人和动物如何走跑跳

第三节　人和动物如何走跑跳——一般力学

有限自由度系统的运动及其控制，是一般力学的主要研究对象，有的时候，它包括一个或多个无限自由度子系统。

运动稳定性理论、振动理论、动力系统理论、多体系统力学、机械动力学等都是一般力学所包括的内容。振动理论及机械动力学的发展，为广义的机械工业的发展解决了许多难以解答的问题。

如今，动力系统理论已经成为方兴未艾的非线性科学的重要组成部分。为分析运动稳定性及动力系统行为而形成的摄动法、分叉理论、非线性振动等，影响着力学的其他分支和其他学科。机械动力学系统地研究了机械动力学中的转子系统的动力学，因此使得近年来应用非常广泛的各种旋转机械的设计与制造成为可能。更重要的是，振动理论能够从理论上对消除各种机械的有害振动和噪声进行指导，否则消除潜艇的噪声和设计制造出噪声很低的乘坐舒适的现代轿车也就不可能实现。不仅如此，各种利用有利振动的工程机械同样也被广泛应用于各个方面。

科技的迅速发展给人类带来的不仅是高端的科技享受，各种危害人类的问题也在不断出现。由于时代的需求，各种机器人被广泛使用。既然如此，不仅需要研究组成机器人的多体系统的运动和控制，还需要考虑某些部件的弹性，否则的话，其定位精度是难以保证的。例如，人造卫星，它往往配有尺寸较大的柔性部件和液体。为了使其更加稳定，传统的运动稳定性理论已经不再适用了，取而代之的是不仅能分析这类既有刚体、又有可变柔体及液体的系统的理论和方法。

机器人

高速列车的速度越来越快，但车辆(包括单车和列车)运行时的平稳性却越来越弱。如果用现有理论来解释，显然是不够的，这是因为把车辆和轨道作为一个系统来考虑是非常有必要的。除此之外，还要考虑轮轨接触的弹性变形及轮轨之间单边接触这一类强非线性问题。最近几年，中国发生了多次大型汽轮发电机组事故，这些事故足以说明，机械系统虽然越来越大、越来越复杂，但是仍然会出现不少还未认识的重要的力学问题。由于“大”不是“小”的简单放大，“复杂”同样也不是若干部分的简单相加，所以对于一些复杂的系统而言，采用先分析单个零部件后进行综合分析这一方法并不能产生良好的效果。如果是这样的话，就有可能对复杂系统进行直接建模，一旦遇到非线性系统，因为它具有复杂性的行为，例如出现分叉、混沌等等，必然会给系统建模和求解带来了很多新的难题，其中包括计算、理论、实验方面。到目前为止，这种参数对系统行为的影响特别复杂，所以解决这类问题是非常困难的。

高速列车

中国的未来空间站

未来的大型空间站是由许多部件组成的一个系统，其中包括弹性的、刚性的、柔性的、液体的以及在其中工作、生活的人，系统相当复杂，因此未来的大型空间站的设计、建造及运行将不可能实现。近年来，对现代以及未来大气中飞行器的运动分析及控制问题，科研人员在建模的时候，已经着手同时考虑飞行体及气动力的耦合。这在现代大型民航机上已经得到了应用，它采用的是电子主动控制，这样一来，原本不稳定的机翼能够更好地保持稳定，同时还减轻了许多重量，飞行的舒适性也就增加了。

近年来，一般力学已经开始进入生物体运动问题的研究，例如人以及动物行走、奔跑、跳跃涉及的一些相关的力学问题。这是一种在宏观范围内对生物体进行的研究，现如今，已经有了一些新成果。

优化的运动机能经过亿万年生物进化历程后，赋予了生存下来的物种，如果对它们进行深入研究，不仅能够为生物进化方向提供理性认识，还可以为人类进一步提高某些机构或机械的性能提供一些方向性的指导。对此，应该充分重视以下三方面：其一，固体的非平衡，也可说成是不可逆热力学理论；其二，塑性与强度的统计理论；其三，原子乃至电子层次上子系统(原子键、位错、空位等缺陷)的动力学理论。