凯尔·柯克兰德博士所著的《力学与动力学》通过简单易懂的概念，讲述了物理学是怎样影响着人们的生活和世界的变化。无论是何种形式的运动，都是由力驱动的。有一些力，比如碰撞，利用球棒将棒球打向远方，是很容易被观察到的；另一些力，比如使火箭升天的力，就不那么容易被看到。然而，所有运动中的物体都遵循一定的规律，无论是一个轮子还是一个棒球；海里的鲸鱼还是街道上的行人。同种类型的力也可能会在完全不相干的地方作用——维持宇宙飞船在轨道上航行的力，与为大理石提供重量的力就是如此。

本书包括了40多幅黑白照片和线图插图，附录国际单位及转换表。

凯尔·柯克兰德博士所著的《力学与动力学》一书充分借助生活中大量常见而充满奥妙的事例，生动形象地阐述了一个个物理学概念，向读者展示出无处不在的物理学规律，纠正了一些人们习以为常的错误观点。《力学与动力学》作为初涉物理世界的青少年读物，不但浅显易懂，而且能够引起读者对物理学以及应用物理学推动技术发展的兴趣，是一本非常好的入门读物。

前言

鸣谢

简介

1.地球引力

 下落

公制单位体系和国际单位体系

 上升

 轨道和卫星

矢量

 阿波罗探险：到月球去

 在太阳系中航行

2.直线运动

 惯性

牛顿第一和第二运动定律

 追上汽车

 减速

 不可预料的运动：混沌

 火箭和牛顿第三运动定律

 未来的太空船

3.旋转

 子弹、橄榄球和陀螺仪

角动量

 科里奥利效应

 滚珠轴承

 计算机硬盘

 人造重力和离心

 霸王龙的故事——恐龙是如何保持平衡的

 防抱死制动系统

4.功和能

 杠杆和简单机械

 永恒运动的疑点

能量守恒

 人体的功和能

 自行车和齿轮

 势能的潜力

5.弹力

 蹦床和橡皮筋

回弹系数

 网球和球拍

 弹簧

6.振动

 认识节奏：自然频率和共振

 地震

频率与波长

 声音和听力

声学

 和声学：声音和音乐

 和声器：会说话的机器

 超声波成像：用声音成像

7.流体

 空气和水的压力

 海浪、海啸和潮汐

 飓风的运动

 船舶

浮力

 棒球和高尔夫球

 飞机

 未来的飞机和船舶

结语

国际单位制及其转换表

译者感言

但是还有一个问题：卫星在动，地球也在旋转。不像发射塔那样牢牢地固定在地面上，所有的卫星都不是固定于一点的。传送通讯信号是需要技巧的，因为能够接收到信号的区域总是在变动。

幸运的是，有一个简单的方法可以来解决这个问题。早在20世纪40年代，人造卫星诞生之前，科幻小说作家亚瑟C.克拉克(Arthur C.Clarke)就提出了这个方案。这个解决方案基于两个事实：卫星运行轨道的周期取决于它的高度，以及地球自转一周的时间是24小时。如果要使卫星始终定位于地球某一点上空附近，只需要找到这样一个高度使其轨道周期为24小时就可以了。在这个高度，卫星的运行周期与地球自转的周期一致。这样的轨道被称为地球同步轨道(geosynchronous orbit)。这个高度就是35780千米。这对于很多像卫星电视这样的通讯方式来说是尤其重要的。由于只有在赤道上空的轨道才可能跟地球自转同步，所以地球同步轨道也只可能是在赤道上空。这个因素限制了同一时间里地球同步轨道中的卫星数目，不过这并没有带来很大的麻烦。

卫星另外一个比较常见的应用是用作导航系统。在辽阔的大海上航行的水手们依赖很多并不精准的定位方法。即便是在陆地上，确定一个人的位置也常常是必要的。然而直至全球定位系统(Global Positioning System，GPS)诞生后，精确定位才可能实现。这套系统依赖于24颗卫星，这些卫星并不是在地球同步轨道上(它们的高度要低好多)，但是它们的布局可以保证在任意时间里地面上的任意一个点都被4个卫星同时覆盖。这些卫星持续不断的传送信号，地面任何一个有(3PS接收器的人都可以收到。接收到的卫星坐标和时间信息可以使接收器自动计算出它在地球表面的位置。

许多船只都具备GPS功能，甚至一些汽车也装备了这项技术。GPS在许多工程项目中也是不可缺少的。在修建英吉利海峡下面连接英国和法国的隧道(被称作英吉利海峡隧道)时，工人们从英吉利海峡两边同时开工。他们是如何保证在海峡中间完全接合上而不错过彼此的呢？正是GPS提供的技术支持使得工程完全按设计进行，避免了付出昂贵的代价。

轨道中的物理学并不仅仅是在现代技术中才显得重要。物理学家和宇航员们还通过运用他们的轨道知识来了解太阳系乃至宇宙是如何运行的。

在宇宙万有引力定律中提到，一切物体都是彼此吸引的。但是，当一颗小的人造卫星或者是航天飞机绕地球轨道运行的时候，地球似乎并没有受什么影响。这样想并不完全正确，因为重力是双向的，地球也被卫星所吸引。绕轨道运行的物体总是在围绕两物体间的某一点旋转。如果我们把轨道上的物体想象得更大，比如说月亮，可能会好理解一些。尽管人们通常说，月亮绕地球旋转，实际上，月亮和地球是绕着它们之间的一点共同旋转。只是因为地球的质量比月亮大80倍，所以这一点就距离地球的地心很近。但这一点既不在地球里面，也不是地心和月心连线的中点。如果是小得多的人造卫星，那么这一点就几乎与地心重合了。

对于大的物体来说，物体间的吸引力对被围绕的物体的影响就更加明显了。在太阳系里，太阳比其他所有行星加起来的质量都要大，但是在银河系的范围里，其他所有行星的综合作用足以引起太阳运行中的颤动。这对于其他任何有很多行星的恒星来说都是适用的，如果震颤足够大，宇航员们就可以用灵敏的仪器接收到信号。太阳系外的第一颗行星就是这样被发现的。

绕同一轨道运行的不同物体之间也会相互影响。质量大的卫星会干扰在同一轨道上运行的其他物体，甚至使它离开这个轨道。只有当没有干扰物在周围的时候，万有引力定律才适用。如果一个物体的轨道被干扰了，其他质量比较大的物体位置又非常明显，那么这个物体的位置甚至可以被确定出来。1846年，由于天王星的轨道被某种引力微弱改变，宇航员勒威耶(Urbain Jcan Joseph Le Verrier，法国数学家)和约翰亚当(john couch adam)由此预测出了海王星的存在。

阿波罗探险：到月球去

理解万有引力之后，人们所作出的最重大的贡献之一便是宇宙探索。探险是人类千百年来持续热衷的活动。无论是邻近的城市，山峰另一边的村庄，还是海洋那边的王国，总有勇敢的男人和女人们心甘情愿经受风霜磨难到达新的土地。而远在400000千米之外的月球，也同样备受人类的关注。

但是，离开地球需要达到逃逸速度。正如我们之前所说，达到逃逸速度所需要的能量总和是由需要被加速的物质总和决定的。在有人驾驶的登月任务中，需要被加速的物质包括：宇航员、机械设备和物资储备。这样，就需要一种非常巨大而有力的火箭，同时要携带大量的能源，某种程度上又加重了升空的负担。

这样的任务只有在土星5号(Saturn V)这样巨大的火箭被建造出来之后，才终于有了实现的可能。这个火箭高达110.6米，当它被发射的时候，巨大的引擎在附近几英里之内都将引起小规模地震。这套动力系统非常的强大，可以产生几百万马力(现在一辆普通汽车的能量大约是180马力)的能量。这样的动力系统也非常的危险，因为一旦有什么部件失灵，将会引起发射中的爆炸产生巨大的火球。

土星5号火箭解决了达到逃逸速度的问题，所以宇航员们可以利用它脱离地球。但是，还有另外一个问题——找到并且到达目的地月球。物理学通常被称作是一门精确的科学，所以在准备登月的过程里，物理学的计算也必须非常精确，因为这并不是一个简单的问题。1959年，苏联将第一颗无人操作的探测器向月球发送。苏联科学家们非常聪明并且经验丰富，这颗被称作Luna 1的探测器也相当地接近了它的目标。Luna 1到达了距离月球仅几千英里远的地方，与太阳系的庞大体积相比，这已经是非常小的误差了。但是，这还不够好。这颗探测器没能在月球上着陆，而是继续向前航行，最终被太阳巨大的引力所捕捉。苏联的新闻发言人用一种巧妙的措词来表述了这次事件：苏联成为第一个向太阳轨道投放探测器的国家。

要使发射的火箭最终能够在月球上着陆，需要有对万有引力的深刻研究和大量的计算。回望20世纪50—60年代，计算机技术远没有发展到现在的程度，所以寻找正确的解答就要花费大量的时间。在这种情形下，要做到所要求的精确度是非常困难的。但是，科学家和工程师们逐渐解决了这个问题，苏联和美国都能够将无人操作的探测器发送到月球上去了。

在19世纪60年代和70年代早期，美国推行的阿波罗计划是由一系列任务组成的，每一个任务都被给予一个序列号。早期的阿波罗任务主要是测试器械以及在登月任务中将用到的种种操作步骤。1969年7月16日，阿波罗11航天器(Apollo 11)载着3名宇航员——尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)、巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)和迈克尔·柯林斯(Michael Collins)由喷射出244米火焰的土星5号火箭成功地从佛罗里达堪培拉海岬发射，向东航行，成为第一次预计在月球上着陆的阿波罗任务。

发射地点为什么选在佛罗里达呢？物理学家们提供了答案。之所以选在佛罗里达的东海岸发射火箭有几个很好的原因。其中最重要的是这里的纬度很低——这意味着它比美国其他地方都要更接近赤道。地球是一个围绕地轴旋转的球体，地球上每一点的旋转速度取决于纬度。南极和北极位于地轴的两端，所以旋转的速度是零。赤道的纬度最低，旋转速度也是最大的。从一个旋转的篮球上可以看出同样的效应：在篮球顶端附近的点一圈一圈转得比较慢，而在篮球中部的点就转得非常快。

因为在加速到逃逸速度的过程中将消耗掉大量的能量，所以每一点额外的推动因素都要被考虑进去。  P13-15

1945年，两枚核弹终结了第二次世界大战，这是对物理学威力的一次展示，让人惶恐而又令人信服。由世界上最杰出的一些科学头脑酝酿出的这次核爆炸摧毁了广岛和长崎这两座日本城市，迫使日本不得不无条件投降。应该说，物理学和物理学家的身影贯穿于第二次世界大战的始终，而原子弹只是最生动的一个例子。从那些用于炸坝的在水中跳跃前进的炸弹，到那些感应到船体出现便发生爆炸的水下鱼雷，第二次世界大战实际上也是一场科学的较量。

第二次世界大战让所有人，包括那些多疑的军事领导人相信，物理学是一门很重要的科学。然而，物理学的影响远远延伸到了战场之外，物理学原理几乎关系到世界的每个部分，触碰了人们生活的方方面面。飓风、闪电、汽车引擎、眼镜、摩天大厦、足球，甚至包括我们怎么走、怎么跑，所有这一切都要服从科学规律的安排。

在诸如核武器这样的话题或者有关宇宙起源的最新理论面前，物理学和我们日常生活的关系往往显得黯然失色。“我们世界中的物理”这套丛书的目标就是去探究物理学应用的各个方面，描述物理学如何影响科技、影响社会，如何帮助人们理解宇宙及其各个相互联系的组成部分的性质和行为。丛书覆盖了物理学的主要分支，包括如下主题：

◆力学与动力学

◆电学与磁学

◆时间与热动力学

◆光与光学

◆原子与材料

◆粒子与宇宙

“我们世界中的物理”丛书的每一册都阐释了有关某个主题的基本概念，然后讨论了这些概念的多种应用。虽然物理学是数学类学科，但这套丛书主要聚焦于思想的表达，而数学知识并不是重点，书中只涉及一些简单的等式。读者并不需要具备专门的数学知识，当然，对于初等代数的理解在有些时候还是很有帮助的。实际上，每一册可以讨论的话题的数量几乎是无限的，但我们只能选取其中的一部分。令人遗憾的是，不少有趣的东西就这样不得不被省略掉。然而，丛书的每一册都涉猎了非常广泛的材料。

我曾经参加过一个讨论会，会上一位年轻学生问教授们，是否需要备有最新版本的物理教科书。有一位教授回答说，不，因为物理学的原理“多年来一直没有改变”。这个说法大体上是对的，但这只是对物理学的效力的一个证明。物理学的另一个支撑来源于建立在这些原理之上的令人吃惊的诸多应用，这些应用仍在不断扩展和变化，其速度之快非同寻常。蒸汽机已经让位给了用在跑车和战斗机上的强大内燃机，而电话线也正在被光导纤维、卫星通讯和手机等取代。这套丛书的目标就是鼓励读者去发现物理学在各个方面、各个领域所起的作用，现在的、过去的以及不远的将来的……

谨将此书献给亲爱的胡玉梅女士，您严谨的治学和工作态度，积极而宽容的生活态度，是我一生的榜样。

首先要感谢张贺先生和吕爱敏女士在全书的翻译过程中给予的大力支持，感谢你们无论何时都毫不吝啬地向我提出宝贵而专业的建议，你们是我的精神支柱。还要感谢王超、李思静、葛磊、潘婷卉以及编辑部的工作人员，感谢你们的辛苦劳动，与你们的合作非常愉快。最后要特别感谢梁斌的协助，没有你的支持，就不会有这本书的按时出版。再次表示感谢。

张蔷

2007年冬于北京大学