運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)概念

1、運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)概念運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)概念運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)動(dòng)學(xué)是理論力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，它是運(yùn)用幾何學(xué)的方法來(lái)研究物體的運(yùn)動(dòng)，通常不考慮力和質(zhì)量等因素的影響。至于物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，則是動(dòng)力學(xué)的研究課題。用幾何方法描述物體的運(yùn)動(dòng)必須確定一個(gè)參照系，因此，單純從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，對(duì)任何運(yùn)動(dòng)的描述都是相對(duì)的。這里，運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性是指經(jīng)典力學(xué)范疇內(nèi)的，即在不同的參照系中時(shí)間和空間的量度相同，和參照系的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。不過(guò)當(dāng)物體的速度接近光速時(shí)，時(shí)間

2、和空間的量度就同參照系有關(guān)了。這里的“運(yùn)動(dòng)”指機(jī)械運(yùn)動(dòng)，即物體位置的改變；所謂“從幾何的角度”是指不涉及物體本身的物理性質(zhì)(如質(zhì)量等)和加在物體上的力。運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究點(diǎn)和剛體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。點(diǎn)是指沒(méi)有大小和質(zhì)量、在空間占據(jù)一定位置的幾何點(diǎn)。剛體是沒(méi)有質(zhì)量、不變形、但有一定形狀、占據(jù)空間一定位置的形體。運(yùn)動(dòng)學(xué)包括點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)兩部分。掌握了這兩類運(yùn)動(dòng)，才可能進(jìn)一步研究變形體(彈性體、流體等)的運(yùn)動(dòng)。在變形體研究中，須把物體中微團(tuán)的剛性

3、位移和應(yīng)變分開(kāi)。點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、軌跡、位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特征，這些都隨所選的參考系不同而異；而剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)還要研究剛體本身的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程、角速度、角加速度等更復(fù)雜些的運(yùn)動(dòng)特征。剛體運(yùn)動(dòng)按運(yùn)動(dòng)的特性又可分為：剛體的平動(dòng)、剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、剛體平面運(yùn)動(dòng)、剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和剛體一般運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)學(xué)為動(dòng)力學(xué)、機(jī)械原理(機(jī)械學(xué))提供理論基礎(chǔ)，也包含有自然科學(xué)和工程技術(shù)很多學(xué)科所必需的基本知識(shí)。運(yùn)動(dòng)學(xué)的發(fā)展歷史運(yùn)動(dòng)學(xué)在發(fā)展的初期，從屬于動(dòng)力學(xué)，隨著

4、動(dòng)力學(xué)而發(fā)展。古代，人們通過(guò)對(duì)地面物體和天體運(yùn)動(dòng)的觀察，逐漸形成了物體在空間中位置的變化和時(shí)間的概念。中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期在《墨經(jīng)》中已有關(guān)于運(yùn)動(dòng)和時(shí)間先后的描述。亞里士多德在《物理學(xué)》中討論了落體運(yùn)動(dòng)和圓運(yùn)動(dòng)，已有了速度的概念。物，已經(jīng)能運(yùn)用一些簡(jiǎn)單機(jī)械(例如杠桿、滑輪和斜面等)。靜力學(xué)是從公元前三世紀(jì)開(kāi)始發(fā)展，到公元16世紀(jì)伽利略奠定動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)為止。這期間經(jīng)歷了西歐奴隸社會(huì)后期，封建時(shí)期和文藝復(fù)興初期。因農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)的要求，以及同貿(mào)易發(fā)展有

5、關(guān)的精密衡量的需要，推動(dòng)了力學(xué)的發(fā)展。人們?cè)谑褂煤?jiǎn)單的工具和機(jī)械的基礎(chǔ)上，逐漸總結(jié)出力學(xué)的概念和公理。例如，從滑輪和杠桿得出力矩的概念；從斜面得出力的平行四邊形法則等。阿基米德是使靜力學(xué)成為一門(mén)真正科學(xué)的奠基者。在他的關(guān)于平面圖形的平衡和重心的著作中，創(chuàng)立了杠桿理論，并且奠定了靜力學(xué)的主要原理。阿基米德得出的杠桿平衡條件是：若杠桿兩臂的長(zhǎng)度同其上的物體的重量成反比，則此二物體必處于平衡狀態(tài)。阿基米德是第一個(gè)使用嚴(yán)密推理來(lái)求出平行四邊形、

6、三角形和梯形物體的重心位置的人，他還應(yīng)用近似法，求出了拋物線段的重心。著名的意大利藝術(shù)家、物理學(xué)家和工程師達(dá)芬奇是文藝復(fù)興時(shí)期首先跳出中世紀(jì)煩瑣科學(xué)人們中的一個(gè)，他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)和運(yùn)用數(shù)學(xué)解決力學(xué)問(wèn)題有巨大意義。他應(yīng)用力矩法解釋了滑輪的工作原理；應(yīng)用虛位移原理的概念來(lái)分析起重機(jī)構(gòu)中的滑輪和杠桿系統(tǒng)；在他的一份草稿中，他還分析了鉛垂力奇力的分解；研究了物體的斜面運(yùn)動(dòng)和滑動(dòng)摩擦阻力，首先得出了滑動(dòng)摩擦阻力同物體的摩擦接觸面的大小無(wú)關(guān)的結(jié)論。對(duì)物體

7、在斜面上的力學(xué)問(wèn)題的研究，最有功績(jī)的是斯蒂文，他得出并論證了力的平行四邊形法則。靜力學(xué)一直到伐里農(nóng)提出了著名的伐里農(nóng)定理后才完備起來(lái)。他和潘索多邊形原理是圖解靜力學(xué)的基礎(chǔ)。分析力學(xué)的概念是拉格朗日提出來(lái)的，他在大型著作《分析力學(xué)》中，根據(jù)虛位移原理，用嚴(yán)格的分析方法敘述了整個(gè)力學(xué)理論。虛位移原理早在1717年已由伯努利指出，而應(yīng)用這個(gè)原理解決力學(xué)問(wèn)題的方法的進(jìn)一步發(fā)展和對(duì)它的數(shù)學(xué)研究卻是拉格朗日的功績(jī)。靜力學(xué)的內(nèi)容靜力學(xué)的基本物理量有三

8、個(gè)：力、力偶、力矩。力的概念是靜力學(xué)的基本概念之一。經(jīng)驗(yàn)證明，力對(duì)已知物體的作用效果決定于：力的大小(即力的強(qiáng)度)；力的方向；力的作用點(diǎn)。通常稱它們?yōu)榱Φ娜亍ＡΦ娜乜梢杂靡粋€(gè)有向的線段即矢量表示。凡大小相等方向相反且作用線不在一直線上的兩個(gè)力稱為力偶，它是一個(gè)自由矢量，其大小為力乘以二力作用線間的距離，即力臂，方向由右手螺旋定則確定并垂直于二力所構(gòu)成的平面。力作用于物體的效應(yīng)分為外效應(yīng)和內(nèi)效應(yīng)。外效應(yīng)是指力使整個(gè)物體對(duì)外界參照系