运动学、静力学、动力学概念

运动学、静力学、动力学概念运动学运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。

至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。

用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系，因此，单纯从运动学的观点看，对任何运动的描述都是相对的。

这里，运动的相对性是指经典力学范畴内的，即在不同的参照系中时间和空间的量度相同，和参照系的运动无关。

不过当物体的速度接近光速时，时间和空间的量度就同参照系有关了。

这里的“运动”指机械运动，即物体位置的改变；所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。

运动学主要研究点和刚体的运动规律。

点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。

刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。

运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。

掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。

在变形体研究中，须把物体中微团的刚性位移和应变分开。

点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征，这些都随所选的参考系不同而异；而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。

刚体运动按运动的特性又可分为：刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。

运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础，也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。

运动学的发展历史运动学在发展的初期，从属于动力学，随着动力学而发展。

古代，人们通过对地面物体和天体运动的观察，逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。

中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。

亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动，已有了速度的概念。

伽利略发现了等加速直线运动中，距离与时间二次方成正比的规律，建立了加速度的概念。

在对弹射体运动的研究中，他得出抛物线轨迹，并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则，伽利略为点的运动学奠定了基础。

在此基础上，惠更斯在对摆的运动和牛顿在对天体运动的研究中，各自独立地提出了离心力的概念，从而发现了向心加速度与速度的二次方成正比、同半径成反比的规律。

18世纪后期，由于天文学、造船业和机械业的发展和需要，欧拉用几何方法系统地研究了刚体的定轴转动和刚体的定点运动问题，提出了后人用他的姓氏命名的欧拉角的概念，建立了欧拉运动学方程和刚体有限转动位移定理，并由此得到刚体瞬时转动轴和瞬时角速度矢量的概念，深刻地揭示了这种复杂运动形式的基本运动特征。

所以欧拉可称为刚体运动学的奠基人。

此后，拉格朗日和汉密尔顿分别引入了广义坐标、广义速度和广义动量，为在多维位形空间和相空间中用几何方法描述多自由度质点系统的运动开辟了新的途径，促进了分析动力学的发展。

19世纪末以来，为了适应不同生产需要、完成不同动作的各种机器相继出现并广泛使用，于是，机构学应运而生。

机构学的任务是分析机构的运动规律，根据需要实现的运动设计新的机构和进行机构的综合。

现代仪器和自动化技术的发展又促进机构学的进一步发展，提出了各种平面和空间机构运动分析和综合的问题，作为机构学的理论基础，运动学已逐渐脱离动力学而成为经典力学中一个独立的分支。

静力学静力学是力学的一个分支，它主要研究物体在力的作用下处于平衡的规律，以及如何建立各种力系的平衡条件。

平衡是物体机械运动的特殊形式，严格地说，物体相对于惯性参照系处于静止或作匀速直线运动的状态，即加速度为零的状态都称为平衡。

对于一般工程问题，平衡状态是以地球为参照系确定的。

静力学还研究力系的简化和物体受力分析的基本方法。

静力学的发展简史从现存的古代建筑，可以推测当时的建筑者已使用了某些由经验得来的力学知识，并且为了举高和搬运重物，已经能运用一些简单机械(例如杠杆、滑轮和斜面等)。

静力学是从公元前三世纪开始发展，到公元16世纪伽利略奠定动力学基础为止。

这期间经历了西欧奴隶社会后期，封建时期和文艺复兴初期。

因农业、建筑业的要求，以及同贸易发展有关的精密衡量的需要，推动了力学的发展。

人们在使用简单的工具和机械的基础上，逐渐总结出力学的概念和公理。

例如，从滑轮和杠杆得出力矩的概念；从斜面得出力的平行四边形法则等。

阿基米德是使静力学成为一门真正科学的奠基者。

在他的关于平面图形的平衡和重心的著作中，创立了杠杆理论，并且奠定了静力学的主要原理。

阿基米德得出的杠杆平衡条件是：若杠杆两臂的长度同其上的物体的重量成反比，则此二物体必处于平衡状态。

阿基米德是第一个使用严密推理来求出平行四边形、三角形和梯形物体的重心位置的人，他还应用近似法，求出了抛物线段的重心。

著名的意大利艺术家、物理学家和工程师达·芬奇是文艺复兴时期首先跳出中世纪烦琐科学人们中的一个，他认为实验和运用数学解决力学问题有巨大意义。

他应用力矩法解释了滑轮的工作原理；应用虚位移原理的概念来分析起重机构中的滑轮和杠杆系统；在他的一份草稿中，他还分析了铅垂力奇力的分解；研究了物体的斜面运动和滑动摩擦阻力，首先得出了滑动摩擦阻力同物体的摩擦接触面的大小无关的结论。

对物体在斜面上的力学问题的研究，最有功绩的是斯蒂文，他得出并论证了力的平行四边形法则。

静力学一直到伐里农提出了著名的伐里农定理后才完备起来。

他和潘索多边形原理是图解静力学的基础。

分析力学的概念是拉格朗日提出来的，他在大型著作《分析力学》中，根据虚位移原理，用严格的分析方法叙述了整个力学理论。

虚位移原理早在1717年已由伯努利指出，而应用这个原理解决力学问题的方法的进一步发展和对它的数学研究却是拉格朗日的功绩。

静力学的内容静力学的基本物理量有三个：力、力偶、力矩。

力的概念是静力学的基本概念之一。

经验证明，力对已知物体的作用效果决定于：力的大小(即力的强度)；力的方向；力的作用点。

通常称它们为力的三要素。

力的三要素可以用一个有向的线段即矢量表示。

凡大小相等方向相反且作用线不在一直线上的两个力称为力偶，它是一个自由矢量，其大小为力乘以二力作用线间的距离，即力臂，方向由右手螺旋定则确定并垂直于二力所构成的平面。

力作用于物体的效应分为外效应和内效应。

外效应是指力使整个物体对外界参照系的运动变化；内效应是指力使物体内各部分相互之间的变化。

对刚体则不必考虑内效应。

静力学只研究最简单的运动状态即平衡。

如果两个力系分别作用于刚体时所产生的外效应相同，则称这两个力系是等效力系。

若一力同另一力系等效，则这个力称为这一力系的合力。

静力学的全部内容是以几条公理为基础推理出来的。

这些公理是人类在长期的生产实践中积累起来的关于力的知识的总结，它反映了作用在刚体上的力的最简单最基本的属性，这些公理的正确性是可以通过实验来验证的，但不能用更基本的原理来证明。

静力学的研究方法有两种：一种是几何的方法，称为几何静力学或称初等静力学；另一种是分析方法，称为分析静力学。

几何静力学可以用解析法，即通过平衡条件式用代数的方法求解未知约束反作用力；也可以用图解法，即以力的多边形原理和伐里农——潘索提出的索多边形原理为基础，用几何作图的方法来研究静力学问题。

分析静力学是拉格朗日提出来的，它以虚位移原理为基础，以分析的方法为主要研究手段。

他建立了任意力学系统平衡的一般准则，因此，分析静力学的方法是一种更为普遍的方法。

静力学在工程技术中有着广泛的应用。

例如对房屋、桥梁的受力分析，有效载荷的分析计算等。

动力学动力学是理论力学的一个分支学科，它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。

动力学的研究对象是运动速度远小于光速的宏观物体。

动力学是物理学和天文学的基础，也是许多工程学科的基础。

许多数学上的进展也常与解决动力学问题有关，所以数学家对动力学有着浓厚的兴趣。

动力学的研究以牛顿运动定律为基础；牛顿运动定律的建立则以实验为依据。

动力学是牛顿力学或经典力学的一部分，但自20世纪以来，动力学又常被人们理解为侧重于工程技术应用方面的一个力学分支。

动力学的发展简史力学的发展，从阐述最简单的物体平衡规律，到建立运动的一般规律，经历了大约二十个世纪。

前人积累的大量力学知识，对后来动力学的研究工作有着重要的作用，尤其是天文学家哥白尼和开普勒的宇宙观。

17世纪初期，意大利物理学家和天文学家伽利略用实验揭示了物质的惯性原理，用物体在光滑斜面上的加速下滑实验，揭示了等加速运动规律，并认识到地面附近的重力加速度值不因物体的质量而异，它近似一个常量，进而研究了抛射运动和质点运动的普遍规律。

伽利略的研究开创了为后人所普遍使用的，从实验出发又用实验验证理论结果的治学方法。

17世纪，英国大科学家牛顿和德国数学家莱布尼兹建立了的微积分学，使动力学研究进入了一个崭新的时代。

牛顿在1687年出版的巨著《自然哲学的数学原理》中，明确地提出了惯性定律、质点运动定律、作用和反作用定律、力的独立作用定律。

他在寻找落体运动和天体运动的原因时，发现了万有引力定律，并根据它导出了开普勒定律，验证了月球绕地球转动的向心加速度同重力加速度的关系，说明了地球上的潮汐现象，建立了十分严格而完善的力学定律体系。

动力学以牛顿第二定律为核心，这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。

牛顿首先引入了质量的概念，而把它和物体的重力区分开来，说明物体的重力只是地球对物体的引力。

作用和反作用定律建立以后，人们开展了质点动力学的研究。

牛顿的力学工作和微积分工作是不可分的。

从此，动力学就成为一门建立在实验、观察和数学分析之上的严密科学，从而奠定现代力学的基础。

17世纪荷兰科学家惠更斯通过对摆的观察，得到了地球重力加速度，建立了摆的运动方程。

惠更斯又在研究锥摆时确立了离心力的概念；此外，他还提出了转动惯量的概念。

牛顿定律发表100年后，法国数学家拉格朗日建立了能应用于完整系统的拉格朗日方程。

这组方程式不同于牛顿第二定律的力和加速度的形式，而是用广义坐标为自变量通过拉格朗日函数来表示的。

拉格朗日体系对某些类型问题(例如小振荡理论和刚体动力学)的研究比牛顿定律更为方便。

刚体的概念是由欧拉引入的。

18世纪瑞士学者欧拉把牛顿第二定律推广到刚体，他应用三个欧拉角来表示刚体绕定点的角位移，又定义转动惯量，并导得了刚体定点转动的运动微分方程。

这样就完整地建立了描述具有六个自由度的刚体普遍运动方程。

对于刚体来说，内力所做的功之和为零。

因此，刚体动力学就成为研究一般固体运动的近似理论。

1755年欧拉又建立了理想流体的动力学方程；1758年伯努利得到关于沿流线的能量积分(称为伯努利方程)；1822年纳维得到了不可压缩性流体的动力学方程；1855年许贡纽研究了连续介质中的激波。

这样动力学就渗透到各种形态物质的领域中去了。

例如，在弹性力学中，由于研究碰撞、振动、弹性波传播等问题的需要而建立了弹性动力学，它可以应用于研究地震波的传动。