《復(fù)旦光華青少年文庫(kù):力學(xué)與人類(lèi)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(lèi)日常生活和人類(lèi)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(lèi)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(lèi)了解世界、改造世界的重要作用。
《復(fù)旦光華青少年文庫(kù):力學(xué)與人類(lèi)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(lèi)健康與力學(xué),人類(lèi)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。
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(lèi)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(lèi)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
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(lèi)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(lèi)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(lèi)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。
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