《復(fù)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(guān)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(shè)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(dǎo),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(dǎo)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(yīng)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(fù)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(luò)等媒體。
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(yīng)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(yīng)力與生長關(guān)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(yīng)堆力學
7.4 磁流體發(fā)電
7.5 風力發(fā)電中的力學問題
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(chǔ),而且始終貫穿著整個自然科學的研究,指導(dǎo)著各門自然科學的發(fā)展。其次,力學又是眾多應(yīng)用科學特別是工程科學的基礎(chǔ),它是人類改造自然的工具。當代許多重要工程技術(shù),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(chǔ)的,在這些工程中遇到的許多重大技術(shù)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(yīng)用到經(jīng)濟、金融和管理等其他領(lǐng)域。因此,力學已從一門基礎(chǔ)學科發(fā)展成以工程技術(shù)為背景的應(yīng)用基礎(chǔ)學科,當今幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域都離不開力學,它已滲透到工程技術(shù)的各個領(lǐng)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(yīng):一種是使物體發(fā)生形變,稱為力的內(nèi)效應(yīng);另一種是使物體運動狀態(tài)發(fā)生改變,稱為力的外效應(yīng)。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(yīng),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(guān)“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(chǔ)。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(guān)系認識也有進展。在這段時期內(nèi),中國的科學技術(shù)水平總體上處于世界領(lǐng)先地位,但力學的知識與概念大多融合在一些工程技術(shù)中,缺乏邏輯分析推理。在中國的古代科技文獻中有大量關(guān)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(yīng)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(chǔ)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(shù)關(guān)系密切。這段時期新的工程技術(shù)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(yīng)用力學這門學科。
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