力学改变我们生活的例证

1、力学改变我们生活的例证*(学号:*8)E-mail：*摘要力学是从人们对自然想象的观察和生产劳动经验中逐渐发展起来的，所以，随着力学的发展，我们的生活一直在发生着变化。蒸汽机出现后，人类开始由农业社会进入工业社会；经过无数人坚持不懈的试验和努力，世界上的第一架飞机终于制成；对结构力学的研究，让我们的世界更加丰富多彩；流体力学也广泛应用于人们生活生生产中。一、 力学的概念和发展简史1.力学是什么“力学是关于运动的科学，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。” -基尔霍夫“力学是最早开始的一门科学。” -M. von 劳厄“在自然科学的历史发展中最先发展起来的是关于简单的位

2、置移动的理论，即天体的和地上物体的力学。” -恩格斯可以看出，力学起源于工具、工艺的改进，同时也是人类追求认识自然界客观运动的普遍规律的必然归宿。简单的讲，力学就是力和机械运动的学科。关于力学准确而完整的描述是：力学是研究物质机械运动规律的科学。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。机械运动亦即力学运动是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等，而平衡或静止，则是其中的一种特殊情况。力学同物理学、数学等学科一样，是一门基础科学它所阐明的规律带有普遍的性质。但由于它应用性很强，又是一门技术科学。2.力学的发展简史从人们对自然现象的观察和生产劳动的经验

3、中，力学开始出现。斜面、杠杆、汲水器等器具的使用使得人们开始积累了对平衡物体受力情况的认识。古希腊的阿基米德初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解到一些简单的运动规律，像匀速的移动和转动。但是对力和运动之间的关系，在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。16世纪到17世纪间，力学发展为一门独立的、系统的学科。伽利略通过对抛体和落体的研究，在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明了自由落体运动的规律，提出加速度的概念，提出惯性定律并用以解释地面上的物体和天体的运动。17世纪末牛顿继承和发展前人的研究成果，特别是开普勒的行星运动三定律，提出力学

4、运动的三大基本定律，使经典力学形成系统的理论。牛顿三大运动定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行星的运动轨道。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。此后两个世纪中在很多科学家的研究与推广下，力学成为一门具有完善理论的经典力学。后来，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这意味着连续介质力学的开端。运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世， 纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人在这方面做出重

5、大贡献。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还必须依靠经验或半经验的方法来解决。这使得19世纪后半叶，在材料力学、结构力学以及弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著的差别。 20世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题，如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等。普朗特和卡门史这时的先导者，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中

6、洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。20世纪60年代后，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时，中国古代对平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像阿基米德那样的理论系统。到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。二、力学发展带来的改变由于力学产生于人们对自然现象的观察和生产劳动中的经验，所以从古代开始，对力学的研究就有理论和应用两方面，两者相互促进，彼此发展。这个过程中，力学在应用方面的发展伴随着我们生活方式和生活水平的改变。人类历史上几种重要的工具的诞

7、生，像蒸汽机，飞机等都是力学的直接成果。现在的土木工程、水利工程、机械工程、船舶工程、航空航天工程以及核技术工程用到的主要知识都是力学。可以说力学与我们的生活息息相关，为我们的生活增光添彩了不少。1. 调速器的研究和蒸汽机的出现1.1蒸汽机的不断改进17世纪末英国人托马斯.塞维利发明了利用蒸汽压力的抽水泵。它的工作过程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝结，利用蒸汽凝结后所形成的真空把矿井中的水抽上来。这种泵有两大缺点：一方面是对地下水位较低时就抽不上水；另一方面是由于突然进入的蒸汽压力过高而易于爆炸，因此很少被使用。1712年，英国人托马斯.纽可曼发明了大气压蒸汽机。这种机器具有气缸与活塞

8、，在工作时，先把蒸汽导入气缸挤出气缸内的水，这时出水阀门关闭进水阀门打开，进气阀门关闭，气缸停止供水而气缸内进水，蒸汽便遇冷凝结为水使气缸内气压迅速降低，就可以使水吸上来。之后再把进气阀门打开，蒸汽导入气缸，这是将进气阀门关闭出水阀门打开，蒸汽将水挤出来，进入下一个循环。这种蒸汽机较以前效率提高了，而且可以自动工作，使矿井的抽水工作大为便利。1765年5月瓦特提出了使蒸汽从气缸排入另一容器的想法，这个容器就是现在的冷凝器。经过反复试验，1769年装有冷凝器的蒸汽机制成了，效率提高了很多。但还有一个问题，蒸汽机的速度不能很好地控制烧煤多时蒸汽多机器就转得快，烧煤少时就转的慢。1.2调速器的发明调

9、速器只是一个不起眼的东西，它的原理不过是一个现今理论力学课的习题。看似简单，但它在近代控制技术和控制理论发展上，却起到了开天辟地的作用。大约1782年，瓦特在蒸汽机上安装了离心调速器。这种调速器的构造是利用蒸汽机带动一根竖直的轴转动，这根轴的顶端有两根铰接的等长细杆，细杆另一端各有一个金属球。在蒸汽机转动过快时，竖轴也转动加快，两个金属小球在离心力的作用下，由于转动快而升高，这是通过与小球连接的连杆便将蒸汽阀门关小，从而使蒸汽机的转速可以降低。反之，若蒸汽机的转速过慢，则竖轴转动慢了，小球的位置也下降了，这时连杆将阀门开大，从而使蒸汽机转速加快。离心调速器是一个基于力学原理的发明，它是蒸汽机所

10、以能普及应用的关键，也是人类自动调节与自动控制的开始。由于人们能够自由的控制蒸汽机的速度，才使蒸汽机应用于纺织、火车、轮船、机械加工等行业，才使人类大量使用自然原动力成为可能，这才有了产业革命的第二阶段。1.3蒸汽机的应用及意义瓦特的改进蒸汽机的普及速度很快，到1790年大约有500台蒸汽机在英国工作。经过不到100年，到了1868年。仅仅在英国就有75000台蒸汽机之多。1805年，在美国蒸汽机被装上了汽车作为动力。1807年，美国的富尔顿发明了以蒸汽为动力的轮船。1825年斯蒂文森造成了可以在轨道上行驶的蒸汽机车。1800年，英国的特里维西克发明了高压蒸汽机。1801年美国人埃文斯造出了真

11、正适用的高压蒸汽机。离心调速器的发明以及各种蒸汽机的出现，使人类开始进入工业社会，由机器代替以前的手工劳作，促进了社会的发展，极大地改变了我们的生活。2.飞机的出现能够飞行一直是人类的一个梦想，但它的实现却十分艰难。经过一代代人不断地尝试、创新和专研，终于莱特兄弟制成了世界上的第一架飞机。2.1 早期的飞机研究1804年12月，英国人乔治。凯利设计和制造了一架悬臂机，用来研究平板的升力和阻力。利用这个装置，他得到了最早关于升力和速度方面的数据并作出结果：平板的升力与面积成正比、与迎风角成正比、与速度的平方成正比。他在悬臂机是试验中还发现流线型对减少阻力有很重要的作用。他经过精心计算，给出了一架

12、飞机的参数，说：“如果这块平板能在动力作用下高效运动，空中航行就会实现。”由于后来莱特兄弟发明的飞机是按照他的计算方法设计的，他被称为航空之父。19世纪后期，英国、俄国、法国、德国都有一些动力飞行的探索者。其中法国的彭橈1871年像筋动力的飞机模型，飞行距离超过60米，后来经过多次改进。1842年英国的汉森申请了他的飞机设计专利，他在飞机上装置的动力是蒸汽机，并为这种飞行器命名“空中蒸汽车”。后来他由于几次试验失败，财力耗尽，停止了研究。1857年，法国的布里斯制造了一架大型滑翔机，他的起飞方式是将滑翔机固定在马车上，然后驱车沿大路奔跑，当马车达到一定速度是，把滑翔机放出去。在第二次试飞时，不

13、幸遇到了下降的气流，滑翔机摔坏，他也摔断了大腿。过了10年。他又东山再起，继续滑翔机试验，又遭失败，他从此退出航空界。德国的利林塔尔1889年发表了一本鸟类飞行的艺术，这本书对后来的飞机影响很大。他还制造了具有蝙蝠形状机翼的滑翔机，为了改进它的滑翔机，他进行了2500次以上的飞行试验。他对滑翔机不断地改进，最长一次飞行是从15米高的山头起飞，滑翔了300米远。他试验了不同的翼型以确定对飞行最为有利的特点。他发现弯曲的机翼比平直的更有利。后来莱特兄弟把这些结果用到了他们的飞机上。利林塔尔还在滑翔机上装了舵，并且准备装上动力，可惜在1896年8月的一天，在试飞时，因为机翼折断而摔断了脊骨，于次日逝

14、世。他离开人世时最后的遗言是：“如果没有牺牲，任何事都不会成功。”2.2 兰利对飞机的研究上面这些只是动力飞行的早期探索者中的少数例子。在这些勇敢的冒谢家前仆后继的探求中，人们不断从中总结经验，成就了后来的飞行事业。兰利是美国的职业科学家，起先曾从事土木工程工作，后来靠自学成为著名的天文学家。他发展了测辐射热议，对太阳光普测量做出了重要的贡献，1867年，任美国匹兹堡大学的物理与天文学教授。他从幼年便对鸟的飞翔产生了极大地兴趣。经常连续数小时观看年的飞行。1887年兰立移居华盛顿，出任当时美国学术权威机构斯密森学会的秘书。他建造了一座60英尺的悬臂机，该机靠煤气发动机驱动，外周速度可达到每小时

15、70海里。；利用这座悬臂机，他进行了大量的空气空气动力试验，研究平板与鸟翼在空气中运动时的阻力与升力的规律，由此得到了许多定量的结果，并且纠正了前人的不少错误。兰立将他的研究成果写成一本书空气动力学实验，于1891年由华盛顿的斯密森学会出版。这本书是最早的比较系统的试验空气动力学著作，对后来的飞机研究者，包括莱特兄弟影响很大。除了实验室研究外，兰利还动手做飞行试验。他先后从1891年开始试制了橡筋动力模型飞机，设计并制造了轻型蒸汽机并且设计了空中旅行者0、6共7个型号的飞机模型，对其中的第5、6两号飞机模型在1896+年进行了成功的飞行，又在1903年进行了两次不成功的载人的飞行试验。后来因为

16、财政拮据和新闻界的冷嘲热讽，以及兰利本人年事已高等诸多原因，放弃了试验，兰利也于1906年逝世。后人总结他载人飞行的失败原因主要是由于结构上的不合理，当时他的发射架如果采用轮式起落架，试飞很可能是另一种结果。2.3 莱特发明的飞机莱特兄弟在俄亥制造自行车，自幼痴迷于航空，他们还给纽约斯密森学院写信说他们对飞行很感兴趣，坚信人类的飞行是可能的和行得通的，希望得到像斯密森学院出版的关于这一主题的文章和以英文印刷中的文章的目录。他们研究前人的经验，其中包括达。芬奇、乔治。凯莉、兰利教授、马克辛、查纽特、帕森斯、托马斯。爱迪生、利林塔尔、阿代尔等的事迹与经验。到1902年秋，他们已经积累了上千次滑翔试

17、验，掌握了飞行的理论与技术。最后，他们决心制造装有发动机与螺旋桨的飞机。经过艰苦的研究，终于制成了4缸8马力的内燃发动机，并且用枞木制造了螺旋桨。1903年12月17日在北卡罗来纳州的赤鬼山海岸，对他们制成的“飞行者”1号进行了试飞。经过4次试飞，最好的成绩是在空中飞行59秒，飞行距离259.7米的记录。那次试飞，他们发了50封邀请信，结果只来了5个人，报界对此反应冷淡。到1905年，美国著名的科学普及杂志科学的美国人说这次试验只不过是一个骗局。可是，就在这一年，莱特兄弟的第三个改型飞机在10月5日那天，一次飞行了38.6千米，在空中持续飞行38分3秒。在莱特兄弟研究期间，当时的一位著名的工程

18、师恰纳特直接指导莱特的力学知识。恰纳特是一位著名的铁路工程师，主要设计过复杂的铁路桥梁，采用新的材料进行施工。他对飞行一直保持浓厚的业余兴趣，并且他关于飞行的力学知识在19世纪820年代一直处于前缘。他与莱特兄弟一直保持通信，指导他们，并且亲自去过莱特兄弟的试验场地。可以看出他对人类航天事业也作出了重大的贡献。2.4 飞机出现的意义20世纪产生的航空事业，可以说是力学科学的产儿。它至始至终是在力学研究成果的指导和哺育下发展和成长的。莱特兄弟的成功就一直伴随着对力学，特别是空气动力学的深入专研。为了获得有关空气动力学方面的知识，他们向许多人写信求助。他们十分好学，向斯密森学院索要兰利的有关著作，

19、并且进行了十分认真的实验。1901年，莱特兄弟为了实验和改进机翼，建造了风洞，他们研究与比较了200种以上的机翼形状。这个风洞大概是美国的第一座风洞。飞机的诞生实现了人类很久以来的飞天梦，改变了人们的出行方式。飞机具有许多其他运输工具所没有的好处：速度很快，在短时间内可以进行远距离运输货物，尤其是鲜花，新鲜果蔬，加剧了全球商品的流动；机动性高；飞机飞行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根据客、货源数量随时增加班次；安全，据国际民航组织统计，民航平均每亿客公里的死亡人数为0.04人，是普通交通方式事故死亡人数的几十分之一到几百分之一，和铁路运输并列为最安全的交通运输方式；舒适，飞机不像火车

20、一样一直咔嚓咔嚓，让人心烦，坐在飞机上可以看云卷云舒，壮丽山河，总给人一种美的感受。可以看出，飞机的出现丰富的人们的生活。3.结构力学带来的改变人类最早的结构是利用天然条件的巢居和穴居，后来发展为自己凿户建房而住。随着人类文明的发展，人类所建造的结构种类愈来愈多，愈来愈复杂。继房屋结构之后，又出现了道桥、车船、水利、机器、飞机、火箭、兵器、化工设备、输电等各种各样的结构。无论是东方还是西方，在使用钢、混泥土味主要建筑材料之前，时间最长的是以石、木、砖为建筑材料。木结构不耐火；也不耐腐蚀。所以有些古建筑都没保存下来。1774年，英国工程师斯密顿在建筑海上灯塔时用石灰、粘土、砂混合物砌基础，效果很

21、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板很相近，所以称为波特兰水泥。法国1840、德国1855设水泥厂。1970年世界每人每年使用水泥156公斤。19世纪中叶之后，炼钢技术得到普及，于是在结构上普遍采用钢铁。1859年英国建成世界上第一艘刚船；1846年英国在北威尔士建成布瑞塔尼亚铁路大桥；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。结构力学的发展让我们的世界变得多姿多彩许多建筑不仅具有实用价值还有艺术价值。埃菲尔铁塔、圣索菲亚大教堂、各种大桥、艺术馆都带给我们一种美的享受。4.流体力学带来的改变 流体力学也是人们在探索自然界和生产实践中慢慢发展起来的，中国古代就有大禹治水疏通江河；秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰，至今还发挥着作用；古罗马人建成大规模的供水管道系统等等。15世纪，意大利达·芬奇的著作谈到了水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题；17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。 现在流体力学广泛