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机械动力学的发展简史及其对机械设计的

影响

李雨潭Z

摘要：机械动力学是机械发展到一定阶段的产物。计算机的发明和数值计算的出现等现代科学技术的发展

使得机械动力学有了更大的发展。机械动力学在机械设计的进程中，二者相互影响，在不同的阶段，机械

设计对机械动力学的要求也不同。目前，机械动力学已经发展为一个内容丰富的综合性学科。

关键字：机械动力学机械设计计算机多学科

0引言

任何机械都有运动，任何机械都受到力的作用。机械动力学就是研究机械在力作用下的

运动和机械在运动中产生的力的科学。

古代的机械是用人力、蓄力和水力来驱动的，动力制约了机械的速度。因此，在古代机

械的制作中主要考虑运动实现，而基本未涉及动力学。近代以来，机械动力学的发展大体可

以分为两个阶段：第一次工业革命到20世纪中叶，可称为早期发展阶段；第二世界大战以

后，可以称为近期发展阶段。

1机械动力学的早期发展

1.1历史背景

1.1.1生产力不断提高的娶束推动着机械动力学的发展

1769年，瓦特改进了蒸汽机。动力的变革极大地推动了机器的广泛使用，引发第一工

业革命。1832年，法拉第发明了电动机，引发了第二次工业革命，世界进入了电气化时代。

1876年，蔓托发明了内燃机。1797年，完全由金属制成的车床在英国问世，它已是现代车

床的雏形。19世纪中叶，通用机床的各种类型已大件齐备；到19世纪末，自动机床和大型

机床出现。

动力的变革，材料和加工手段的进步，全面地推动了机械制造业的迅速发展，使大幅度

提高机器的速度和功率成为可能。机械的高速化，始终是机器理论发展的重要推动力之一，

更是机械动力学发展的第一推动力。节约材料、节约能源要求减轻机器的重量，特别是车辆

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和飞行器的重量，选也一直是机械设计追求的目标之一。

机械产品的高速化、大功率化、精密化和轻量化的趋向不断推动着机械动力学的发展。

一方面，它推动着各种结构的演化与创新，促使机器中的传动装置不断发展和完善；另一方

面，它推动了机械动力学分析水平的提高。

1.1.2力学理论为机械动力学的发展提供了坚实的理论基础

从15世纪中叶到18世纪下半期，是欧洲向资本主义发展的社会转型期。适应当时航海

和工业的发展需要，天文学和力学发展起来。

牛顿1687年发表了著名的运动定律学说，创立了经典力学。牛顿第二定律所描述的力、

质量和加速度的关系是动力学的基本定律。经典力学的创立，开辟了科学发展的新时代，奠

定了力学发展的基础，也奠定了机械工程发展的基础。今天，一切机械运动与力分析的理论，

全部源于牛顿力学。

1765年，瑞士科学家殴拉将牛顿的理论从质点扩展到刚体，他所提出的欧拉公式是牛

顿第二定律针对刚体定轴转动情况的扩展。1742年提出的达朗贝尔原理将静力学中研究平

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衡的方法与牛顿第二定律相结合，计入惯性力，用来研究动力学问题。

接下来，拉格朗日方程的提出，以及微分方程的积分理论和力学的变分原理使分析力学

的理论体系臻于完善。分析力学是在经典力学范畴内的一个分支，是一种表达形式上的创新。

1.2振动理论的建立与发展

机械振动理论是最到发展起来的机械动力学理论。在电动机、发电机和汽轮机出现以后，

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高速转子引起的振动问题变得突出起来。到20世纪中叶，线性离散系统的基本理论已经

建立起来，只是由于计算能力的限制，所能够计算的自由度不太大。对连续系统的分析则局

限在形状很简单的构件。

1.3动力学要求推动着各种机构的演进、创新与完善

机器是由各种机构组成的。在达芬奇时代，现在使用的最常用机构便已经基本知晓，但

是机构种类的扩充和机构性能的改善主要还是发生在工业革命以后。适应高速度、大功率和

高精度的需要，是推动机构演进与创新的主要动因之一。

1.4机械功力学分析方法的形成

机器的发展。呼唤着机械的理论和设计方法。在