动力学机制
动力学的研究是基于牛顿运动定律;牛顿运动定律是以实验为基础的。动力学是牛顿力学或经典力学的一部分,但自20世纪以来,它往往被理解为力学的一个分支,侧重于工程技术的应用。
动力学发展简史
力学的发展,从阐述最简单的物体平衡定律,到建立普遍运动定律,经历了大约二十个世纪。前人积累的大量力学知识,对后来的动力学研究,特别是天文学家哥白尼和开普勒的宇宙学研究起到了重要作用。
17世纪初,意大利物理学家、天文学家伽利略通过实验揭示了物质的惯性原理,通过物体在光滑斜坡上的加速滑动实验揭示了等加速度运动规律,认识到近地面重力加速度值不随物体质量变化,近似为常数,进而研究了抛射体运动和质点运动的普遍规律。伽利略的研究开创了一种被后世广泛使用的研究方法,从实验入手,用实验验证理论结果。
17世纪,英国伟大科学家牛顿和德国数学家莱布尼茨建立的微积分将动力学的研究带入了一个全新的时代。牛顿在1687年出版的巨著《自然哲学的数学原理》中明确提出了惯性定律、质点运动定律、作用力与反作用力定律、力的独立作用定律。他在寻找落体和天体的成因时发现了万有引力定律,并以此为基础推导出开普勒定律,验证了月球绕地球公转的向心加速度与重力加速度的关系,解释了地球上的潮汐现象,建立了非常严格完善的力学定律体系。
动力学以牛顿第二定律为中心,指出了力、加速度和质量之间的关系。牛顿首先引入了质量的概念,并将其与物体的引力区分开来,说明物体的引力只是地球的引力。作用和反作用定律确立后,人们开始研究粒子动力学。
牛顿的力学工作和微积分工作是分不开的。从此,动力学成为一门以实验、观察和数学分析为基础的严谨科学,从而奠定了现代力学的基础。
17世纪荷兰科学家惠更斯,通过观察钟摆,获得了地球引力的加速度,建立了钟摆的运动方程。惠更斯在研究圆锥摆时建立了离心力的概念;此外,他还提出了转动惯量的概念。
100牛顿定律发表后,法国数学家拉格朗日建立了可以应用于完整系统的拉格朗日方程。这组方程在力和加速度的形式上不同于牛顿第二定律,而是用广义坐标为自变量的拉格朗日函数表示。拉格朗日系统比牛顿定律更便于研究某些类型的问题(如小振荡理论和刚体动力学)。
刚体的概念是由欧拉提出的。18世纪瑞士学者欧拉将牛顿第二定律推广到刚体。他用三个欧拉角来表示刚体绕固定点的角位移,定义了转动惯量,导出了刚体在固定点转动的运动微分方程。这样,完整地建立了六自由度刚体的一般运动方程。对于刚体来说,内力所做的功之和为零。因此,刚体动力学成为研究一般固体运动的近似理论。
1755年,欧拉建立了理想流体的动力学方程。在1758伯努利得到了沿流线的能量积分(称为伯努利方程);在1822中,纳维尔得到了不可压缩流体的动力学方程。1855徐红牛研究连续介质中的冲击波。这样,动力学就渗透到了物质各种形态的领域。比如在弹性力学中,由于需要研究碰撞、振动、弹性波传播等问题,建立了弹性动力学,可以应用于地震波传播的研究。
19世纪英国数学家汉密尔顿用变分原理导出了汉密尔顿正则方程。该方程是以广义坐标和广义动量为变量,用哈密顿函数表示的一阶方程组,其形式是对称的。用正则方程描述运动形成的系统称为哈密顿系统或哈密顿动力学,是经典统计力学的基础,也是量子力学的一个例子。哈密顿系统适用于摄动理论,如天体力学的摄动问题,对理解复杂机械系统运动的一般性质有重要作用。
拉格朗日动力学和哈密顿动力学所依据的力学原理与经典力学范畴中的牛顿是等价的,只是研究途径或方法不同。直接应用牛顿方程的力学系统有时被称为矢量力学;拉格朗日和汉密尔顿的动力学称为分析力学。
动力学的基本内容
动力学的基本内容包括质点动力学、质点系统动力学、刚体动力学和达朗贝尔原理。在动力学基础上发展起来的应用学科有天体力学、振动理论、运动稳定性理论、陀螺力学、外弹道学、变质量力学以及正在发展的多刚体系统动力学。
粒子动力学有两个基本问题:一是知道一个粒子的运动,求出作用在它上面的力;二是知道作用在质点上的力,求质点的运动。在求解第一类问题时,我们只需要对质点的运动方程取二阶导数,就可以得到质点的加速度,代入牛顿第二定律就可以得到力。在求解第二类问题时,需要求解质点运动微分方程或得到积分。
动力学一般定理是粒子系统动力学的基本定理,它包括动量定理、动量矩定理、动能定理以及由这三个基本定理导出的其他定理。动量、动量矩和动能是描述粒子、粒子系统和刚体运动的基本物理量。作用在力学模型上的力或力矩与这些物理量之间的关系构成了动力学的一般定理。
刚体的特点是其质点间的距离不变。欧拉动力学方程是刚体动力学的基本方程,刚体定点转动动力学是动力学中的经典理论。陀螺力学的形成表明,刚体动力学在工程技术中的应用意义重大。多刚体系统动力学是20世纪60年代以来新技术发展形成的新分支,其研究方法不同于经典理论。
达朗贝尔原理是研究非自由粒子系统动力学的普遍而有效的方法。这种方法是在牛顿运动定律的基础上引入惯性力的概念,从而用静力学中研究平衡的方法来研究动力学中的不平衡,所以也叫动静法。
动力学的应用
动力学的研究使人们能够掌握物体的运动规律,更好地为人类服务。比如牛顿发现了万有引力定律,解释了开普勒定律,为现代星际航行开辟了道路,发射飞船考察月球、火星、金星等等。
自20世纪初相对论问世以来,牛顿力学中的时空概念和其他力学量的基本概念发生了很大的变化。实验结果还表明,当物体速度接近光速时,经典动力学完全不适用。但在工程等实际问题中,宏观物体的速度远小于光速,用牛顿力学研究不仅足够精确,而且比相对论计算简单得多。因此,经典动力学仍然是解决实际工程问题的基础。
在目前研究的机械系统中,需要考虑的因素越来越多,如变质量、非积分、非线性、非保守性、反馈控制、随机因素等。,使得运动微分方程越来越复杂,能正确解决的问题越来越少。许多动力学问题需要通过数值计算来近似求解。微型、高速、大容量电子计算机的应用解决了复杂的计算难题。
目前动力系统的研究领域还在不断拓展,如加入热和电成为系统动力学;增加生命系统的活性成为生物动力学等。,使动力学在深度和广度上进一步发展。