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力學

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力學不是物理學的一個分支,主要研究能量以及它們與物體的平衡、變形或運動的關係。

力學分支圖。

發展歷史[編輯]

人們在日常勞動中使用槓桿、打水器具等等,逐漸認識物體受力,及平衡的情況。古希臘時代阿基米德曾對槓桿平衡、物體重心位置、物體在中受到的浮力等,作了系統研究,確定它們的基本規律,初步奠定了靜力學,即平衡理論的基礎。

文藝復興以降,科學革命興起,伽利略自由落體運動規律,以及牛頓運動定律皆奠定了動力學的基礎。力學從此開始成為一門科學。此後彈性力學流體力學基本方程的建立,使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。到20世紀初,在流體力學固體力學中,實際應用跟數學理論的互相結合,使力學蓬勃起來,創立了許多新理論,同時也解決了工程技術中大量關鍵性問題。

古典力學及量子力學[編輯]

力學主要可分為古典力學量子力學

若以發現的時間來看,古典力學較早被發現,啟源於牛頓運動定律,量子力學則是20世紀初才由許多科學家所創立。

古典力學主要研究低速或靜止的宏觀物體。開普勒伽利略,尤其是牛頓是古典力學的奠基人。

量子力學應用範圍較廣,不過主要是針對微觀的物質。根據對應原理,量子數相當大的量子系統可以用古典力學來描述,因此量子力學及古典力學不會衝突。量子力學可以解釋及預測分子、原子及基本粒子的許多行為。不過針對一般常見的巨觀系統,若配合量子力學會複雜到無法處理,因此仍然用古典力學的方式處理。

相對論及牛頓力學[編輯]

量子力學將力學延伸到古典力學以外的範圍,而愛因斯坦廣義相對論狹義相對論也將原來牛頓及伽利略的力學擴展到更大的範圍。在物體速度接近光速時,因相對論而產生的效應會主導物體的行為,也會使其速度不會超過光速。量子力學也需要配合相對論進行修正,量子場論就是量子力學和狹義相對論的結合。不過量子場論廣義相對論目前仍無法整合,這是大一統理論希望可以克服的問題。

依研究物體來分類[編輯]

在力學中,常用到一個名詞「物體」。物體可能是質點拋體太空船星星、某些機械、某些固體或某些流體

力學中的一些分支也和所探討的「物體」特性有關。例如質點就是小的物體,在古典力學中只視為一個有質量的點。而剛體有固定的大小及尺寸,不允許形變,和質點比較,剛體增加了一些稱為自由度參數,例如在空間中的方向。

物體也有可能是可允許形變的半剛體,如彈性體,或者根本沒有固定的形狀,如流體。這些物體可利用古典力學的方式研究,也可以利用量子力學來分析。

例如在棒球中球的運動會用古典力學來分析,而原子核內質子及中子的行為則會用量子力學來描述。

主要分支學科[編輯]

在物理學的研究中,也有用「」來描述物質的行為,稱為場論。其描述方式和力學使用的方式有些不同,可分為古典場論量子場論。不過在實務上,場論及力學要探討的內容常常有密切的關係。例如作用在物體上的力常常是因為電磁場重力場而產生,而當物體對其他物體產生作用力時,也常常會產生場。事實上,若以量子力學的觀點,物體也是場,可以用波函數來描述。

參考來源[編輯]

參看[編輯]