力學(xué)與人類生活

前言

復(fù)旦大學(xué)出版社準(zhǔn)備出版一套面向中學(xué)生的科普?qǐng)D書(shū)，因?yàn)榻?0多年來(lái)我們一直在為復(fù)旦大學(xué)的本科生開(kāi)設(shè)“力學(xué)與現(xiàn)代工程”這門(mén)公共選修課，并且出版了相關(guān)教材，所以出版社范仁梅編輯建議我們把原來(lái)的教材修改成一本面向具有初中數(shù)學(xué)和物理水平的讀者的有關(guān)力學(xué)的科普教材。由于之前我們從來(lái)沒(méi)有專門(mén)撰寫(xiě)過(guò)科普讀物，因此感覺(jué)做這項(xiàng)工作頗有難度。    力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它研究自然界普遍存在的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，是包括土木工程、機(jī)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(xué)科的基礎(chǔ)。在21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，力學(xué)同樣扮演著重要角色。著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森曾指出：“展望2l世紀(jì)，力學(xué)加計(jì)算機(jī)將成為工程設(shè)計(jì)的主要手段。”    力學(xué)本身包括的范圍非常廣泛，如包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、斷裂力學(xué)、水力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)、環(huán)境力學(xué)，等等，這些課程即使是力學(xué)類專業(yè)的大學(xué)學(xué)生也都要學(xué)習(xí)一年時(shí)間。因此，考慮到本書(shū)所面向的讀者，我們避免引入有關(guān)力學(xué)的嚴(yán)格的邏輯推導(dǎo)和證明，而只是介紹有關(guān)課程的一些關(guān)鍵和重要的思想和方法，以培養(yǎng)讀者的科學(xué)思維、提高讀者的科學(xué)素養(yǎng)。我們采用介紹工程實(shí)例的萬(wàn)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(wèn)題和熱門(mén)話題，如新材料中的碳納米管、環(huán)境保護(hù)中關(guān)于沙塵暴的監(jiān)測(cè)、新型的載人航天器等，通過(guò)對(duì)這些工程實(shí)例的介紹，分析其中所包含的力學(xué)原理和方法，從而提高讀者對(duì)生活中所蘊(yùn)含的力學(xué)知識(shí)和工程問(wèn)題所基于的力學(xué)原理的認(rèn)知水平。    感謝復(fù)旦大學(xué)出版社范仁梅編輯在本書(shū)出版過(guò)程中給予的鼓勵(lì)和幫助。由于時(shí)間和能力所限，書(shū)中的錯(cuò)誤和不足之處請(qǐng)大家給予批評(píng)指正。    作者    2011年7月1日于復(fù)旦光華樓

內(nèi)容概要

　　《復(fù)旦光華青少年文庫(kù)：力學(xué)與人類生活》是一本面向中學(xué)生的關(guān)于科學(xué)知識(shí)和科學(xué)方法的普及讀物，也可以作為力學(xué)學(xué)科入門(mén)的啟蒙教材。為使具有初中數(shù)學(xué)和物理水平的讀者能理解那些人類日常生活和人類建設(shè)重大工程中所遇到的力學(xué)問(wèn)題，書(shū)中不作具體的、系統(tǒng)的理論推導(dǎo)，而是對(duì)這些生活小事和工程大事中所包含的一些力學(xué)原理進(jìn)行定性的、深入淺出的介紹和分析，闡明力學(xué)的基本概念基本方法，從而引導(dǎo)讀者從力學(xué)的視角觀察世界，使讀者初步了解力學(xué)這門(mén)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(yīng)用的學(xué)科的大致輪廓，理解力學(xué)學(xué)科對(duì)于人類了解世界、改造世界的重要作用?！　　稄?fù)旦光華青少年文庫(kù)：力學(xué)與人類生活》共7章，內(nèi)容包括：緒論，力與振動(dòng)，力學(xué)——航空航天的基石，材料工程中的力學(xué)，生命、人類健康與力學(xué)，人類的生存環(huán)境與力學(xué)，能源工業(yè)的核心問(wèn)題等。全書(shū)內(nèi)容緊貼日常生活中的小事和近期社會(huì)生活中的一些重要事件，如美國(guó)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(lái)源于不列顛大百科全書(shū)和中國(guó)大百科全書(shū)，小部分資料來(lái)源于報(bào)紙和網(wǎng)絡(luò)等媒體。

書(shū)籍目錄

第一章  緒論1．1  力學(xué)是怎樣的一門(mén)學(xué)科1．2  歷史的啟迪第二章  力與振動(dòng)2．1  自由振動(dòng)2．2  受迫振動(dòng)和共振2．3  有害振動(dòng)的防范2．4  地震與海嘯第三章  力學(xué)——航天航空的基石3．1  從運(yùn)動(dòng)中采集活力：流體動(dòng)力學(xué)3．2  空氣動(dòng)力學(xué)是飛機(jī)飛得又快又穩(wěn)的保證3．3  超音速飛行——從夢(mèng)想到現(xiàn)實(shí)3．4  從“阿波羅”登月計(jì)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(xué)4．1  材料的功能與力學(xué)特性4．2  力學(xué)在新材料開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用第五章  生命、人類健康與力學(xué)5．1  心腦血管疾病與血液動(dòng)力學(xué)5．2  肌肉力學(xué)與心臟功能5．3  生理流動(dòng)與醫(yī)學(xué)聽(tīng)診5．4  太空中的生物為什么長(zhǎng)不大——應(yīng)力與生長(zhǎng)關(guān)系5．5  耳蝸力學(xué)第六章  人類的生存環(huán)境與力學(xué)6．1  從尼羅河上慘案說(shuō)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(wèn)題7．1  全球與中國(guó)能源狀況7．2  三次采油與滲流力學(xué)7．3  核反應(yīng)堆力學(xué)7．4  磁流體發(fā)電7．5  風(fēng)力發(fā)電中的力學(xué)問(wèn)題

章節(jié)摘錄

力學(xué)是研究力對(duì)物體作用的科學(xué)。首先，它是所有自然科學(xué)的主要部分。近代科學(xué)的發(fā)展發(fā)端于牛頓(Newton)對(duì)力學(xué)定律的闡明，牛頓在建立經(jīng)典力學(xué)過(guò)程中創(chuàng)造的現(xiàn)代自然科學(xué)方法論不僅奠定了科學(xué)大廈的基礎(chǔ)，而且始終貫穿著整個(gè)自然科學(xué)的研究，指導(dǎo)著各門(mén)自然科學(xué)的發(fā)展。其次，力學(xué)又是眾多應(yīng)用科學(xué)特別是工程科學(xué)的基礎(chǔ)，它是人類改造自然的工具。當(dāng)代許多重要工程技術(shù)，如：宇航工程、土木工程、機(jī)械工程、海洋工程、材料工程、能源工程等都是以力學(xué)為基礎(chǔ)的，在這些工程中遇到的許多重大技術(shù)難題都是力學(xué)問(wèn)題。不僅如此，力學(xué)的定量建模方法還廣泛應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)、金融和管理等其他領(lǐng)域。因此，力學(xué)已從一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展成以工程技術(shù)為背景的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，當(dāng)今幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域都離不開(kāi)力學(xué)，它已滲透到工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。    力是力學(xué)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(shí)產(chǎn)生兩種效應(yīng)：一種是使物體發(fā)生形變，稱為力的內(nèi)效應(yīng)；另一種是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，稱為力的外效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)物體受到另一個(gè)物體的力的作用時(shí)，無(wú)論受力物體是否運(yùn)動(dòng)它都會(huì)發(fā)生形變，但在研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)(如地球受萬(wàn)有引力作用圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng))其形變通?？梢院雎?，也就是說(shuō)不考慮力的內(nèi)效應(yīng)，這時(shí)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(yǔ)辭典中有關(guān)“力”的詞條多達(dá)700多個(gè)，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(xué)的數(shù)學(xué)原理》中給出了力的嚴(yán)格科學(xué)定義。在牛頓之前的經(jīng)典力學(xué)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(gè)正確概念的引進(jìn)為物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。在國(guó)際單位制中，力學(xué)家用N(牛)作為力的單位符號(hào)，以紀(jì)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(lái)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(xué)發(fā)展史就是人類科學(xué)的誕生史。從總的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，在牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立以前，力學(xué)的研究主要是積累經(jīng)驗(yàn)，并在理論和實(shí)驗(yàn)中不斷修正力學(xué)概念。從時(shí)間史上可分為兩個(gè)時(shí)期：    (1)古代：從遠(yuǎn)古到公元5世紀(jì)，人類對(duì)力的平衡和運(yùn)動(dòng)有了初步了解。    (2)中世紀(jì)：從6世紀(jì)到16世紀(jì)，對(duì)力、運(yùn)動(dòng)以及它們之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)也有進(jìn)展。在這段時(shí)期內(nèi)，中國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平總體上處于世界領(lǐng)先地位，但力學(xué)的知識(shí)與概念大多融合在一些工程技術(shù)中，缺乏邏輯分析推理。在中國(guó)的古代科技文獻(xiàn)中有大量關(guān)于力、速度等的描述，但始終沒(méi)有“加速度”概念的提煉，因此，在明末宋應(yīng)星的《天工開(kāi)物》之后，中國(guó)古代的經(jīng)驗(yàn)力學(xué)也宣告終結(jié)。    在牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立之后，力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入現(xiàn)代科學(xué)時(shí)期，主要有下面4個(gè)階段：    從17世紀(jì)初到18世紀(jì)末，在伽利略建立的加速度概念的基礎(chǔ)上，牛頓建立了經(jīng)典力學(xué)并不斷得到完善；    19世紀(jì)，力學(xué)的各個(gè)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(xué)和流體力學(xué)的基本方程后，力學(xué)脫離物理學(xué)而成為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科；    從1900年到1960年，近代力學(xué)誕生，并與工程技術(shù)關(guān)系密切。這段時(shí)期新的工程技術(shù)發(fā)展較快，原先主要靠經(jīng)驗(yàn)的辦法跟不上時(shí)代了，這就產(chǎn)生了應(yīng)用力學(xué)這門(mén)學(xué)科。但當(dāng)時(shí)計(jì)算工具落后，解決具體工程問(wèn)題主要靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；    1960年以后是現(xiàn)代力學(xué)階段，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使原來(lái)復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算成為可能，用力學(xué)理論和數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)解決工程設(shè)計(jì)問(wèn)題成為主要途徑。    力學(xué)的發(fā)展史也是人類從經(jīng)驗(yàn)技術(shù)上升到科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史。我們可從牛頓建立萬(wàn)有引力定律的過(guò)程來(lái)看科學(xué)與經(jīng)驗(yàn)的差別：    1609～1619年，德國(guó)科學(xué)家開(kāi)普勒用了10年時(shí)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(yùn)動(dòng)的3大定律，指出行星運(yùn)動(dòng)的軌跡是一橢圓，而太陽(yáng)正是橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)；    1638年，意大利科學(xué)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(xué)家惠更斯(Huygens)給出動(dòng)量與能量守恒的早期萌芽形式；    1661年，英國(guó)科學(xué)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(dǎo)了引力大小與距離平方成反比關(guān)系；    1680年以后，牛頓才對(duì)引力問(wèn)題發(fā)生興趣，但這時(shí)關(guān)于天體力學(xué)剩下的關(guān)鍵問(wèn)題只有一個(gè)：如果行星在太陽(yáng)引力作用下運(yùn)動(dòng)，并且假設(shè)引力與距離平方成反比，那么行星運(yùn)動(dòng)的軌跡應(yīng)該是什么？    當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果是行星運(yùn)動(dòng)的軌跡為橢圓(開(kāi)普勒定律)，但是沒(méi)人能回答為什么是橢圓。牛頓在數(shù)學(xué)上比別人略高一籌，他掌握了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具——微積分，他從數(shù)學(xué)上嚴(yán)格證明了在上述條件下行星運(yùn)動(dòng)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(wàn)有引力定律，完善了經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)體系。    從牛頓建立萬(wàn)有引力定律的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有前人的工作，牛頓從一個(gè)蘋(píng)果落地是絕對(duì)創(chuàng)造不出來(lái)萬(wàn)有引力定律的。而如果沒(méi)有牛頓的系統(tǒng)理論總結(jié)，前人的工作包括開(kāi)普勒的工作最多只能是經(jīng)驗(yàn)，是技術(shù)，不是科學(xué)，也不會(huì)有萬(wàn)有引力的概念，或許也就沒(méi)有當(dāng)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(huà)龍他點(diǎn)睛，如果從工作量來(lái)講，他遠(yuǎn)不如第谷的三十年如一日，也不如開(kāi)普勒的十年磨一劍，他比胡克等人更晚懂得天體運(yùn)行規(guī)律，甚至他當(dāng)時(shí)在天體力學(xué)界或許只是一個(gè)小學(xué)生，但是，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力的殊榮非牛頓莫屬，這就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)遇，就是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。P1-3

編輯推薦

力學(xué)是一門(mén)應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它研究自然界普遍存在的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律，是包括土木工程、機(jī)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(xué)科的基礎(chǔ)。    《力學(xué)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(huì)生活中的一些重要事件，如美國(guó)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(lái)源于不列顛大百科全書(shū)和中國(guó)大百科全書(shū)，小部分資料來(lái)源于報(bào)紙和網(wǎng)絡(luò)等媒體。

圖書(shū)封面

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    力學(xué)與人類生活 PDF格式下載

---