即开普勒第三定律。开普勒三定律对推动天文学和力学有重要作用。伽利略是又一位献身于哥白尼学说的伟人。他是第一个将望远镜对准天体的科学家。1610年出版的《星界信使》一书，是对哥白尼学说的一极大支持。

从亚里士多德的自然哲学转变到牛顿的经典力学，最深刻的变化就在于建立了惯性定律，惯性定律是牛顿经典力学的重要基石之一。亚里士多德认为一切物体的运动都是由于其他物体的作用，而牛顿经典力学则认为“每个物体都会保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上，迫使它改变这种状态”。牛顿经典力学的惯性定律结束了亚里士多德的错误理论对物理学界近两千年的统治。对惯性定律提出作出贡献的主要有伽利略和笛卡尔。伽利略多次在着作中提出类似惯性定律的说法，但他并没有全面地表述惯性定律。伽利略的欠缺得到笛卡尔的弥补，1644年，笛卡尔在《哲学原理》一书中明确指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，且惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上。然而笛卡尔的不足之处在于他完全是从哲学的角度考虑问题，将这一切都归因于“上帝”的安排。真正明确提出惯性定律的是牛顿，他在1686年撰写《自然哲学的数学原理》一书中，把惯性定律作为第一原理正式提出来，因此惯性定律又被称作牛顿第一定律。

关于伟大的物理学家牛顿最为耳熟能详的故事应该数“苹果砸到牛顿头上而启发牛顿发现万有引力”的故事了。姑且不去考究牛顿因为苹果而发现万有引力是否真实，就万有引力定律的发现就多有波折。牛顿从1665年至1685年，花了整整20年的时间，才提出“万有引力”这个概念和词汇。牛顿在1665—1666年间只用离心力定律和开普勒第三定律，因而只能证明圆轨道上的而不是椭圆轨道上的引力平方反比关系。在1679年，他知道运用开普勒第二定律，但是在证明方法上没有突破。只是到了1684年1月，哈雷、雷恩、胡克和牛顿都能够证明圆轨道上的引力平方反比关系，都已经知道椭圆轨道上遵守引力平方反比关系，但是最后可能只有牛顿才根据开普勒三个定律、从离心力定律演化出的向心力定律和数学上的极限概念或微积分概念，才用几何法证明了这个难题。

牛顿把天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合，在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中系统阐述了牛顿运动三定律以及万有引力定律。《原理》一书宣告了经典力学体系初步建立。

在牛顿建立牛顿力学之后，笛卡尔学派和莱布尼茨学派就“运动的度量”这一问题发生了一场旷日持久的争论。笛卡尔学派认为动量反映了运动的变化，牛顿也支持这一观点。而德国数学家、物理学家和哲学家莱布尼茨则认为运动的度量应该是质量与速度

m v2代替m v2，这就是现在的动能表示式。两派平方的乘积，后来，科里奥利提出以1

2

意见针锋相对，许多科学家参与了这场持续半个世纪之久的争论。到了1743年，法国科学家达朗贝尔指出这两种量度都是有效的，但是用在不同的地方，才对这场争论有了一个“最后的判决”。但这一判决并未完全澄清争论的混乱，直到1880年左右，恩格

斯在《运动的度量——功》一文中指出，在不发生机械运动和其他形式的运动的转化的情况下，运动的传递和变化的情况可以用动量去度量；但当发生了机械运动和其他形式的运动的转化情况下，应以动能去度量。至此，这场争论才尘埃落定。

进入18世纪，以牛顿三定律为基础的力学体系继续发展。1715年J.伯努利提出虚速度原理。1743年达朗贝尔在《动力学论》中引进“惯性力”概念，将动力学问题化为静力学问题，这就是“达朗贝尔原理”。1788年拉格朗日在《分析力学》一书中把虚位移原理和达朗贝尔原理结合起来，又引入广义坐标和广义速度得出拉格朗日方程。另一方面，莫泊丢在1774年提出最小作用量原理，由此发展起来的变分原理构成了分析力学的积分形式，与此对应的是由普遍适用于场势的拉普拉斯方程构成的分析力学微分形式。1835年，哈密顿提出哈密顿原理，此后，哈密顿还提出了所谓的哈密顿函数以及哈密顿正则方程。至此，分析力学趋于完备，经典力学已经相当成熟了。

经典力学虽然是一套完备的理论体系，但是它也有局限性，就比如绝对的时空观、不适用于高速运动的物体等。在日常生活中，即便我们有更为准确的相对论，经典力学依旧起着不小的作用。总之，经典力学虽然有局限性，但并不妨碍它的伟大。