【中華百科全書●工學●力學】

楊籍富 發表於 2012-12-16 08:38:18

【中華百科全書●工學●力學】 力學乃是研究自然界物質運動現象，及促成運動的因素－力的一門學科。
 
它是依據時間、空間、力、能量和物質的觀念發展而成的。
 
不管人們在日常生活中能覺察到的或不能覺察到的事物，大都應用到力學。
 
小至肉眼無法看到的電子及質子的運動，大至天體運動，現象的分析，需要力學；
 
雄偉壯觀大壩的建造，逢溪架橋，遇出鑿洞，需要力學；
 
太空時代，航行星際，探索宇宙奧祕的太空船的建造及安全的航行，需要力學；
 
研究植物生長的情形，需要力學;人體血液的循環，各種器官機能的分析，需要力學;氣象的預測，需要力學；
 
還有…，真是不勝枚舉，可見無論在物理、化學、生物學、醫學及工程等方面，力學都以各種姿態出現，而且扮演相當重要的角色。
 
自然界種種現象的描述，常以力學為本，且因日常生活應用的需要，所以萌芽甚早，遠在力學基本原理被牛頓（Newton）發現之前，人們已與它發生密切關係。
 
如西元前二○○○年，埃及金字塔的建造，就是古人力學應用的傑作。
 
但是種種的應用，大都由於生活經驗累積而發現的，談不上嚴謹的立論。
 
直到十六世紀伽利略（Galilei）在比薩斜塔以實驗證明自由落體定律；
 
十七世紀牛頓綜合前人的成果，發現力學三大基本定律，力學才有突破性的進展。
 
緊接著約翰．柏努利（Johnbernoulli）發現虛功原理；
 
奧衣勒（Euler）建立描述剛體運動的方程式;迪阿勒伯特（D'Alembert）原理的發現，得將動態問題以平衡方法處理；
 
帕松（Poisson）提出移動坐標的觀念;拉格朗（Lagrange）引入能量觀念，建立分析力學的基本方程式；
 
罕米吞（Hamilton）則發現質點或系統係沿作（action）最小的路徑（path）運動；
 
迄十九世紀，總算把古典力學建立起來。
 
另一方面由於應用上的需求，人們也同時對於可變形物體，力的分析加以注意。
 
十七世紀虎克（Hooke）定律的發現，為材料力學發展的先聲，隨後雅各．柏努利（JacobBernoulli）、奧衣勒及拉格朗諸賢對梁柱及板理論的建立，更使這門學科邁進了一大步。
 
十九世紀納維（Navier）、柯西（Cauchy）對彈性平衡方程式的建立，為數理彈性力學奠了基。
 
同時由於帕松、蘭姆（Lame）、楊（Young）桑特（Saint）、文那特（Venant）、克希荷夫（Kirchhoff）、勒夫（Love），及提摩軒柯（Timoshenko）諸賢的貢獻，迄二十世紀，已將這門學科發展得相當完備，且在應用科學方面扮演重要的角色。
 
而流體力學方面，阿基米德（Archimedes）於西元前三世紀發現浮體原理。
 
迄十八世紀，丹尼爾．柏努利（DanielBernoulli）發現能量原理；
 
奧衣勒建立描述非粘性流體運動的方程式；
 
拉格朗提出速度勢（VvelocityPotential）及流函數（StreamFunction）的觀念；
 
於十九世紀中，納維、司脫克司（Stokes）則考慮粘滯性的影響，延伸奧衣勒的理論，而建立描述粘性流體的運動方程式。
 
至十九世紀末，這門學科的發展大都分為實驗與數理推導兩支，而進入本世紀，此兩支的成果才漸漸結合起來，其中貢獻較大者，有波舒利（Poiseuille）圓管中的層流理論；
 
雷諾德（Reynold）辨分管中層流與湍流所需參數的確定；
 
班˙姆赫芝（VonHelmholitz）及凱爾（Kelvin）對渦流理論的貢獻;楚柯夫斯基（Zhukovsky）的水錘（waterharmer）理論；
 
而普朗特（Prandtl）的邊界層理論則將實驗水力學與流體動力學聯繫起來；
 
班˙卡門(VonKarman)則貢獻於空氣動力學；
 
泰勒（Taylor）則甚有功於湍流及其擴散現象了解。
 
以上所言，都是以牛頓力學墓本原理衍展而建立的。
 
本世紀初，人們發覺古典力學既不足以描述天體中，速率與光速相近的星球運動現象，也無法解釋質量與原子相近質點運動的現象時，解釋前者的愛因斯坦（Einstein）相對論及針對後者的量子力學幾乎同時出現。
 
對於量子力學的奠基，除愛因斯坦、波爾（Bohr）外，主要的有海森堡（Heisenberg）、迪布勞伊（deBroglie）、許丁格（Schrodinger）、保利（Pauli）、波恩（Born），及棣拉克（Dirac）等諸賢。
 
一般人常認為懂得數學的人，必是精通力學的，其實不然。
 
數學只是力學的工具，但這工具是不可缺的，它幫助人們將抽象的力學觀念公式化。
 
如微積分、向量分析及變分法提供學古典力學、材料力學及初等流體力學的工具；
 
張量分析、複變函論及偏微分方程理論則為研究彈性力學及流體動力學不可或缺的工具；
 
欲研究近代力學，則除上述工具外，還需線性代數、或然率及泛函分析的知識。
 
上述這些工具都是屬於以解析方法求解所需要的。
 
然而所遭遇的問題若較複雜，求解析的答案愈難，因此常訴之以數解法，再配以電算機的運算，以求得數值近似解。
 
（葉超雄）
 引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=6642

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