閱讀對象
正在學(xué)習(xí)《理論熱》的中學(xué)生及其他熱愛好者。
熱學(xué)是自然科學(xué)七大基礎(chǔ)學(xué)科之一,與物理學(xué)一起構(gòu)成其他五大學(xué)科的基礎(chǔ)和支撐。 它們之間的關(guān)系可以用一個“π型結(jié)構(gòu)”來表示(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱研究所,譚浩生,熱科學(xué)進(jìn)展,1978)。
唐代熱學(xué)研究構(gòu)成了宋代史、思想史、哲學(xué)史、科學(xué)史和技術(shù)史的重要組成部分。
經(jīng)典熱學(xué)基礎(chǔ)階段的內(nèi)容一般屬于數(shù)學(xué)的熱學(xué)部分,而成熟階段的內(nèi)容,以及現(xiàn)代熱學(xué)、近代熱學(xué),基本屬于學(xué)院專科或研究生課程。
理論熱學(xué)是熱學(xué)其他分支學(xué)科的基礎(chǔ),其內(nèi)容主要涉及經(jīng)典熱學(xué)的發(fā)展階段,也有少量成熟階段的成果。
本文簡要列舉了20位對理論熱的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家。 那些著名專家的專著和著作僅限于與理論熱點(diǎn)相關(guān)的內(nèi)容,不一定是他們最重要或最有代表性的著作。
值得強(qiáng)調(diào)的是,你們中那些對熱力學(xué)做出重要貢獻(xiàn)的人通常不會認(rèn)為你們是熱學(xué)家。 這是因?yàn)橹钡缴鲜兰o(jì)初現(xiàn)代熱科學(xué)的出現(xiàn),熱科學(xué)才從數(shù)學(xué)中分離出來,成為一門獨(dú)立的學(xué)科。
1. 亞里士多德
(公元前 384-322 年)
亞里士多德以純粹推測的方式考慮運(yùn)動。 除了解釋空間、運(yùn)動和時間等基本概念外,還討論了力和運(yùn)動。 與熱有關(guān)的專著有《物理學(xué)》(公元前350年)和《論天》(公元前350年)。
在運(yùn)動學(xué)方面,他研究了復(fù)合運(yùn)動,認(rèn)為當(dāng)兩個運(yùn)動的平均速度成正比時,復(fù)合運(yùn)動就是一個平行四邊形的對角線,其鄰邊是這些比值的線段,當(dāng)它們不是成比例,復(fù)合運(yùn)動是曲線運(yùn)動。
在動力學(xué)方面,他的“下落物體運(yùn)動定律”斷言,物體下落的(平均)速率與該物體的重量成正比。 他對力與力作用下運(yùn)動距離關(guān)系的論述,被認(rèn)為是虛位移原理的雛形。
值得一提的是,熱的名字來源于作者亞里士多德的一本匿名專著《力學(xué)問題》。 圓的性質(zhì)。
2.阿基米德
(of, 287-211B.C.),靜力學(xué)的創(chuàng)始人
靜力學(xué)是整個熱學(xué)的基礎(chǔ),因此阿基米德被認(rèn)為是熱學(xué)學(xué)科的奠基人。
阿基米德開創(chuàng)了熱與物理緊密結(jié)合的傳統(tǒng),充分重視估算。
阿基米德的論文是用西班牙文寫成的。 質(zhì)心靜力學(xué)的專著是兩卷本《論平面圖形的平衡》。 一開始提出了7個與杠桿和重心有關(guān)的公設(shè),后來證明杠桿的性質(zhì)有很多關(guān)于圖形重心的結(jié)果。
據(jù)悉,他的《論螺旋》包含了勻速運(yùn)動相關(guān)的內(nèi)容,本質(zhì)上是一種研究曲線運(yùn)動的幾何方法。
3.達(dá)芬奇
(達(dá)·芬奇,1452–1519)
達(dá)芬奇在熱研究方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)工作,也應(yīng)用物理學(xué)進(jìn)行分析。 他留下了5000多頁的手稿,其中一些被整理出版。
達(dá)芬奇研究的熱學(xué)問題包括重心、自由落體、斜面上的平衡和運(yùn)動。 他對力矩有清晰的概念,從而給出了確定幾何重心的方法。 綜合力定律研究物體在斜面上的運(yùn)動,發(fā)現(xiàn)摩擦力的存在。
4.斯蒂芬
(Simon, 1548–1620),靜力學(xué)創(chuàng)始人
斯蒂芬的靜力學(xué)專著是《靜力學(xué)原理》( of ,1586),從“永動機(jī)是不可能的”出發(fā),解決了斜坡上重物的平衡問題,發(fā)現(xiàn)了力合成的平行四邊形定律; 對擋塊系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn),兩邊重量和位移的乘積相等,“以力得之,以速失之”,這就是虛位移原理的雛形。 1586年,斯蒂芬用實(shí)驗(yàn)否定了亞里士多德的“下落運(yùn)動定律”。 兩個重量相差10倍的球自由下落,同時落地,但這個結(jié)果并沒有引起足夠的重視。
5. 伽利略
(, 1564–1642), 古典熱學(xué)的先驅(qū)
伽利略的主要專著有《托勒密和哥白尼兩個世界體系的對話》( del Mondo,,, 1632)和《熱和局域運(yùn)動這兩種新科學(xué)的對話和口頭證明》(eàdue , 1638)。
伽利略對熱科學(xué)做出了許多重要貢獻(xiàn)。
在靜力學(xué)方面,他在1594年研究物體在斜面上的平衡時,發(fā)現(xiàn)“力的節(jié)省損失了相當(dāng)大的距離”,由此產(chǎn)生了虛位移原理的想法。
在運(yùn)動學(xué)方面,詳細(xì)研究了速度的物理表達(dá),首次提出了加速度的概念; 通過運(yùn)動合成研究了填充體的運(yùn)動。
在動力學(xué)方面,他否定了亞里士多德的“落體運(yùn)動定律”,引入了動量概念,提出了慣性定理,建構(gòu)了熱的相對性原理。
6.惠更斯
(, 1629-1695), 古典熱學(xué)的先驅(qū)
惠更斯的主要貢獻(xiàn)包括關(guān)于碰撞和擺鐘的工作。 通過對彈性碰撞的仔細(xì)研究,發(fā)現(xiàn)質(zhì)量和速度的平方乘積是常數(shù),認(rèn)識到動量在碰撞過程中的作用和物體間作用的相互性; 這一結(jié)果為動量定律、動能定律和牛頓第三運(yùn)動定律的產(chǎn)生提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。 這方面的工作總結(jié)在“The of Under the of (, 1703)”中,該書完成于 1656 年,但與它同時出版。
在鐘擺研究中,他研究了自由落體運(yùn)動和約束下降運(yùn)動; 研究圓周運(yùn)動,提出離心力公式; 提出了擺動中心的概念,可以將復(fù)擺的研究歸結(jié)為單擺; 主要專著是 The Clock, or a Proof of of a to a Clock (, 1673) 和 On Force (Devi, 1703)。
7. 萊布尼斯
(1646-1716),開創(chuàng)了從能量的角度研究動力學(xué)的思想
萊布尼茨對熱學(xué)的貢獻(xiàn)是動能的概念和動能定律的雛形。 1686年,他發(fā)表論文,提倡用重量和速度的平方乘積來測量運(yùn)動,并稱這些測量為“活力”; 在1695年發(fā)表的一篇論文中,他更明確地指出,力與距離的乘積等于生命力的減少。
8.牛頓
(Isaac, 1642-1727),他奠定了經(jīng)典熱學(xué)的基礎(chǔ)
牛頓關(guān)于熱學(xué)的主要專著是《自然哲學(xué)的物理原理》( of ,1687),1713年和1726年兩次修訂,1931年法文譯本有漢譯本,1931年標(biāo)準(zhǔn)英譯本有漢譯本。 1992.
在化學(xué)概念上,牛頓澄清了質(zhì)量的概念,將質(zhì)量與重量區(qū)分開來,并采用了動量的概念。 在原理上,牛頓提出慣性定理、運(yùn)動定理、作用反作用定理作為經(jīng)典熱力學(xué)的基礎(chǔ),他發(fā)現(xiàn)的萬有引力定理是天體熱力學(xué)的基礎(chǔ)。 牛頓還研究了離心力、天體運(yùn)動、擺在阻尼介質(zhì)中的運(yùn)動以及彈性和非彈性碰撞等重要的熱學(xué)問題。
在經(jīng)典熱學(xué)的奠基階段,也出現(xiàn)了熱學(xué)的基本工作方法,將基本的數(shù)學(xué)原理表達(dá)為定量的物理關(guān)系,而不是像前些年那樣注重因果解釋,進(jìn)而借助物理證據(jù)預(yù)測新的化學(xué)現(xiàn)象。 這種方法由伽利略首創(chuàng),由牛頓繼承和推廣。
9.
雅各伯·伯努利
(雅各布,1654-1705 年)
雅各布·伯努利 (Jacob ) 是一位沒有接受過正規(guī)高等教育的院士。 他周游奧地利、英國、法國和荷蘭10余年,與惠更斯、萊布尼茨交流。 33歲回到英國,兼任巴塞爾學(xué)院物理系主任和實(shí)驗(yàn)化學(xué)與物理系主任,直至去世。
他在1703年發(fā)表的論文中,試圖將靜力學(xué)中的杠桿原理推廣到動力學(xué),提出了動量矩定律的思想。
10.
約翰伯努利
(,1667-1748),變分法的創(chuàng)始人
約翰·伯努利 雅各布·伯努利之子。 他先是學(xué)醫(yī),同時學(xué)物理。 23歲獲得醫(yī)學(xué)碩士學(xué)位,27歲獲得博士學(xué)位。28歲的約翰還是英國格羅寧根學(xué)院的物理學(xué)院士。 十年后,約翰接替他的兄弟雅各布成為巴塞爾學(xué)院的物理學(xué)院士。
在1717年寫給的一封信中,他定義了約束所允許的虛速度,將力在虛速度方向上的投影與虛速度的乘積定義為能量,并給出了平衡條件,即正的和能量和負(fù)能量為零。 這已經(jīng)很接近現(xiàn)代對虛位移原理的描述了。
11.
丹尼爾伯努利
(, 1700-1782)
丹尼爾·伯努利以其對流體熱力學(xué)的貢獻(xiàn)而聞名。 他是約翰的第二個兒子。 他也是先學(xué)醫(yī)摩擦力概念的發(fā)展,21歲獲得巴塞爾學(xué)院醫(yī)學(xué)博士學(xué)位; 后轉(zhuǎn)向物理研究,24歲應(yīng)邀到俄羅斯莫斯科國立科技大學(xué)工作; 25歲被聘為彼得堡科技大學(xué)物理院士; 33 歲時,他成為巴塞爾學(xué)院解剖學(xué)、植物學(xué)和自然哲學(xué)院士。
在 1726 年發(fā)表的論文中,他試圖從一個看似更直觀的假設(shè)出發(fā),證明力的平行四邊形定律。 他在1745年發(fā)表的論文中認(rèn)識到內(nèi)力和力矩為零,完成了建立動量定律的關(guān)鍵一步。
12. 瓦里農(nóng)
(, 1654-1722)
瓦里農(nóng)開創(chuàng)了靜力學(xué)的理論體系。 他先是在耶穌會大學(xué)和列日學(xué)院學(xué)習(xí)神學(xué)和哲學(xué)。 28歲取得碩士學(xué)位,29歲成為神父。
他的《新力學(xué)綱要(d'une Mé,1687)》一經(jīng)發(fā)表就受到學(xué)術(shù)界的重視。 該書試圖將微積分應(yīng)用于牛頓動力學(xué); 德意志大學(xué)物理學(xué)院士。
他在靜力學(xué)方面的研究成果總結(jié)在他旁邊出版的《新力學(xué)或靜力學(xué)》(Méou,1725 年)中。 在這本書中,他受到了追溯到亞里士多德的復(fù)合運(yùn)動研究的啟發(fā)。 他對扭矩的概念和估算方法進(jìn)行了科學(xué)的解釋,并系統(tǒng)地應(yīng)用這種方法代替了前幾年使用的杠桿原理來解決問題。 各種機(jī)械問題。 他還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,證明了合流力合成的平行四邊形定律。
13.歐拉
(Euler, 1707–1783),完善了矢量動力學(xué)系統(tǒng)
歐拉13歲進(jìn)入巴塞爾學(xué)院學(xué)習(xí)神學(xué)、哲學(xué)、希臘語和希伯來語。 17歲以比較笛卡爾和牛頓哲學(xué)的論文獲得碩士學(xué)位; 雅各布·伯努利 (Jacob ) 給歐拉做了一個單獨(dú)的演講。
歐拉第一個成功的科學(xué)研究是關(guān)于倫敦科技大學(xué)提出的在船上安裝電纜的競賽獲獎問題。 大船;
在巴塞爾學(xué)院申請化學(xué)學(xué)士學(xué)位失敗后,他在 20 歲時接受了莫斯科國立大學(xué)的中級研究職位摩擦力概念的發(fā)展,先是在醫(yī)學(xué)院,然后在物理系; 24歲取得數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位,26歲兼任物理系主任; 24歲那年,歐拉厭倦了俄羅斯不斷的動蕩,前往柏林科技大學(xué)擔(dān)任物理部長。 去世了。
歐拉28歲雙眼被截肢,59歲雙眼失聰,但仍從事記憶力和心算研究。 1775 年,他平均每周發(fā)表一篇論文,其中包括前面提到的關(guān)于熱的關(guān)于動量矩原理的重要論文。 在《 or (, 1736)》中,歐拉用微積分系統(tǒng)化和提煉了牛頓的動力學(xué)理論,發(fā)展了質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的動量分析方法,并提出了力的沖量概念。
《剛體運(yùn)動理論(,1765)》總結(jié)了作者的研究成果,為質(zhì)心動力學(xué)奠定了基礎(chǔ); 旋轉(zhuǎn)的描述方法(歐拉角); 在動力學(xué)方面,借助動量定律的思想,引入慣性矩的概念,并給出一個估計(jì)例子。 特殊條件下的積分解。 在 1775 年發(fā)表的一篇論文中,歐拉將動量定律和動量矩定律列為動力學(xué)的基本原理。 出于這個原因,基于動量和動量矩對動力系統(tǒng)建模的矢量熱技術(shù)現(xiàn)在被稱為牛頓-歐拉方法。
14. 達(dá)朗貝爾
( Rondd', 1717-1783),開創(chuàng)了約束系統(tǒng)的研究
達(dá)朗貝爾12歲進(jìn)入馬薩蘭大學(xué)攻讀哲學(xué)、法律和藝術(shù),18歲獲得學(xué)士學(xué)位; 隨后他在法學(xué)院學(xué)習(xí)了三年,并在 21 歲時成為一名律師; 達(dá)朗貝爾對醫(yī)學(xué)和物理學(xué)感興趣,22歲開始發(fā)表論文; 幾經(jīng)失敗,24歲入圍倫敦科技大學(xué); 37歲獲得德意志大學(xué),55歲起擔(dān)任終身秘書。
在“On (Traitéde, 1743)”(1758 年修訂和擴(kuò)展)中,達(dá)朗貝爾研究了受約束物體的運(yùn)動。 他論證的基礎(chǔ)是他所謂的慣性力原理(牛頓第一定律)、平衡原理和復(fù)合運(yùn)動原理。 關(guān)于復(fù)合運(yùn)動,他覺得運(yùn)動是由初動和后天運(yùn)動組成,初動又是由定勢和消失運(yùn)動組成。 當(dāng)存在約束時,滿足約束前的運(yùn)動包括不變運(yùn)動和消失運(yùn)動。 他以單擺和復(fù)擺為例來說明其原理的應(yīng)用,還討論了碰撞問題。
達(dá)朗貝爾強(qiáng)調(diào)他的原理可以引出動能守恒,但沒有系統(tǒng)論證。 拉格朗日認(rèn)為達(dá)朗貝爾提出的原理可以將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題來求解。 因此,達(dá)朗貝爾原理雖然具有更廣泛的內(nèi)涵,但在動力學(xué)教科書中經(jīng)常以動、靜方法的形式出現(xiàn)。
15.卡倫
(, 1736-1806), 提出摩擦的基本模型
庫倫就讀于馬薩林大學(xué),23 歲進(jìn)入梅濟(jì)耶爾警察學(xué)院,25 歲??畢業(yè)后從事沿海地圖劃定工作。 28歲時,他領(lǐng)導(dǎo)了8年的要塞建設(shè)。 At the age of 38, he was re- as a at the of and . 1781年,澳大利亞科技大學(xué)獎競賽的題目是滑輪、絞車和斜面等空軍機(jī)械相關(guān)的摩擦定律和纜索撓度的實(shí)驗(yàn)研究。 庫倫關(guān)于摩擦力實(shí)驗(yàn)研究的論文獲獎。 他對摩擦機(jī)理進(jìn)行了解釋,總結(jié)了摩擦力與法向壓力成正比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并將這一推論應(yīng)用于斜面上的平衡問題。
16.拉格朗日
(Louis, 1736-1813) 熱分析的創(chuàng)始人
拉格朗日在熱那亞大學(xué)學(xué)習(xí)法律,后來對化學(xué)和物理問題產(chǎn)生了興趣; 他因開發(fā)變分法解決最快下降線問題而受到歐拉的稱贊。 18歲時,他還是熱那亞陸軍大學(xué)的幾何院士; 21歲時,他創(chuàng)辦了熱那亞科學(xué)院,即后來的熱那亞皇家科學(xué)院; 30歲接替歐拉成為柏林大學(xué)物理系主任; 51歲時,他在倫敦的英國科學(xué)大學(xué)工作; 1794年,倫敦綜合商業(yè)高中成立,他是第一個分析院士; 1795年,倫敦高等師范學(xué)校成立。 他還擔(dān)任過物理系主任,并教授初級中文課程。
拉格朗日的主要熱學(xué)理論在《分析熱學(xué)(Mé,1788)》中得到成功總結(jié),該書從1754年的變分法研究中構(gòu)想出來,至1782年基本完成,1788年出版,1811年修訂,再版于1816 年,并在 1853 年至 1855 年間加入了一些未發(fā)表的結(jié)果,成為標(biāo)準(zhǔn)版。 英譯本于1996年出版。書中,拉格朗日分析地研究熱力學(xué),“全書無一圖”; 引入了描述系統(tǒng)狀態(tài)的獨(dú)立參數(shù),即廣義坐標(biāo)。 從變分原理出發(fā)構(gòu)造約束系統(tǒng)的平衡和運(yùn)動多項(xiàng)式,將通常得到的兩類運(yùn)動多項(xiàng)式分別稱為第一類和第二類拉格朗日多項(xiàng)式; 并證明了動量原理和動量矩原理以及動能原理是得到的一般模態(tài)多項(xiàng)式的特例。 書中還用滑輪系統(tǒng)論證了虛位移原理,提出了約束解除原理,給出了多自由度系統(tǒng)線性振動的基本理論。
17.盤索
(Louis, 1777-1859),完成了質(zhì)心靜力學(xué)的理論體系
17歲,潘索進(jìn)入倫敦綜合商學(xué)院學(xué)習(xí),20歲轉(zhuǎn)入國家橋路大學(xué)學(xué)習(xí); 因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)自己對數(shù)學(xué)感興趣,所以放棄了土木工程專業(yè)。 倫敦綜合商學(xué)院分析與熱學(xué)助理教授; 1813年進(jìn)入美國科技大學(xué)物理系,接替去世的拉格朗日。
在《 of (Elé, 1803)》中,潘索首先提出了質(zhì)心的概念并討論了質(zhì)心的組成和分解,提出了力系統(tǒng)的簡化和平衡的系統(tǒng)理論,明確了約束條件并提出了釋放約束的原則。 使用純幾何方法來研究質(zhì)心的運(yùn)動。 在《A New of ( Corps, 1834)》中,用慣性橢球來表示慣性矩,說明質(zhì)心繞剛體自由旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于慣性橢球在固定的物體上滾動飛機(jī)不打滑,車身?xiàng)U也有介紹。 跡線和空間極的概念。
18.
科里奧利力
(, 1792-1843),對相對運(yùn)動的原創(chuàng)貢獻(xiàn)
16歲,科里奧利進(jìn)入倫敦綜合文科高中學(xué)習(xí),后轉(zhuǎn)入國立橋路大學(xué),獲得工程學(xué)位; 24歲至37歲,任倫敦綜合商業(yè)中學(xué)語言班教師; 1929年,制造工藝中心中學(xué)成立。 任美國數(shù)學(xué)會院士; 40 歲時,他是國立橋路大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)系的研究員。
1835年,他發(fā)現(xiàn)當(dāng)物體在旋轉(zhuǎn)參考系中運(yùn)動時,會受到不同于離心力的慣性力的影響。 這些慣性力現(xiàn)在稱為科里奧利慣性力或科里奧利效應(yīng),相應(yīng)的加速度稱為科里奧利效應(yīng)。 里奧利加速。 在他的專著《機(jī)械效率的估計(jì)(del',1829、1844)》和《論固體的熱》(Traité de la Mé,1844)中,他闡明了功的概念,并對功的定律進(jìn)行了現(xiàn)代描述。動能和虛位移原理。
19.漢密爾頓
(Rowan, 1805-1865),以表彰他對分析熱發(fā)展的杰出貢獻(xiàn)
漢密爾頓因14歲前掌握10余種語言而被譽(yù)為“神童”; 18歲以第一名的成績考入愛丁堡三一學(xué)院。 1827年,當(dāng)愛丁堡學(xué)院天文系主任一職緊急招聘時,學(xué)院理事會拒絕了另外6名申請人,選擇了從未申請過的22歲的漢密爾頓; 按照慣例,他還擔(dān)任澳大利亞皇家天文官,負(fù)責(zé)天文臺的鄧辛工作。
哈密??爾頓對解剖熱力學(xué)的貢獻(xiàn)在1834年和1835年發(fā)表的兩篇論文中可見一斑。哈密爾頓將具有廣義坐標(biāo)和廣義動量的動力學(xué)多項(xiàng)式視為自變量,并引入了一組具有一定對稱性的一階多項(xiàng)式,現(xiàn)在稱為哈密頓正則多項(xiàng)式. 他還引入了系統(tǒng)動能與勢能之差的積分作為劑量,真實(shí)運(yùn)動使劑量取定值。 這個結(jié)果現(xiàn)在被稱為漢密爾頓變分原理。
20. 福柯
(Jean--Léon, 1819-1868),根據(jù)相對運(yùn)動理論用實(shí)驗(yàn)否定月球自轉(zhuǎn)
福柯曾在科學(xué)院學(xué)醫(yī),因大出血退學(xué),擔(dān)任醫(yī)學(xué)顯微鏡課程院士助理; 26歲接任院長,成為《爭議雜志》科學(xué)編輯; 36歲時,他被任命為倫敦皇家天文臺的化學(xué)編輯科學(xué)家,這個職位是專門給他的。
1851年,他用67米長的鋼絲吊起重達(dá)28公斤的鐵擺實(shí)驗(yàn),證明驅(qū)動面有自轉(zhuǎn),進(jìn)而解釋了月球的自轉(zhuǎn)。 證明月球自轉(zhuǎn)的擺被稱為傅科擺。 1852年,他設(shè)計(jì)了陀螺儀,可以更直觀地演示月球的自轉(zhuǎn)。 這個陀螺儀叫做傅科陀螺儀。
結(jié)論
從以上陳述中,我們可以總結(jié)出理論熱教學(xué)內(nèi)容歷史發(fā)展的幾條主線上的重要人物:
矢量靜力學(xué):---;
解析靜力學(xué)(虛位移原理):--John -;
運(yùn)動學(xué):伽利略-惠更斯-歐拉-科里奧利;
矢量動力學(xué):---Jacob - -Euler-D';
動力學(xué)的能量方式:惠更斯-萊布尼茨-拉格朗日-科里奧利-漢密爾頓。
參考
[1] 吳繼科. 熱科學(xué)史[M]. 廣州出版社,2000。
[2] 吳繼科. 熱科學(xué)史雜論[M]. 高等教育出版社,2010。
[3]繆同臣. 《力學(xué)與工程概論》課程,2016-2020