1 理论力学的研究对象和内容
理论力学是研究物体机械运动一般规律的科学。
物体在空间的位置随时间的改变, 称为机械运动。机械运动是人们生活和生产实践中最常见的一种运动。平衡是机械运动的特殊情况。
在客观世界中, 存在各种各样的物质运动, 例如, 发热、发光和产生电磁场等物理现象, 化合和分解等化学变化, 以及人的思维活动等。在物质的各种运动形式中, 机械运动是最简单的一种。物质的各种运动形式在一定的条件下可以相互转化, 而且在高级和复杂的运动中, 往往存在着简单的机械运动。
理论力学内容是速度远小于光速的宏观物体的机械运动，它以伽利略和牛顿总结的基本定律为基础，属于古典力学的范畴。至于速度接近于光速的物体和基本粒子的运动， 则必须用相对论和量子力学的观点才能完善地予以解释。宏观物体远小于光速的运动是日常生活及一般工程中最常遇到的,古典力学有着最广泛的应用。理论力学所研究的则是这种运动中最一般、最普遍的规律,是各门力学分支的基础。
包括以下三个部分:
静力学——主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件；同时也研究物体受力的分析方法, 以及力系简化的方法等。
运动学——只从几何的角度来研究物体的运动 (如轨迹、速度和加速度等), 而不研究引起物体运动的物理原因。
动力学——研究受力物体的运动与作用力之间的关系。
2 理论力学的研究方法
研究科学的过程, 就是认识客观世界的过程, 任何正确的科学研究方法, 一定要符合辩证唯物主义的认识论。理论力学也必须遵循这个正确的认识规律进行研究和发展。
- 通过观察生活和生产实践中的各种现象, 进行多次的科学实验, 经过分析、 综合和归纳,总结出力学的最基本的规律。
远在古代,人们为了提水,制造了辘轳；为了搬运重物,使用了杠杆、斜面和滑轮；为了利用风力和水力,制造了风车和水车；等等。人类通过制造和使用这些生活和生产工具,对机械运动有了初步的认识,并积累了大量的经验,经过分析、综合和归纳这些经验, 逐渐形成了如 “力” 和 “力矩” 等基本概念, 以及如 “二力平衡” “杠杆原理” “力的平行四边形法则” 和 “万有引力定律” 等力学的基本规律, 并总结于科学著作中。墨翟(前 468-前 376)所著的《墨经》,是一部我国最早记述有关力学理论的著作。
人们为了认识客观规律, 不仅在生活和生产实践中进行观察和分析, 还要主动地进行实验, 定量地测定机械运动中各因素之间的关系, 找出其内在规律。例如, 伽利略(1564-1642)对自由落体和物体在斜面上的运动做了多次实验,从而推翻了统治多年的错误观点, 并引出 “加速度” 的概念。此外, 如摩擦定律、牛顿三定律等,都是建立在大量实验基础之上的。实验是形成理论的重要基础。
- 在对事物观察和实验的基础上, 经过抽象化建立力学模型, 形成概念, 在基本规律的基础上,经过逻辑推理和数学演绎,建立理论体系。
客观事物都是具体的、复杂的,为找出其共同规律,必须抓住主要因素,舍弃次要因素, 建立抽象化的力学模型。例如, 忽略一般物体的微小变形, 建立在力作用下物体形状、大小均不改变的刚体模型; 抓住不同物体间机械运动的相互限制的主要方面, 建立一些典型的理想约束模型; 为分析复杂的振动现象, 建立弹簧质点的力学模型；等等。这种抽象化、理想化的方法,一方面简化了所研究的问题,另一方面更深刻地反映出事物的本质。当然, 任何抽象化的模型都是相对的。当条件改变时, 必须考虑影响事物的新的因素, 建立新的模型。例如, 在研究物体受外力作用而平衡时, 可以忽略物体形状的改变, 采用刚体模型; 但要分析物体内部的受力状态或解决一些复杂物体系的平衡问题时, 必须考虑物体的变形, 建立弹性体的模型。
生产实践中的问题是复杂的, 不是一些零散的感性知识所能解决的。理论力学成功地运用逻辑推理和数学演绎的方法, 由少量最基本的规律出发, 得到了从多方面揭示机械运动规律的定理、定律和公式,建立了严密而完整的理论体系。这对于理解、掌握及应用理论力学知识都是极为有利的。数学方法在理论力学的发展中起到了重大的作用。近代计算机的发展和普及, 不仅能完成力学问题中大量的繁杂的数值计算, 而且在逻辑推理、公式推导等方面也是极有效的工具。
- 将理论力学的理论用于实践, 在解释世界、改造世界中不断得到验证和发展。
实践是检验真理的唯一标准。实践中所遇到的新问题又是促进理论发展的源泉。古典力学理论在现实生活和工程中, 被大量实践验证为正确, 并在不同领域的实践中得到发展,形成了许多分支,如刚体力学、弹塑性力学、流体力学、生物力学等。大到天体运动, 小到基本粒子的运动, 古典力学理论在实践中又都出现了矛盾,表现出真理的相对性。在新条件下,必须修正原有的理论,建立新的概念,才能正确指导实践,改造世界,并进一步地发展力学理论,形成新的力学分支。
3 学习理论力学的目的
学习理论力学的目的是:
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工程类专业一般都要接触机械运动的问题。有些工程问题可以直接应用理论力学的基本理论去解决; 有些比较复杂的问题, 则需要用理论力学和其他专门知识共同来解决。因此,学习理论力学是为解决工程问题打下一定的基础。
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理论力学是研究力学中最普遍、最基本的规律。很多工程类专业的课程, 例如, 材料力学、机械原理、机械设计、结构力学、弹塑性力学、流体力学、飞行力学、振动理论、断裂力学及许多专业课程等,都要以理论力学知识为基础,所以理论力学是学习一系列后续课程的重要基础。
随着现代科学技术的发展, 力学的研究内容已渗入到其他科学领域, 例如, 固体力学和流体力学的理论被用来研究人体内骨骼的强度, 血液流动的规律, 以及植物中营养的输送问题等, 从而形成了生物力学; 流体力学的理论被用来研究等离子体在磁场中的运动, 从而形成了电磁流体力学; 爆炸力学、物理力学等都是力学和其他学科结合而形成的边缘学科。这些新兴学科的建立都必须以坚实的理论力学知识为基础。
- 理论力学的研究方法, 与其他学科的研究方法有不少相同之处, 因此, 充分理解理论力学的研究方法, 不仅可以深入地掌握这门学科, 而且有助于学习其他科学技术理论, 有助于培养辩证唯物主义世界观, 培养正确的分析问题和解决问题的能力,为今后解决生产实际问题,从事科学研究工作打下基础。