用户名:
密  码:
学生    教师
欢迎光临理论力学教学网
 
 

理论力学主页>>>力学园地>>>力学家简介

牛 顿 | 达朗贝尔 | 拉格朗日 | 欧 拉 | 周培源 | 钱学森

      整个力学发展历史,大致可以分为三个阶段。从力学本身发展内部去寻找划分时期的标志,这三个阶段以两个历史事件来分开的:1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》发表,与1900年普朗克的量子力学与随后1905年爱因斯坦的狭义相对论的提出。这两件事,引起了整个自然科学的两次革命。
  在1687年之前,力学的发展,是以积累资料为主要特征。而且最主要的资料是天文观测资料,另外还有静力学知识的积累与完善。在这个时期力学、数学、天文学、物理学乃至哲学的研究者,都是同一批人。所以我们在写力学史时不可能将力学同天文学、数学分开来写。
  1900年之前,由于在牛顿《自然哲学的数学原理》中动力学的原理已经建立,这一阶段力学研究的主要内容是:寻求力学一般原理的不同形式以及不同条件下的一般原理;将一般原理推广应用于各种不同的复杂情形,如约束运动、流体运动、固体的变形刚体运动、振动与波动运动的方程等;求解所得到的运动方程,给出各种条件下的特解,或研究带普遍意义的求解方法;回答工业生产中提出的实际工程问题。但是,经典力学的发展也越来越暴露出它对某些问题的失败与内在矛盾,从而导致相对论的诞生。在这一阶段,力学家、物理学家、天文学家、数学家虽然稍有分工,但基本上还是同一批人。
  1900年量子论与相对论相继产生,标志着物理学与力学的分家。从此力学分工解决宏观世界的问题,而物理学分工专门从事微观世界的研究,力学家与物理学家、天文学家、数学家便分道扬镳了。这一阶段力学学科的研究特点是,由于力学的基本理论部分在许多方面已经趋于成熟,理论难题仅有像湍流、强度等少数课题,所以理论力学与应用力学相比,应用力学的研究队伍占较大的比重。这同第二阶段形成鲜明的对比。在那时,在整个力学学科的研究队伍中,理论力学的比重相对于现今来说也大多了。

TOP


◆ 牛 顿

      牛顿(Isac Newton,1642-1727)出生于林肯郡伍尔索朴城的一个中等农户家中。在他出生之前父亲即去世,他不到三岁时母亲改嫁了,他不得不靠他的外祖母养大。从小的这种境遇使他的性格有点怪,对人尖刻而又多疑。他在12岁的时候入当地一所普通中学读书。他学习拔尖,在课余能做些机械玩具与机械模型。他曾为当地造过一只水钟,一直到他离开那里时还在使用,他在这段时间制做的日晷直到现在还保存着。

      牛顿的母亲二次结婚后继父又去世了。于是牛顿失学回家帮助管理农庄。然而他对这些事没有兴趣,就又回到学校,后来进人剑桥大学。

      1661年牛顿进入了剑桥大学的三一学院,1665年获文学学士学位。在大学期间他全面掌握了当时的数学和光学。1665-1666的两年期间,剑桥流行黑热病,学校暂时停办,他躲避瘟疫回到老家。这段时间中他发现了二项式定律,据他自己说还想到了流数法即后来的微分学,开始了光学中的颜色实验,即白光由7种色光构成的实验,而且由于一次躺在树下看到苹果落地开始思索地心引力问题。1669年,他的老师和亲密的朋友巴罗(Isaac Barrow,1630-167 7)辞去卢卡辛数学讲座,26岁的牛顿受聘继任了这个职位。在30岁时,牛顿被选为皇家学会的会员,这是当时英国的最高科学荣誉。

      牛顿在光学上的主要贡献是发现了太阳光是由7种不同颜色的光合成的,他提出了光的微粒说。他的微粒说与惠更斯的波动说,形成光的本质问题的争论,一直延续了数百年。牛顿发明了反射式望远镜。

      牛顿在数学上的主要贡献是与莱布尼兹各自独立地发明了微积分,给出了二项式定理。

      牛顿在力学上最重要的贡献,也是牛顿对整个自然科学的最重要的贡献是他的巨著《自然哲学的数学原理》(简称〈原理〉)。这本书出版于1687年,书中提出了万有引力理论并且系统总结了前人对动力学的研究成果,后人将这本书所总结的经典力学系统称为牛顿力学。

      在科学史上牛顿是一个迷恋学术、不拘小节的典型。有的传记作家描写他是:“从不作任何娱乐和消遣,他不骑马外出换换空气,不散步,不玩球,也不作其他任何运动,认为不花在研究上的时间都是损失。”他常常工作到后半夜,往往忘记吃饭,生活上也不修边幅。当他沉缅于学术问题时,甚至糊涂到嘱咐仆人给同一个窝里的一大一小的两只猫各开一个洞。

      由于牛顿的脾气乖僻,不善于同人相处,牛顿终生未娶。

      牛顿出生于基督教的家庭,他是一位虔诚的教徒,在完成了《原理》之后,便一直从事《圣经》的研究,有关这方面的著作手稿有150万字之多,绝大部分没有出版。

      牛顿还卷人了一场与莱布尼兹关于微积分的发明权的论争,牛顿竟然默许莱布尼兹是剽窃者,说明他对自己的发现有强烈独占的情绪。事实上,微积分最早的论文是莱布尼兹1684年发表的,比牛顿的《原理》早了3年。

      50岁以后,牛顿对学术问题就不太感兴趣了,而把兴趣放在多赚钱上。有人推荐他去担任伦敦的一所贵族的上流学校的校长,牛顿以“每年不过是200镑,还得每天关在伦敦不出去。”为理由谢绝了。他于1696年,先被任命为造币局的知事,后又成为经理,之后他就真心实意地去赚钱了。除了赚钱之外,牛顿的晚年还对炼金术和神学感兴趣。

TOP


◆ 达朗贝尔

      达朗贝尔(Jean le Rond d’Alembert,1717—1783 )是法国人,他是在教堂台阶上的一个弃婴。Jean le Rond就是教堂的名字,养育他的父母姓d’Alembert。他在成年后,便离开了他的养母。他的养母派人找到了他,他说:“你是我的后母,装玻璃工人的妻子才是我的真正母亲。”他是一位哲学家、数学家、天文学家、力学家。他还是当时法国百科全书派的主将。

      1743年,仅26岁的达朗贝尔发表了《论动力学》一书。本书可以说是力学发展史上的一块里程碑。如果牛顿的《自然哲学的数学原理》是讨论自由物体的运动的话,那么这本书则是开讨论约束物体运动的先河。书中综述了虚速度原理。

      达朗贝尔先从单摆和复摆的运动说起,他将作用于物体上的力分为外力(外加力)和质点间的内部反作用(即现今称的约束力)两类。

      达朗贝尔假定:就整个物体而言,内部反作用互相抵消了,因而对运动没有任何贡献,而事实上另一组力把运动传递给该系统,使得有效力静态地等于外力或外加力。达朗贝尔在这里说的“有效力”即是惯性力。后来达朗贝尔用它去处理了一端悬挂的杆。

      达朗贝尔在力学上还有许多重要工作,主要有:

        [1] 1744年发表《流体的平衡和运动教程》其中应用达朗贝尔原理处理了一些问题。

        [2] 1747年发表《弦的振动的研究》,将他发展的关于偏微分方程理论用于研究弦振动。

        [3] 1749年,他研究了任意形状物体的运动,并用以解释地球运动的章动(岁差)。

        [4] 1752年他讨论了流体的阻力,提出所谓达朗贝尔佯谬,指出按理论与实验得到的阻力有显著差别,即理想流体上的阻力为零。这个问题长期没有解决,之后到黏性流体理论中才得到解决。

        [5] 1761-1781年间出版了《数学手册》,1746年任《百科全书》的副主编。

      达朗贝尔原理第一次将动力学与静力学按统一观点来处理。它与最小作用量原理一起为分析力学的发展奠定了基础。

TOP


◆ 拉格朗日

      拉格朗日(Joseph Louis Lagrange,1736-1813)是数学和力学史上的一位重要人物。他的一生可分为三个时期,即早期在意大利的都灵(1736-1766),中期在普鲁士的柏林(1766-1787),后期在法国的巴黎(1787—1813)。

      都灵是他的出生地,他很早就锋芒毕露。他在18岁时开始写论文。在都灵最重要的事件是他1755年致信欧拉参加关于变分原理的讨论,给出了求泛函极值的分析方法。此工作为欧拉所赏识,使他一举成名。据说他19岁时(一说是16岁时)被聘为都灵皇家炮兵学院的数学教授。这位还带几分孩子气的教授上课时,听课的学生都比他年龄大。

      拉格朗日在21岁时,以他为首的一批青年组成了都灵科学协会,并创办了一本杂志(1759年出版),杂志的前三卷大部分登的是拉格朗日的论文。大约从19岁开始,当他介入变分法的讨论时他便开始了《分析力学》的构思。拉格朗日有一度写信给达朗贝尔,表示要放弃数学。达朗贝尔复信劝告他说:“看在上帝的面上,不要放弃工作。工作对于你是一切消遣中最有效的消遣。再见吧,也许这是最后一次了,多少记住这个在世界上最爱护你、最尊 敬你的人吧。”

      1766年,欧拉应聘彼得堡科学院而要离开柏林普鲁士科学院,他举荐拉格朗日接替自己。从此拉格朗日成为该院数学部主任。这一段是他一生创作的鼎盛期。他在三体问题、行星运动、流体力学、微分方程、数论、概率论等方面都作出了重要贡献。

      1787年,他来到巴黎科学院,他在这里出版了《分析力学》,并且参加了法国大革命后科学院成立的度量衡委员会的工作。

      拉格朗日曾结过两次婚,没有于女。

      1813年4月10日,拉格朗日去世了,他在弥留之际所说的最后的话是:“我过完了我的一生,我在数学中得到了一些名声。我从不恨任何人,我没有作过什么坏事,死会是很好的;但是我的妻子不希望我死”他就这样坦然地离开人世。拿破仑称赞他是“数学学科高耸的金字塔”。他去世后近二百年来,现代科学技术的发展愈来愈证明他开拓的分析力学的重要,无论从数学上还是从力学上它仍然是人们进入现代科学必要掌握的篇章。

      拉格朗日在他19岁时便开始构筑《分析力学》的框架,直到1782年他写给法国数学家拉普拉斯的信中才宣告《分析力学》完稿,其间经过了长达30多年的历程。当时刚刚从政,在法国当了大官的大数学家拉普拉斯帮助安排在法国出版这本书,大数学家勒让得(Legendre)担任了这本书的编辑。到1788年正式出版。之后拉格朗日对这本书又作了补充和修改,在1816年,拉格朗日去世后三年第二版出版了。

      这本书的第二版共分为两卷,有785页之多。第一卷的一半是静力学,主要讨论质点组和流体的平衡问题,第一卷的后一半和第二卷是讨论动力学的,动力学共分13章。

TOP


◆ 欧 拉

      欧拉(Leonhard Euler,1707—1783)是一位通于数学、力学、天文学,在各方面都有重要贡献的瑞士科学家。他青年时代曾就学于伯努利家族,1723年得到硕士学位。在18岁之后他便开始了独立研究工作。欧拉在1726年受到彼得堡科学院的邀请去俄国讲学,1730年主持物理讲座,1733年成为彼得堡科学院院士。1741—1766年,他在柏林科学院工作,1766又到俄国。1738年,欧拉右眼失明,到晚年,在1776年之后,双目失明。欧拉有很好的记忆力而又善于心算,据说他有两个学生同时计算一个复杂的级数的和,在第17项的第50位数字上两个结果不一致,而欧拉用心算做出了全部运算,答案正确。

      欧拉可以说是科学上的一位通才。在数学中,他是分析、拓扑、代数等数学分支的开拓者。在力学中,他又是一般力学、固体力学、流体力学三个方向的开拓者。在天文学方面,他又研究过行星与月球的运动。在自然科学中,至今以欧拉命名的重要成果有数十项之多。如:刚体运动的欧拉方程;刚体运动中欧拉可积情形;理想流体运动的欧拉方程;固体力学中的欧拉弹性线、欧拉临界载荷;复数中的欧拉公式;描述刚体运动状态的欧拉角;拓扑中平面图形的欧拉公式(面数-边数十节点数=2);关于调和级数求和的欧拉常数;在变分学中求泛函极值的欧拉方程;近似以数值求解常微分方程的欧拉折线法;在计算不定积分中的欧拉积分与欧拉变换;在常微分方程中一种可积的欧拉方程(即方程)等等不一而足。

      欧拉是一位多产的科学家,他一生写过800多篇论文。他对力学的贡献反映在1736年出版的他的《力学或运动科学的分析解说》(两卷本)和1765年出版的《刚体运动理论》两部书以及其他一系列论文中。

      欧拉在刚体力学中的主要贡献是关于刚体绕固定点运动的一般方程的建立,刚体绕固定点运动的一种可积情形的求解以及质心运动的一些定理。在刚体的一般运动中,可以分解为刚体的质心在外力合力的作用下的运动,以及在外力对质心的矩的作用下刚体绕这点的运动。

      1760年,欧拉首先引进了欧拉角来描述刚体绕定点转动。欧拉在转动的刚体上取一个坐标系。与空间的固定坐标系,两个坐标系具有共同的原点。令平面与平面的交线为,则规定轴与轴的夹角为,轴与之间的夹角为,与轴之间的夹角为。这三个角给定了则唯一地确定了刚体的位置,它们分别被称为章动角、进动角和自转角,合起来称为欧拉角。随后,欧拉给出了刚体绕固定点运动的一般方程。

      拉格朗日对欧拉的工作评价很高,他说:“欧拉的发现,使全部流体力学问题归结于数学分析问题。而一旦方程可以积分,则对所有的外力、所有外部环境之下的流动性质就可以确定。可惜求解它是十分困难的,至今只有在十分特殊情形是成功的。”

      值得注意的是,欧拉在处理流体运动时,采用考察空间固定位置的微团变化。这种观点在后来200年中,处理变形体力学时一直被称为欧拉观点,或者欧拉法。它区别于把目光跟定一个运动的物质微团的方法,这后一种方法也被称为拉格朗日观点,或者拉格朗日法。

      伽利略与伯努利对梁都有过研究,但是他们研究的主要兴趣在梁的强度。欧拉与他们不同,对弹性线的兴趣主要在于研究变形,欧拉不是像前人一样从工程应用的角度探讨,而是从数学家的兴趣出发研究。他利用了伯努利的结果:在每一点,杆轴的挠曲率与这一点弯矩成正比例。不过他的推导并不与伯努利相同,他采用了变分法。他在1744年的论文《曲线的变分法》中得到的结论是:“如果这根板条是等截面和富于弹性的,而且在自然状态下是伸直的,那么挠曲线必然可以由积分取极小值来得到。”

      欧拉还讨论了大变形问题、变截面梁的问题和具有初始曲率杆的问题等。

TOP


◆ 周培源

      周培源(1902—1993,11,24)出生于江苏宜兴县的一个书香之家。1919年进入清华学校的中等科,于1924年毕业于高等科。于同年被选派赴美在芝加哥大学学习,并于1926年获学土与硕士学位。他是辛亥革命之后我国较早派出的留学生之一。在早期的留学生中学工的占大多数,学理科的是少数,而学理科的又是学实验物理的占多数,像周培源这样学理论物理的,真是凤毛麟角。

      周培源1927年在美国加利福尼亚大学攻读,并于1928年获得博士学位。1928年赴德莱比锡大学在海森伯(W.K.Heisenberg)教授领导下工作,1929年转赴瑞士苏黎世高等工业学校在泡利(S.Pauli)领导下从事量子力学的研究。同年回国,年仅27岁的周培源被聘为清华大学物理系的教授。1936年周培源再次赴美,曾参加爱因斯坦领导下的广义相对论讨论班,研究引力论与宇宙论。

      周培源数十年从事教学,他培养了数代知名学者与数以千计的物理与力学专门人才。国内早期从事理论物理的人很少,他在清华大学时,理论力学、量子力学、相对论等课门门都不得不由他一人来上,后来这些课逐步交给他的学生去教。国内外物理界与力学界的许多著名学者如彭桓武、胡宁、王竹溪、钱三强、林家翘、于光远等都曾经受业先生门下。他是当之无愧的一代宗师。

      他曾任清华大学与北京大学教务长、北京大学副校长、校长。中国科学院副院长、中国科学技术协会主席、中国物理学会理事长、中国力学学会副理事长。他还是我国最早的国际理论与应用力学联合会的理事。

      周培源的科学研究方面,集毕生的精力于两个力学与理论物理的最难的问题:湍流与广义相对论。在两个领域中都取得世人注目的成就。

      广义相对论在物理上取得了许多辉煌成就,但从一开始就存在着一个困难,即表达引力场的方程是一个包含10个二阶非线性偏微分方程的方程组,10个方程之间又有4个独立的非线性偏微分的恒等式(Bianchi恒等式),就是说只用引力方程得不到10个引力函数的确定解。周培源主张另外引进物理条件求解,在20、30年代他用这种办法得到了轴对称静态引力场的若干解。70年代他与他的学生们把严格的谐和条件作为一类物理条件从而得到了一系列的新的解。周培源在广义相对论方面在国际上是以“坐标有关论”而独树一帜。

      在湍流领域,他最早(1940年)从雷诺方程导出了二阶与三阶关联函数所满足的动力学方程组。后来他又于1945年提出了两种求解这组方程的办法。他的这些工作被国际上誉为“湍流模式理论的基础”。50年代以后,他与学生们解决了湍流衰变期的二元与三元关联函数。70年代他又提出了湍流中“准相似”的概念。这些工作后来都得到实验证实。

      在“文化大革命”的那场浩劫中,当“理科无用论”盛行时,周培源是知识分子中敢于顶这股邪风的中流服柱。1972年周培源先在高教部理科座谈会上发言,后在《人民日报》上发表了《对综合大学理科教育革命的一些看法》,又直接上书周恩来陈述应当重视基础理论的主张,并且提出关于如何加强基础理论研究的建议。例如他列举牛顿力学当年并不是为了直接解决生产问题而是解决行星的运行问题的,他还举早先发展核物理的理论研究后来才有核工程的出现,用来说明理论研究的重要性。他的这些中肯意见却受到了批判,批判他的人把他的论点歪曲为科学研究的选题要考虑“三百年后用得上”,然后在全国性的刊物上大加讨伐。周培源没有被批倒,他那刚直不阿的形象深深留在知识分子心中。

      如果说科学精神就是执着地追求真理、坚持真理解卫真理,那么周培源教授的一生就是这种执着精神的写照。他在晚年曾经这样来总结自己的一生:“独立思考、实事求是、楔而不舍、以勤补拙。”

TOP


◆ 钱学森

      钱学森(1901)出生于上海,自幼随父在北京接受初等与中等教育。1929年中学毕业后他考人上海交通大学。1934年在交通大学毕业后,考取了清华大学的公费留学。1935年赴美在麻省理工学院航空系学习,1936年转学到加州理工学院师从冯·卡门学习力学。1939年6月钱学森以《高速空气动力学》为题的论文获得博士学位。后来成为冯·卡门的助手留校工作。1942年美国军方委托加州理工大学举办喷气技术训练班,钱学森是教员之一,与美国陆海空军人员有了接触,后来美国从事火箭导弹工作的军官中有不少是他的学生。1945年在冯·卡门的推荐下,钱学森被美国空军聘为科学咨询团成员。同年5月二次世界大战结束前,钱学森随团去欧洲考察英、德、法的火箭技术发展。这时他被定为副教授。

      1946年钱学森转到麻省理工学院,次年升为教授。1948年后,钱学森加紧了回国的准备,其间他曾受到美国当局的怀疑与迫害。经过不断努力,又经过中华人民共和国的外交交涉,钱学森终于在1955年回国。

      钱学森回国后历任中国科学院力学研究所所长、中国力学学会第一届理事会理事长、1958年任中国科技大学近代力学系系主任、1965年任第七机械工业部副部长、1970年任国防科学技术委员会副主任、中国科学技术协会主席等职。

      钱学森是著名的力学家、航空专家与火箭专家。作为力学家,他在流体力学、固体力学、一般力学方面都有重要贡献。作为航空与航天专家,他在空气动力学,飞机火箭有关的结构力学、飞行控制方面都是造诣很深的专家。他是一位有多方面才能的学者。他是中国研制火箭、导弹与航天事业的开拓者。

      1956年10月,在聂荣臻元帅主持下经过钱学森组建的、以研制导弹为重任的国防部第五研究院宣告成立,钱学森为分配来的156名大学毕业生开始了《导弹概论》的培训课。后来这批学员成了中国研制火箭、导弹的骨干力量。1960年成功发射了近程导弹,1964年发射成功了中近程导弹,1966年中近程导弹与原子弹的联合发射成功,1970年4月24日中国的第一颗人造卫星成功发射,这些无一不包含着钱学森的学识、智慧与辛勤劳动。

      在力学的科学研究方面,由于钱学森的涉猎很广,要想在短短的篇幅中全面介绍是不可能的。

      在科学技术上,超前的眼光是科学家最可宝贵的素质,纵观钱学森一生所涉猎过的研究选题,人们可以有一个深刻的印象。在飞机还在低速飞行时,从30年代起,他选择考虑空气的可压缩性、跨声速、超音速空气动力学课题并且得到了像被称为卡门一钱方法等那样的重要成果。当人们大多在探讨弹性结构的线性理论时,他却从事薄壳的非线性稳定性理论的研究,取得了这方面的开创性的成果。他参加了火箭技术的早期探索研究。他最早用指导控制与制导的一般眼光,并且探求它的普遍原理与方法,写出了《工程控制论》于1954年出版。此外他还提出应当重视物理力学、系统科学研究的有益见解。

      由于钱学森的科学技术贡献,1991年10月16日国务院、中央军委授予他“国家杰出贡献科学家”的荣誉称号。

TOP


 

 

 
 
电话:(025)84892003
E-mail:jpchen@nuaa.edu.cn
Copyright © 2007   南京航空航天大学力学教研中心 版权所有