2025年高考運動學簡史

　　運動學簡史

　　運動學是理論力學的一個分支學科，它是運用幾何學的方法來研究物體的運動，通常不考慮力和質(zhì)量等因素的影響。至于物體的運動和力的關(guān)系，則是動力學的研究課題。

　　用幾何方法描述物體的運動必須確定一個參照系，因此，單純從運動學的觀點看，對任何運動的描述都是相對的。這里，運動的相對性是指經(jīng)典力學范疇內(nèi)的，即在不同的參照系中時間和空間的量度相同，和參照系的運動無關(guān)。不過當物體的速度接近光速時，時間和空間的量度就同參照系有關(guān)了。這里的“運動”指機械運動，即物體位置的改變；所謂“從幾何的角度”是指不涉及物體本身的物理性質(zhì)(如質(zhì)量等)和加在物體上的力。

　　運動學主要研究點和剛體的運動規(guī)律。點是指沒有大小和質(zhì)量、在空間占據(jù)一定位置的幾何點。剛體是沒有質(zhì)量、不變形、但有一定形狀、占據(jù)空間一定位置的形體。運動學包括點的運動學和剛體運動學兩部分。掌握了這兩類運動，才可能進一步研究變形體(彈性體、流體等)的運動。

　　在變形體研究中，須把物體中微團的剛性位移和應(yīng)變分開。點的運動學研究點的運動方程、軌跡、位移、速度、加速度等運動特征，這些都隨所選的參考系不同而異；而剛體運動學還要研究剛體本身的轉(zhuǎn)動過程、角速度、角加速度等更復雜些的運動特征。剛體運動按運動的特性又可分為：剛體的平動、剛體定軸轉(zhuǎn)動、剛體平面運動、剛體定點轉(zhuǎn)動和剛體一般運動。

　　運動學為動力學、機械原理(機械學)提供理論基礎(chǔ)，也包含有自然科學和工程技術(shù)很多學科所必需的基本知識。

　　運動學的發(fā)展歷史

　　運動學在發(fā)展的初期，從屬于動力學，隨著動力學而發(fā)展。古代，人們通過對地面物體和天體運動的觀察，逐漸形成了物體在空間中位置的變化和時間的概念。中國戰(zhàn)國時期在《墨經(jīng)》中已有關(guān)于運動和時間先后的描述。亞里士多德在《物理學》中討論了落體運動和圓運動，已有了速度的概念。

　　伽利略發(fā)現(xiàn)了等加速直線運動中，距離與時間二次方成正比的規(guī)律，建立了加速度的概念。在對彈射體運動的研究中，他得出拋物線軌跡，并建立了運動(或速度)合成的平行四邊形法則，伽利略為點的運動學奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，惠更斯在對擺的運動和牛頓在對天體運動的研究中，各自獨立地提出了離心力的概念，從而發(fā)現(xiàn)了向心加速度與速度的二次方成正比、同半徑成反比的規(guī)律。

　　18世紀后期，由于天文學、造船業(yè)和機械業(yè)的發(fā)展和需要，歐拉用幾何方法系統(tǒng)地研究了剛體的定軸轉(zhuǎn)動和剛體的定點運動問題，提出了后人用他的姓氏命名的歐拉角的概念，建立了歐拉運動學方程和剛體有限轉(zhuǎn)動位移定理，并由此得到剛體瞬時轉(zhuǎn)動軸和瞬時角速度矢量的概念，深刻地揭示了這種復雜運動形式的基本運動特征。所以歐拉可稱為剛體運動學的奠基人。

　　此后，拉格朗日和漢密爾頓分別引入了廣義坐標、廣義速度和廣義動量，為在多維位形空間和相空間中用幾何方法描述多自由度質(zhì)點系統(tǒng)的運動開辟了新的途徑，促進了分析動力學的發(fā)展。

　　19世紀末以來，為了適應(yīng)不同生產(chǎn)需要、完成不同動作的各種機器相繼出現(xiàn)并廣泛使用，于是，機構(gòu)學應(yīng)運而生。機構(gòu)學的任務(wù)是分析機構(gòu)的運動規(guī)律，根據(jù)需要實現(xiàn)的運動設(shè)計新的機構(gòu)和進行機構(gòu)的綜合。現(xiàn)代儀器和自動化技術(shù)的發(fā)展又促進機構(gòu)學的進一步發(fā)展，提出了各種平面和空間機構(gòu)運動分析和綜合的問題，作為機構(gòu)學的理論基礎(chǔ)，運動學已逐漸脫離動力學而成為經(jīng)典力學中一個獨立的分支。

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