力學是最原始的物理學分支之一，而最原始的力學則是靜力學。靜力學源于人類文明初期生産勞動中所使用的簡單機械，如杠杆、滑輪、斜面等。古希臘人從大量的經驗中了解到一些與靜力學相關的基本概念和原理，如杠杆原理和阿基米德定律。但直至十六世紀後，資本主義的工業進步才真正開始為西方世界的自然科學研究創造物質條件。

力學知識最早起源于對自然現象的觀看和在生産勞動中的體會。人們在建築、灌溉等勞動中使用杠杆、斜面、汲水器具，逐步積累起對平穩物體受力情形的認識。古希臘的阿基米德對杠杆平穩、物體重心位置、物體在水中受到的浮力等作了系統研究，确定它們的共性規律，初步奠定了靜力學即平穩理論的基礎。古代人還從對日、月運行的觀看和弓箭、車輪等的使用中了解一些簡單的運動規律，如勻速的移動和轉動。然而對力和運動之間的關系，隻是在歐洲文藝複興時期以後才逐步有了正确的認識。伽利略在實驗研究和理論分析的基礎上，最早闡明自由落體運動的規律，提出加速度的概念。牛頓繼承和發展前人的研究成果（主要是開普勒的行星運動三定律），提出物體運動三定律。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎。牛頓運動定律的建立标志着力學開始成為一門科學。此後力學的進展在于它所考慮的對象，由單個的自由質點轉向受約束的質點和受約束的質點系，這個方面的标志是達朗貝爾提出的達朗貝爾原理和拉格朗日建立的分析力學。歐拉又進一步把牛頓運動定律推廣用于剛體和理想流體的運動方程。歐拉建立理想流體的力學方程可看作是連續介質力學的肇端。在此過程中，有關固體的彈性、流體的粘性、氣體的可壓縮性等的物質屬性方程差不多相繼建立。運動定律和物性定律這兩者的結合，促使彈性固體力學理論和粘性流體力學理論孿生于世，在這方面作出奉獻的是納維、柯西、泊松、斯托克斯等人。彈性力學和流體力學方程的建立，使得力學逐步脫離物理學而成為獨立學科。

另一方面，從拉格朗日分析力學基礎上發展起來的哈密頓體系，持續在物理學中起作用。從牛頓到哈密頓的理論體系組成了物理學中的經典力學或牛頓力學。在彈性和流體方程建立後，所給出的方程一時難以求解，工程技術中許多應用力學問題還須依靠體會或半體會的方法解決。這使得19世紀後半葉在材料力學、結構力學同彈性力學之間，水力學和水動力學之間一直存在着風格上的顯著差别。到20世紀初，在流體力學和固體力學中，實際應用同數學理論的上述兩個方面開始結合，此後力學便蓬勃發展起來，創立了許多新的理論，同時也解決了工程技術中大量的關鍵性問題，如航空工程中的聲障問題和航天工程中的熱障問題。這種理論和實際緊密結合的力學的先導者是普朗特和卡門。他們在力學研究工作中善于從複雜的現象中洞悉事物本質，又能查找合适的解決問題的數學途徑，逐步形成一套特有的方法。從60年代起，電子計算機應用日益廣泛，力學不管在應用上或理論上都有了新的進展。力學繼承它過去同航空和航天工程技術結合的傳統，在同其他各種工程技術以及同自然科學的其他學科的結合中，開拓了自己新的應用領域。

力學在中國的發展經曆了一個特别的過程。與古希臘幾乎同時，中國古代對平穩和簡單的運動形式就已具備相當水平的力學知識，所不同的是未建立起像阿基米德那樣的理論系統。在文藝複興前的約一千年時間内，整個歐洲的科學技術進展緩慢，而中國科學技術的綜合性成果堪稱卓著，其中有些在當時世界居于領先地位。這些成果反映出豐富的力學知識，但終未形成系統的力學理論。到明末清初，中國科學技術已顯著落後于歐洲。通過曲折的過程，到19世紀中葉，牛頓力學才由歐洲傳入中國。以後，中國力學的進展便随同世界潮流前進。

那麼接下來，針對力學發展的四個主要階段，再進行一些詳細的讨論。

古代力學的發展

古代最早的物理學體系是亞裡士多德系，物理學這門學科的名稱就是由亞裡士多德創立的。在亞裡士多德的《物理學》中，主要讨論運動（及産生和消滅）、空間和時間以及事物變化的原因等物理世界的根本原理，應該說，亞裡士多德是比較系統和深入研究運動及時間、空間的第一人。

關于運動，亞裡士多德認為，物體永遠在運動變化，“運動是永恒的，不能在一個時候曾經存在，在另一個時候不存在”，這種運動永恒的觀點具有唯物主義思想，包含辯證法的因素，至今仍是積極而有價值的。

對物理學的發展來說，亞裡士多德初步提出以物質運動及其與時間、空間、周圍物體的關系為研究對象，以形成一門獨立的自然學科，重視對近身事物的具體觀察，強調思維邏輯的作用，首先引用數學方法來考慮具體物理定律，從而引起衆多的讨論與研究等。

阿基米德是古希臘繼亞裡士多德之後又一位科學巨匠，他從生産實踐出發，運用數學的方法建立起靜力學，被譽為“力學之父”。阿基米德在力學上的貢獻主要是嚴格地證明了杠杆定理和浮力定律。這是從經驗知識走向定律建立的重大飛躍。

阿基米德不僅是個理論家，也是個實踐家，他一生熱衷于将其科學發現應用于實踐，一生創造發明了許多機構和機器。

經典力學的發展

伽利略對亞裡士多德的運動理論進行檢驗和批判，成為經典力學的先驅，是近代實驗物理學的奠基人，被推崇為“近代科學之父”。

伽利略在力學研究中做出的重要貢獻主要有：

1. 關于運動的描述

伽利略抛棄了亞裡士多德把運動分為自然運動和強迫運動的觀點，采用數學方法來定量地分析運動，對位移、距離和時間的概念給予确切的數學表達形式，運用笛卡兒創立的坐标系來定量地描述運動，認為應該依據運動的基本特征量——速度對運動進行分類，由此，把運動分為勻速運動和變速運動兩種，并引入加速度的概念。

2. 自由落體運動

伽利略首先運用從一個理想實驗得出的佯缪入手，對亞裡士多德落體學說提出了反駁。根據亞裡士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當我們把兩塊石頭拴在一起時，下落快的會被下落慢的拖着而減慢，下落慢的會被下落快的拖着而加快，結果整個系統的下落速度應該小于8。但是兩塊石頭拴在一起，加起來比大石頭還要重，因此重物體比輕物體下落的速度都小。這樣，就從重物體比輕物體下落得快的假設，推出了重物體比輕物體下落得慢的結論，從而在邏輯上證明了亞裡士多德的學說是錯誤的。再通過著名的斜面實驗檢驗自由落體運動符合他所提出的勻加速運動的定義。自由落體下落的時間太短，當時用實驗直接驗證自由落體是勻加速運動仍有困難，伽利略采用了間接驗證的方法，他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實驗，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落時的加速度小得多，所以時間容易測量些。實驗結果表明，光滑斜面的傾角保持不變，從不同位置讓小球滾下，小球通過的位移跟所用時間的平方之比是不變的，即位移與時間的平方呈正比。

由此證明了小球沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動，換用不同質量的小球重複上述實驗，位移跟所用時間的平方的比值仍不變，這說明不同質量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運動的情況是相同的，即加速度與物體的重量無關。

3. 慣性定律

伽利略從單擺實驗和對接斜面的理想實驗中，伽利略提出了慣性的概念。根據亞裡士多德的物理學，保持物體勻速運動的是力的持久運動。但是，伽利略從小球在水平面上運動的實驗推測，如果沒有摩擦力等阻力的作用，小球将保持勻速運動，發現了初步的慣性定律。

此外，伽利略還進行了抛體運動的研究，提出運動疊加原理以及伽利略相對性原理。

這裡，總結一下伽利略的科學研究方法的特點。

伽利略把觀察和實驗作為科學研究的堅實基礎。他在研究工作中，采取了下面一個對近代科學發展很有效的研究方法：

對現象的一般觀察→提出工作假想→運用數學和邏輯的手段得出特殊結論→通過物理的或理想的實驗對推論進行驗證→對假設進行修正和推廣。

伽利略所創設的實驗方法、嚴格的邏輯與數學推理方法，開辟了科學方法的道路。

自18世紀以來，牛頓已成為整個近代科學革命的象征，可以說，牛頓在總體上推動了近代科學的進程。

1687年牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，在這部巨著中，牛頓概括了他的前人伽利略、笛卡爾、開普勒、惠更斯、胡克等人的研究成果以及他自己的創造，對力學的基本概念和規律給出了确切的表述，首次創立了地面力學和天體力學統一的嚴密體系，成為經典力學的基礎，實現了物理學上的第一次大綜合。

牛頓在《原理》一書中提出了力學的三大定律和萬有引力定律，對宏觀物體的運動給出了精确的描述，總結了他自己的物理發現和哲學觀點。《原理》一書是人類自然科學的奠基性著作，是自然科學史上最重要的著作之一。他把地面上物體的運動和太陽系内行星的運動統一綜合。它不僅标志着16和17世紀科學革命的頂點，也是人類文明進步劃時代的象征。它不僅總結和發展了牛頓之前物理學的主要成果，而且也是後來所有科學著作和科學方法的楷模。《原理》一書對300年來自然科學和自然哲學的發展産生極其深遠的影響。

《原理》的第一篇，首先提出一組定義；質量、動量、慣性、力及向心力、絕對時間、絕對空間，這是一系列奠定力學基礎的概念。然後系統地闡述了運動三大定律。随後提出了嚴謹的天體學理論，論述了向心力與回轉軌道之間的數學關系，并證明了一條中心定理：如果有一種同距離平方成反比的力起作用，一個物體就成圓錐曲線（橢圓、抛物線、雙曲線）運動，引力的中心就在圓錐曲線的一個焦點上。此外還為天文學家們解決了一個重要的實際問題：隻要觀察少數軌道要素，就可确定行星的軌道。對太陽、地球和月球這類三體問題也做了近似的計算。

《原理》的第二篇讨論了十分普遍的運動，即物體在有阻力的介質（氣體、液體）中運動，阻力與速度的一次方或二次方程成正比，更為複雜的是阻力中一部分與速度成比例，另一部分與速度的平方成比例。顯然，在這裡牛頓用了高超的數學技巧來處理一些在實驗中難以解決的問題。

在《原理》的第三篇中，原本牛頓想将他寫成一般性的總結，但後來改變了計劃，将其标題寫成“宇宙體系”，并用第一。第二篇中推出的普遍運動規律來解釋自然界中的各種實際問題。他讨論太陽系的行星、行星的衛星、彗星的運行，特别指出了潮汐形成的原因，正是太陽、月亮和地球之間的引力作用所緻。同時他考慮到流水的特性以及各海峽、河口等地理因素的幹擾，從比較潮汐的最高點和最低點算出月球的質量。另外在第三篇中，牛頓還計算了行星之間的攝動問題，如太陽對月亮的攝動，土星對木星的攝動等。得出如下結論：彗星數目肯定很多，它們應該屬于行星的一種，它們繞太陽運動具有很大的偏心率，而且服從于同行星一樣的規律。值得指出的是，在大多數版本中，緊接第三篇之後是一篇關于《世界的體系》的論文，這篇文章為第三篇的一些主要結果作了非數學性的概括。

《原理》一書一經公諸于世，立即造成巨大的社會影響，因為它是人類自然科學知識的首次大綜合。他決定了後來力學發展的方向，并為以後分析力學的發展打下了堅實的基礎。《原理》一書所奠定的物理基礎和方法，啟迪了人類征服自然的無窮智慧。《原理》的出版，表明了一個新時代和新科學文明的到來。

牛頓的科學方法，不僅是他在科學上作出傑出貢獻，而且深刻地影響着以後科學家的思想，對後來的自然哲學和科學發展産生了很深遠的影響，甚至對于社會科學和哲學的方法論，其意義也是很大的。

牛頓在科學上成功地應用了歸納法和歸納與演繹相結合的方法，以及将分析和綜合、實驗和理論巧妙地結合起來的方法，不但被公認為學術界的典範，而且大大豐富了科學方法論的内容，在科學史和哲學史上有突出的地位。

牛頓的科學研究方法可以概括為如下幾點：（1）公理化方法；（2）歸納—演繹法；（3）分析—綜合法；（4）數學—物理方法；（5）實驗—抽象方法。

經典矢量力學的發展

建立的動量、動量矩和動能的三個運動定律以及在特定條件下的三個守恒定律，使得經典矢量力學體系臻于完善。

1. 質心運動守恒定律

笛卡爾首先提出了運動量守恒定律的基本思想，惠更斯認識到動量的矢量性，并準确地描述了碰撞過程中系統的動量守恒以及系統共同質心的運動速度為常數的結論。牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中明确表述了“質心運動守恒定律”。

2. 動量矩守恒定律

伯努利和歐拉等以不同的方式提出這一個原理。與這個原理相應的動量矩定理指出：系統的總的動量矩的時間變化率，等于所受作用力的力矩之和。

3. 動能守恒定律

德國數學家、物理學家萊布尼茨引進了“活力”概念，認為宇宙中“活力守恒”，并且發現力與路程的乘積與活力的變化成正比。直到科裡奧利用 代替 之後，萊布尼茨的發現才得到準确的表述：所做的功等于動能的增加。

分析力學的發展

分析力學是經典力學理論的發展和完善，其形成過程經曆了三次大的飛躍：

第一次飛躍是牛頓力學從質點過渡到剛體和流體的發展，取得突破性進展的是歐拉運動學方程的建立。

第二次飛躍是拉格朗日理論的建立。1788年法國物理學家和數學家拉格朗日将伯努利提出的虛功原理與達朗貝爾提出的達朗貝爾原理結合在一起建立了動力學方程——拉格朗日方程。拉格朗日引進了一套新的參數：廣義坐标、廣義速度、廣義力等，得出完整體系的拉格朗日方程，使拉格朗日方程成為建立在能量守恒原理上的普遍化原理，從而奠定了分析力學的基礎。

第三次飛躍是哈密頓理論的建立。1843年英國物理學家哈密頓作為公設提出的哈密頓原理，成為分析力學達到頂峰的标志，使分析力學發展為一個完整的體系。

現在，力學的領域不斷擴大，早已出現一系列新的學科，如化學流體力學、物理力學、岩土力學、生物力學、工程控制等等。愛因斯坦的相對論在牛頓經典力學的基礎上，已在古典力學的基礎上引起了具有本質性的改變，指出了牛頓關于空間、時間和質量的概念的局限性，從而給出一些現象以理論依據。這些現象是古典力學所不能解釋的。

經過幾千年的發展，力學建立起了比較完整的體系，與其它科學體系的聯系也越來越緊密，在社會生活中的應用也越來越廣泛。

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