力學與人類生活

前言

復旦大學出版社準備出版一套面向中學生的科普圖書，因為近10多年來我們一直在為復旦大學的本科生開設“力學與現(xiàn)代工程”這門公共選修課，并且出版了相關教材，所以出版社范仁梅編輯建議我們把原來的教材修改成一本面向具有初中數(shù)學和物理水平的讀者的有關力學的科普教材。由于之前我們從來沒有專門撰寫過科普讀物，因此感覺做這項工作頗有難度。    力學是一門應用基礎學科，它研究自然界普遍存在的機械運動的普遍規(guī)律，是包括土木工程、機械工程、材料工程、海洋工程、環(huán)境工程、能源工程等在內(nèi)的工程學科的基礎。在21世紀全球經(jīng)濟發(fā)展中，力學同樣扮演著重要角色。著名科學家錢學森曾指出：“展望2l世紀，力學加計算機將成為工程設計的主要手段?！?   力學本身包括的范圍非常廣泛，如包括理論力學、材料力學、結(jié)構力學、斷裂力學、水力學、空氣動力學、生物力學、環(huán)境力學，等等，這些課程即使是力學類專業(yè)的大學學生也都要學習一年時間。因此，考慮到本書所面向的讀者，我們避免引入有關力學的嚴格的邏輯推導和證明，而只是介紹有關課程的一些關鍵和重要的思想和方法，以培養(yǎng)讀者的科學思維、提高讀者的科學素養(yǎng)。我們采用介紹工程實例的萬法，選擇日常的生產(chǎn)和生活中的一些典型的、重要的或者重大的工程問題和熱門話題，如新材料中的碳納米管、環(huán)境保護中關于沙塵暴的監(jiān)測、新型的載人航天器等，通過對這些工程實例的介紹，分析其中所包含的力學原理和方法，從而提高讀者對生活中所蘊含的力學知識和工程問題所基于的力學原理的認知水平。    感謝復旦大學出版社范仁梅編輯在本書出版過程中給予的鼓勵和幫助。由于時間和能力所限，書中的錯誤和不足之處請大家給予批評指正。    作者    2011年7月1日于復旦光華樓

內(nèi)容概要

　　《復旦光華青少年文庫：力學與人類生活》是一本面向中學生的關于科學知識和科學方法的普及讀物，也可以作為力學學科入門的啟蒙教材。為使具有初中數(shù)學和物理水平的讀者能理解那些人類日常生活和人類建設重大工程中所遇到的力學問題，書中不作具體的、系統(tǒng)的理論推導，而是對這些生活小事和工程大事中所包含的一些力學原理進行定性的、深入淺出的介紹和分析，闡明力學的基本概念基本方法，從而引導讀者從力學的視角觀察世界，使讀者初步了解力學這門既古老又朝氣蓬勃、既有系統(tǒng)理論又在人類生活中有著廣泛應用的學科的大致輪廓，理解力學學科對于人類了解世界、改造世界的重要作用。　　《復旦光華青少年文庫：力學與人類生活》共7章，內(nèi)容包括：緒論，力與振動，力學——航空航天的基石，材料工程中的力學，生命、人類健康與力學，人類的生存環(huán)境與力學，能源工業(yè)的核心問題等。全書內(nèi)容緊貼日常生活中的小事和近期社會生活中的一些重要事件，如美國的“911”事件，2008年的汶川大地震，2011年的日本東北大地震和海嘯，以及碳納米管等新材料，等等。資料大部分來源于不列顛大百科全書和中國大百科全書，小部分資料來源于報紙和網(wǎng)絡等媒體。

書籍目錄

第一章  緒論1．1  力學是怎樣的一門學科1．2  歷史的啟迪第二章  力與振動2．1  自由振動2．2  受迫振動和共振2．3  有害振動的防范2．4  地震與海嘯第三章  力學——航天航空的基石3．1  從運動中采集活力：流體動力學3．2  空氣動力學是飛機飛得又快又穩(wěn)的保證3．3  超音速飛行——從夢想到現(xiàn)實3．4  從“阿波羅”登月計劃談火箭3．5  挑戰(zhàn)太空的航天器第四章  材料工程中的力學4．1  材料的功能與力學特性4．2  力學在新材料開發(fā)中的應用第五章  生命、人類健康與力學5．1  心腦血管疾病與血液動力學5．2  肌肉力學與心臟功能5．3  生理流動與醫(yī)學聽診5．4  太空中的生物為什么長不大——應力與生長關系5．5  耳蝸力學第六章  人類的生存環(huán)境與力學6．1  從尼羅河上慘案說起6．2  上海蘇州河的污染與治理6．3  空氣污染第七章  能源工業(yè)的核心問題7．1  全球與中國能源狀況7．2  三次采油與滲流力學7．3  核反應堆力學7．4  磁流體發(fā)電7．5  風力發(fā)電中的力學問題

章節(jié)摘錄

力學是研究力對物體作用的科學。首先，它是所有自然科學的主要部分。近代科學的發(fā)展發(fā)端于牛頓(Newton)對力學定律的闡明，牛頓在建立經(jīng)典力學過程中創(chuàng)造的現(xiàn)代自然科學方法論不僅奠定了科學大廈的基礎，而且始終貫穿著整個自然科學的研究，指導著各門自然科學的發(fā)展。其次，力學又是眾多應用科學特別是工程科學的基礎，它是人類改造自然的工具。當代許多重要工程技術，如：宇航工程、土木工程、機械工程、海洋工程、材料工程、能源工程等都是以力學為基礎的，在這些工程中遇到的許多重大技術難題都是力學問題。不僅如此，力學的定量建模方法還廣泛應用到經(jīng)濟、金融和管理等其他領域。因此，力學已從一門基礎學科發(fā)展成以工程技術為背景的應用基礎學科，當今幾乎所有的工程技術領域都離不開力學，它已滲透到工程技術的各個領域。    力是力學中的最基本概念之一，它是使物體發(fā)生形變或產(chǎn)生加速度的外因。物體受力的作用往往同時產(chǎn)生兩種效應：一種是使物體發(fā)生形變，稱為力的內(nèi)效應；另一種是使物體運動狀態(tài)發(fā)生改變，稱為力的外效應。當一個物體受到另一個物體的力的作用時，無論受力物體是否運動它都會發(fā)生形變，但在研究物體的運動時(如地球受萬有引力作用圍繞太陽運動)其形變通常可以忽略，也就是說不考慮力的內(nèi)效應，這時受力物體稱為剮體。在我們的日常生活中天天都與力打交道，在漢語辭典中有關“力”的詞條多達700多個，如：“力所能及”、“力透紙背”、“聲嘶力竭”等。但直到1687年牛頓才在他的《自然哲學的數(shù)學原理》中給出了力的嚴格科學定義。在牛頓之前的經(jīng)典力學中力只是一種方法論性質(zhì)的工具。但牛頓提出的力是一種定量的概念，它代表剛體質(zhì)量和加速度的乘積，這個正確概念的引進為物理學乃至整個自然科學奠定了理論基礎。在國際單位制中，力學家用N(牛)作為力的單位符號，以紀念這位偉大的先驅(qū)。使質(zhì)量為1kg(千克)的物體產(chǎn)生1m／s2(米／秒2)加速度所需要的力就為1N。工程上，也常用kgf(千克力)來作為力的單位，它表示1kg物體所受的重力，一千克力約等于9．8N。    一部力學發(fā)展史就是人類科學的誕生史。從總的發(fā)展趨勢來看，在牛頓運動定律建立以前，力學的研究主要是積累經(jīng)驗，并在理論和實驗中不斷修正力學概念。從時間史上可分為兩個時期：    (1)古代：從遠古到公元5世紀，人類對力的平衡和運動有了初步了解。    (2)中世紀：從6世紀到16世紀，對力、運動以及它們之間的關系認識也有進展。在這段時期內(nèi)，中國的科學技術水平總體上處于世界領先地位，但力學的知識與概念大多融合在一些工程技術中，缺乏邏輯分析推理。在中國的古代科技文獻中有大量關于力、速度等的描述，但始終沒有“加速度”概念的提煉，因此，在明末宋應星的《天工開物》之后，中國古代的經(jīng)驗力學也宣告終結(jié)。    在牛頓運動定律建立之后，力學的發(fā)展進入現(xiàn)代科學時期，主要有下面4個階段：    從17世紀初到18世紀末，在伽利略建立的加速度概念的基礎上，牛頓建立了經(jīng)典力學并不斷得到完善；    19世紀，力學的各個分支建立，特別是在1832年和1845年納維和斯托克斯等提出了固體力學和流體力學的基本方程后，力學脫離物理學而成為一門獨立學科；    從1900年到1960年，近代力學誕生，并與工程技術關系密切。這段時期新的工程技術發(fā)展較快，原先主要靠經(jīng)驗的辦法跟不上時代了，這就產(chǎn)生了應用力學這門學科。但當時計算工具落后，解決具體工程問題主要靠實驗驗證；    1960年以后是現(xiàn)代力學階段，由于計算機技術的快速發(fā)展，使原來復雜的力學計算成為可能，用力學理論和數(shù)值模擬計算技術解決工程設計問題成為主要途徑。    力學的發(fā)展史也是人類從經(jīng)驗技術上升到科學技術的發(fā)展史。我們可從牛頓建立萬有引力定律的過程來看科學與經(jīng)驗的差別：    1609～1619年，德國科學家開普勒用了10年時間將他的老師第谷(Tych0 Brache)30年辛勤積累的天文觀察數(shù)據(jù)總結(jié)成行星運動的3大定律，指出行星運動的軌跡是一橢圓，而太陽正是橢圓的一個焦點；    1638年，意大利科學家伽利略總結(jié)出了慣性定律，指出自由落體的加速度與其重力成正比；    1659年，荷蘭科學家惠更斯(Huygens)給出動量與能量守恒的早期萌芽形式；    1661年，英國科學家胡克(Hooke)等人提出星體之間相互吸引，提出引力的概念；    1673年，惠更斯再次推導了引力大小與距離平方成反比關系；    1680年以后，牛頓才對引力問題發(fā)生興趣，但這時關于天體力學剩下的關鍵問題只有一個：如果行星在太陽引力作用下運動，并且假設引力與距離平方成反比，那么行星運動的軌跡應該是什么？    當時實驗觀測的結(jié)果是行星運動的軌跡為橢圓(開普勒定律)，但是沒人能回答為什么是橢圓。牛頓在數(shù)學上比別人略高一籌，他掌握了當時最先進的數(shù)學工具——微積分，他從數(shù)學上嚴格證明了在上述條件下行星運動的軌跡一定是橢圓，這與近百年的天文觀察結(jié)果相吻合，并據(jù)此建立了萬有引力定律，完善了經(jīng)典力學的科學體系。    從牛頓建立萬有引力定律的過程中我們發(fā)現(xiàn)，如果沒有前人的工作，牛頓從一個蘋果落地是絕對創(chuàng)造不出來萬有引力定律的。而如果沒有牛頓的系統(tǒng)理論總結(jié)，前人的工作包括開普勒的工作最多只能是經(jīng)驗，是技術，不是科學，也不會有萬有引力的概念，或許也就沒有當今人類引以自豪的航天航空事業(yè)了。牛頓的工作或許只是別人畫龍他點睛，如果從工作量來講，他遠不如第谷的三十年如一日，也不如開普勒的十年磨一劍，他比胡克等人更晚懂得天體運行規(guī)律，甚至他當時在天體力學界或許只是一個小學生，但是，發(fā)現(xiàn)萬有引力的殊榮非牛頓莫屬，這就是科學發(fā)現(xiàn)的機遇，就是科學發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。P1-3

編輯推薦

力學是一門應用基礎學科，它研究自然界普遍存在的機械運動的普遍規(guī)律，是包括土木工程、機械工程、材料工程、海洋工程、環(huán)境工程、能源工程等在內(nèi)的工程學科的基礎。    《力學與人類生活》(作者王盛章、丁光宏)內(nèi)容緊貼日常生活中的小事和近期社會生活中的一些重要事件，如美國的“911”事件，2008年的汶川大地震，2011年的日本東北大地震和海嘯，以及碳納米管等新材料，等等。資料大部分來源于不列顛大百科全書和中國大百科全書，小部分資料來源于報紙和網(wǎng)絡等媒體。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    力學與人類生活 PDF格式下載

---