力學改變我們生活的例證

1、力學改變我們生活的例證*(學號:*8)E-mail：*摘要力學是從人們對自然想象的觀察和生產(chǎn)勞動經(jīng)驗中逐漸發(fā)展起來的，所以，隨著力學的發(fā)展，我們的生活一直在發(fā)生著變化。蒸汽機出現(xiàn)后，人類開始由農(nóng)業(yè)社會進入工業(yè)社會；經(jīng)過無數(shù)人堅持不懈的試驗和努力，世界上的第一架飛機終于制成；對結構力學的研究，讓我們的世界更加豐富多彩；流體力學也廣泛應用于人們生活生生產(chǎn)中。一、 力學的概念和發(fā)展簡史1.力學是什么“力學是關于運動的科學，我們說它的任務是：以完備而又假定的方式描述自然界中發(fā)生的運動?！?-基爾霍夫“力學是最早開始的一門科學。” -M. von 勞厄“在自然科學的歷史發(fā)展中最先發(fā)展起來的是關于簡單的位

2、置移動的理論，即天體的和地上物體的力學?！?-恩格斯可以看出，力學起源于工具、工藝的改進，同時也是人類追求認識自然界客觀運動的普遍規(guī)律的必然歸宿。簡單的講，力學就是力和機械運動的學科。關于力學準確而完整的描述是：力學是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學。通常理解的力學以研究天然的或人工的宏觀對象為主。機械運動亦即力學運動是物質(zhì)在時間、空間中的位置變化，包括移動、轉動、流動、變形、振動、波動、擴散等，而平衡或靜止，則是其中的一種特殊情況。力學同物理學、數(shù)學等學科一樣，是一門基礎科學它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)。但由于它應用性很強，又是一門技術科學。2.力學的發(fā)展簡史從人們對自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動的經(jīng)驗

3、中，力學開始出現(xiàn)。斜面、杠桿、汲水器等器具的使用使得人們開始積累了對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。古代人還從對日、月運行的觀察和弓箭、車輪等的使用中，了解到一些簡單的運動規(guī)律，像勻速的移動和轉動。但是對力和運動之間的關系，在歐洲文藝復興時期以后才逐漸有了正確的認識。16世紀到17世紀間，力學發(fā)展為一門獨立的、系統(tǒng)的學科。伽利略通過對拋體和落體的研究，在實驗研究和理論分析的基礎上，最早闡明了自由落體運動的規(guī)律，提出加速度的概念，提出慣性定律并用以解釋地面上的物體和天體的運動。17世紀末牛頓繼承和發(fā)展前人的研究成果，特別是開普勒的行星運動三定律，提出力學

4、運動的三大基本定律，使經(jīng)典力學形成系統(tǒng)的理論。牛頓三大運動定律和萬有引力定律成功地解釋了地球上的落體運動規(guī)律和行星的運動軌道。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。此后兩個世紀中在很多科學家的研究與推廣下，力學成為一門具有完善理論的經(jīng)典力學。后來，力學的研究對象由單個的自由質(zhì)點，轉向受約束的質(zhì)點和受約束的質(zhì)點系。這方面的標志是達朗貝爾提出的達朗貝爾原理，和拉格朗日建立的分析力學。其后，歐拉又進一步把牛頓運動定律用于剛體和理想流體的運動方程，這意味著連續(xù)介質(zhì)力學的開端。運動定律和物性定律這兩者的結合，促使彈性固體力學基本理論和粘性流體力學基本理論孿生于世， 納維、柯西、泊松、斯托克斯等人在這方面做出重

5、大貢獻。彈性力學和流體力學基本方程的建立，使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。從牛頓到漢密爾頓的理論體系組成了物理學中的經(jīng)典力學。在彈性和流體基本方程建立后，所給出的方程一時難于求解，工程技術中許多應用力學問題還必須依靠經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法來解決。這使得19世紀后半葉，在材料力學、結構力學以及彈性力學之間，水力學和水動力學之間一直存在著風格上的顯著的差別。 20世紀初，隨著新的數(shù)學理論和方法的出現(xiàn)，力學研究又蓬勃發(fā)展起來，創(chuàng)立了許多新的理論，同時也解決了工程技術中大量的關鍵性問題，如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題等。普朗特和卡門史這時的先導者，他們在力學研究工作中善于從復雜的現(xiàn)象中

6、洞察事物本質(zhì)，又能尋找合適的解決問題的數(shù)學途徑，逐漸形成一套特有的方法。20世紀60年代后，計算機的應用日益廣泛，力學無論在應用上或理論上都有了新的進展。力學在中國的發(fā)展經(jīng)歷了一個特殊的過程。與古希臘幾乎同時，中國古代對平衡和簡單的運動形式就已具備相當水平的力學知識，所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統(tǒng)。到明末清初，中國科學技術已顯著落后于歐洲。二、力學發(fā)展帶來的改變由于力學產(chǎn)生于人們對自然現(xiàn)象的觀察和生產(chǎn)勞動中的經(jīng)驗，所以從古代開始，對力學的研究就有理論和應用兩方面，兩者相互促進，彼此發(fā)展。這個過程中，力學在應用方面的發(fā)展伴隨著我們生活方式和生活水平的改變。人類歷史上幾種重要的工具的誕

7、生，像蒸汽機，飛機等都是力學的直接成果?，F(xiàn)在的土木工程、水利工程、機械工程、船舶工程、航空航天工程以及核技術工程用到的主要知識都是力學?？梢哉f力學與我們的生活息息相關，為我們的生活增光添彩了不少。1. 調(diào)速器的研究和蒸汽機的出現(xiàn)1.1蒸汽機的不斷改進17世紀末英國人托馬斯.塞維利發(fā)明了利用蒸汽壓力的抽水泵。它的工作過程是：在容器中通入蒸汽，使蒸汽在容器中凝結，利用蒸汽凝結后所形成的真空把礦井中的水抽上來。這種泵有兩大缺點：一方面是對地下水位較低時就抽不上水；另一方面是由于突然進入的蒸汽壓力過高而易于爆炸，因此很少被使用。1712年，英國人托馬斯.紐可曼發(fā)明了大氣壓蒸汽機。這種機器具有氣缸與活塞

8、，在工作時，先把蒸汽導入氣缸擠出氣缸內(nèi)的水，這時出水閥門關閉進水閥門打開，進氣閥門關閉，氣缸停止供水而氣缸內(nèi)進水，蒸汽便遇冷凝結為水使氣缸內(nèi)氣壓迅速降低，就可以使水吸上來。之后再把進氣閥門打開，蒸汽導入氣缸，這是將進氣閥門關閉出水閥門打開，蒸汽將水擠出來，進入下一個循環(huán)。這種蒸汽機較以前效率提高了，而且可以自動工作，使礦井的抽水工作大為便利。1765年5月瓦特提出了使蒸汽從氣缸排入另一容器的想法，這個容器就是現(xiàn)在的冷凝器。經(jīng)過反復試驗，1769年裝有冷凝器的蒸汽機制成了，效率提高了很多。但還有一個問題，蒸汽機的速度不能很好地控制燒煤多時蒸汽多機器就轉得快，燒煤少時就轉的慢。1.2調(diào)速器的發(fā)明調(diào)

9、速器只是一個不起眼的東西，它的原理不過是一個現(xiàn)今理論力學課的習題?？此坪唵?，但它在近代控制技術和控制理論發(fā)展上，卻起到了開天辟地的作用。大約1782年，瓦特在蒸汽機上安裝了離心調(diào)速器。這種調(diào)速器的構造是利用蒸汽機帶動一根豎直的軸轉動，這根軸的頂端有兩根鉸接的等長細桿，細桿另一端各有一個金屬球。在蒸汽機轉動過快時，豎軸也轉動加快，兩個金屬小球在離心力的作用下，由于轉動快而升高，這是通過與小球連接的連桿便將蒸汽閥門關小，從而使蒸汽機的轉速可以降低。反之，若蒸汽機的轉速過慢，則豎軸轉動慢了，小球的位置也下降了，這時連桿將閥門開大，從而使蒸汽機轉速加快。離心調(diào)速器是一個基于力學原理的發(fā)明，它是蒸汽機所

10、以能普及應用的關鍵，也是人類自動調(diào)節(jié)與自動控制的開始。由于人們能夠自由的控制蒸汽機的速度，才使蒸汽機應用于紡織、火車、輪船、機械加工等行業(yè)，才使人類大量使用自然原動力成為可能，這才有了產(chǎn)業(yè)革命的第二階段。1.3蒸汽機的應用及意義瓦特的改進蒸汽機的普及速度很快，到1790年大約有500臺蒸汽機在英國工作。經(jīng)過不到100年，到了1868年。僅僅在英國就有75000臺蒸汽機之多。1805年，在美國蒸汽機被裝上了汽車作為動力。1807年，美國的富爾頓發(fā)明了以蒸汽為動力的輪船。1825年斯蒂文森造成了可以在軌道上行駛的蒸汽機車。1800年，英國的特里維西克發(fā)明了高壓蒸汽機。1801年美國人埃文斯造出了真

11、正適用的高壓蒸汽機。離心調(diào)速器的發(fā)明以及各種蒸汽機的出現(xiàn)，使人類開始進入工業(yè)社會，由機器代替以前的手工勞作，促進了社會的發(fā)展，極大地改變了我們的生活。2.飛機的出現(xiàn)能夠飛行一直是人類的一個夢想，但它的實現(xiàn)卻十分艱難。經(jīng)過一代代人不斷地嘗試、創(chuàng)新和專研，終于萊特兄弟制成了世界上的第一架飛機。2.1 早期的飛機研究1804年12月，英國人喬治。凱利設計和制造了一架懸臂機，用來研究平板的升力和阻力。利用這個裝置，他得到了最早關于升力和速度方面的數(shù)據(jù)并作出結果：平板的升力與面積成正比、與迎風角成正比、與速度的平方成正比。他在懸臂機是試驗中還發(fā)現(xiàn)流線型對減少阻力有很重要的作用。他經(jīng)過精心計算，給出了一架

12、飛機的參數(shù)，說：“如果這塊平板能在動力作用下高效運動，空中航行就會實現(xiàn)?！庇捎诤髞砣R特兄弟發(fā)明的飛機是按照他的計算方法設計的，他被稱為航空之父。19世紀后期，英國、俄國、法國、德國都有一些動力飛行的探索者。其中法國的彭橈1871年像筋動力的飛機模型，飛行距離超過60米，后來經(jīng)過多次改進。1842年英國的漢森申請了他的飛機設計專利，他在飛機上裝置的動力是蒸汽機，并為這種飛行器命名“空中蒸汽車”。后來他由于幾次試驗失敗，財力耗盡，停止了研究。1857年，法國的布里斯制造了一架大型滑翔機，他的起飛方式是將滑翔機固定在馬車上，然后驅(qū)車沿大路奔跑，當馬車達到一定速度是，把滑翔機放出去。在第二次試飛時，不

13、幸遇到了下降的氣流，滑翔機摔壞，他也摔斷了大腿。過了10年。他又東山再起，繼續(xù)滑翔機試驗，又遭失敗，他從此退出航空界。德國的利林塔爾1889年發(fā)表了一本鳥類飛行的藝術，這本書對后來的飛機影響很大。他還制造了具有蝙蝠形狀機翼的滑翔機，為了改進它的滑翔機，他進行了2500次以上的飛行試驗。他對滑翔機不斷地改進，最長一次飛行是從15米高的山頭起飛，滑翔了300米遠。他試驗了不同的翼型以確定對飛行最為有利的特點。他發(fā)現(xiàn)彎曲的機翼比平直的更有利。后來萊特兄弟把這些結果用到了他們的飛機上。利林塔爾還在滑翔機上裝了舵，并且準備裝上動力，可惜在1896年8月的一天，在試飛時，因為機翼折斷而摔斷了脊骨，于次日逝

14、世。他離開人世時最后的遺言是：“如果沒有犧牲，任何事都不會成功?！?.2 蘭利對飛機的研究上面這些只是動力飛行的早期探索者中的少數(shù)例子。在這些勇敢的冒謝家前仆后繼的探求中，人們不斷從中總結經(jīng)驗，成就了后來的飛行事業(yè)。蘭利是美國的職業(yè)科學家，起先曾從事土木工程工作，后來靠自學成為著名的天文學家。他發(fā)展了測輻射熱議，對太陽光普測量做出了重要的貢獻，1867年，任美國匹茲堡大學的物理與天文學教授。他從幼年便對鳥的飛翔產(chǎn)生了極大地興趣。經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時觀看年的飛行。1887年蘭立移居華盛頓，出任當時美國學術權威機構斯密森學會的秘書。他建造了一座60英尺的懸臂機，該機靠煤氣發(fā)動機驅(qū)動，外周速度可達到每小時

15、70海里。；利用這座懸臂機，他進行了大量的空氣空氣動力試驗，研究平板與鳥翼在空氣中運動時的阻力與升力的規(guī)律，由此得到了許多定量的結果，并且糾正了前人的不少錯誤。蘭立將他的研究成果寫成一本書空氣動力學實驗，于1891年由華盛頓的斯密森學會出版。這本書是最早的比較系統(tǒng)的試驗空氣動力學著作，對后來的飛機研究者，包括萊特兄弟影響很大。除了實驗室研究外，蘭利還動手做飛行試驗。他先后從1891年開始試制了橡筋動力模型飛機，設計并制造了輕型蒸汽機并且設計了空中旅行者0、6共7個型號的飛機模型，對其中的第5、6兩號飛機模型在1896+年進行了成功的飛行，又在1903年進行了兩次不成功的載人的飛行試驗。后來因為

16、財政拮據(jù)和新聞界的冷嘲熱諷，以及蘭利本人年事已高等諸多原因，放棄了試驗，蘭利也于1906年逝世。后人總結他載人飛行的失敗原因主要是由于結構上的不合理，當時他的發(fā)射架如果采用輪式起落架，試飛很可能是另一種結果。2.3 萊特發(fā)明的飛機萊特兄弟在俄亥制造自行車，自幼癡迷于航空，他們還給紐約斯密森學院寫信說他們對飛行很感興趣，堅信人類的飛行是可能的和行得通的，希望得到像斯密森學院出版的關于這一主題的文章和以英文印刷中的文章的目錄。他們研究前人的經(jīng)驗，其中包括達。芬奇、喬治。凱莉、蘭利教授、馬克辛、查紐特、帕森斯、托馬斯。愛迪生、利林塔爾、阿代爾等的事跡與經(jīng)驗。到1902年秋，他們已經(jīng)積累了上千次滑翔試

17、驗，掌握了飛行的理論與技術。最后，他們決心制造裝有發(fā)動機與螺旋槳的飛機。經(jīng)過艱苦的研究，終于制成了4缸8馬力的內(nèi)燃發(fā)動機，并且用樅木制造了螺旋槳。1903年12月17日在北卡羅來納州的赤鬼山海岸，對他們制成的“飛行者”1號進行了試飛。經(jīng)過4次試飛，最好的成績是在空中飛行59秒，飛行距離259.7米的記錄。那次試飛，他們發(fā)了50封邀請信，結果只來了5個人，報界對此反應冷淡。到1905年，美國著名的科學普及雜志科學的美國人說這次試驗只不過是一個騙局?？墒?，就在這一年，萊特兄弟的第三個改型飛機在10月5日那天，一次飛行了38.6千米，在空中持續(xù)飛行38分3秒。在萊特兄弟研究期間，當時的一位著名的工程

18、師恰納特直接指導萊特的力學知識。恰納特是一位著名的鐵路工程師，主要設計過復雜的鐵路橋梁，采用新的材料進行施工。他對飛行一直保持濃厚的業(yè)余興趣，并且他關于飛行的力學知識在19世紀820年代一直處于前緣。他與萊特兄弟一直保持通信，指導他們，并且親自去過萊特兄弟的試驗場地?？梢钥闯鏊麑θ祟惡教焓聵I(yè)也作出了重大的貢獻。2.4 飛機出現(xiàn)的意義20世紀產(chǎn)生的航空事業(yè)，可以說是力學科學的產(chǎn)兒。它至始至終是在力學研究成果的指導和哺育下發(fā)展和成長的。萊特兄弟的成功就一直伴隨著對力學，特別是空氣動力學的深入專研。為了獲得有關空氣動力學方面的知識，他們向許多人寫信求助。他們十分好學，向斯密森學院索要蘭利的有關著作，

19、并且進行了十分認真的實驗。1901年，萊特兄弟為了實驗和改進機翼，建造了風洞，他們研究與比較了200種以上的機翼形狀。這個風洞大概是美國的第一座風洞。飛機的誕生實現(xiàn)了人類很久以來的飛天夢，改變了人們的出行方式。飛機具有許多其他運輸工具所沒有的好處：速度很快，在短時間內(nèi)可以進行遠距離運輸貨物，尤其是鮮花，新鮮果蔬，加劇了全球商品的流動；機動性高；飛機飛行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根據(jù)客、貨源數(shù)量隨時增加班次；安全，據(jù)國際民航組織統(tǒng)計，民航平均每億客公里的死亡人數(shù)為0.04人，是普通交通方式事故死亡人數(shù)的幾十分之一到幾百分之一，和鐵路運輸并列為最安全的交通運輸方式；舒適，飛機不像火車

20、一樣一直咔嚓咔嚓，讓人心煩，坐在飛機上可以看云卷云舒，壯麗山河，總給人一種美的感受?？梢钥闯?，飛機的出現(xiàn)豐富的人們的生活。3.結構力學帶來的改變?nèi)祟愖钤绲慕Y構是利用天然條件的巢居和穴居，后來發(fā)展為自己鑿戶建房而住。隨著人類文明的發(fā)展，人類所建造的結構種類愈來愈多，愈來愈復雜。繼房屋結構之后，又出現(xiàn)了道橋、車船、水利、機器、飛機、火箭、兵器、化工設備、輸電等各種各樣的結構。無論是東方還是西方，在使用鋼、混泥土味主要建筑材料之前，時間最長的是以石、木、磚為建筑材料。木結構不耐火；也不耐腐蝕。所以有些古建筑都沒保存下來。1774年，英國工程師斯密頓在建筑海上燈塔時用石灰、粘土、砂混合物砌基礎，效果很

21、好。1824年英國石匠營造者亞斯普丁取得了燒制水泥的專利，因其與波特蘭地方的石板很相近，所以稱為波特蘭水泥。法國1840、德國1855設水泥廠。1970年世界每人每年使用水泥156公斤。19世紀中葉之后，煉鋼技術得到普及，于是在結構上普遍采用鋼鐵。1859年英國建成世界上第一艘剛船；1846年英國在北威爾士建成布瑞塔尼亞鐵路大橋；1873年英國倫敦建成跨泰晤士河的阿爾伯特吊橋，最大跨度384英尺。結構力學的發(fā)展讓我們的世界變得多姿多彩許多建筑不僅具有實用價值還有藝術價值。埃菲爾鐵塔、圣索菲亞大教堂、各種大橋、藝術館都帶給我們一種美的享受。4.流體力學帶來的改變 流體力學也是人們在探索自然界和生產(chǎn)實踐中慢慢發(fā)展起來的，中國古代就有大禹治水疏通江河；秦朝李冰父子帶領勞動人民修建的都江堰，至今還發(fā)揮著作用；古羅馬人建成大規(guī)模的供水管道系統(tǒng)等等。15世紀，意大利達芬奇的著作談到了水波、管流、水力機械、鳥的飛翔原理等問題；17世紀，帕斯卡闡明了靜止流體中壓力的概念。 現(xiàn)在流體力學廣泛應