动物的运动方式精选(九篇)

时间：2023-05-31 15:53:59

动物的运动方式

第1篇：动物的运动方式范文

一、平抛物体的运动规律

物体以一定初速度沿水平方向抛出（不计空气阻力）如果物体仅受重力作用，这样运动叫做平抛物体运动。

平抛物体运动通常可看作是水平方向和竖直方向的分运动的合成。在水平方向上，物体不受外力，所以做匀速直线运动，其速度为平抛物体运动的初速度。在竖直方向上，物体只受重力作用，所以做自由落体运动。

平抛物体的运动之所以是两个分运动的合运动，因此分，合运动之间存在同时性、等效性和独立性。

平抛物体运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。因此我们可以计算出任意时的物体的x和y方向的坐标。水平向右方向被认为x轴，它的方向和物体的初速度方向一致，竖直向下的方向被认为y轴。

它的运动轨迹如图1所示：

图1

平抛物体运动只受重力作用，所以它的加速度大小a＝g，方向与y方向一致。物体任意t时刻的坐标通过以下公式可以找出来的。在水平方向做匀速直线运动，所以x＝v0t。在竖直方向做

自由落体运动，所以。通过以上两个公式我们可以画

出平抛物体运动的运动轨迹。

平抛物体运动的t秒末水平方向速度为vx，竖直方向的分速度为vy，可以得到vx＝v0、vy＝gt，t秒末时刻速度大小

速度的方向可以用vt与x轴之间的锐角表示，也可以叫作速度的

偏角，并用以下公式来表示：，合位移的大小也可以用

以下公式表示：，位移的方向（s与x轴

之间的锐角），从速度方向与位移方向之间的关系

可看出：。

以上公式可得出平抛物体运动时间由高度唯一决定的。研究平抛物体运动除了学好以上公式以外，还需要掌握平抛物体运动是曲线运动中的一种匀加速运动。

二、类平抛物体运动

物体水平抛出后，在水平方向上做匀速直线运动（不计空气阻力），而在竖直方向上的运动不仅受到重力还受到竖直方向的其他力的作用叫做类平抛物体运动。这种运动类型很多，本文主要讨论高考中出现可能性较大的带电粒子在匀强电场中的运动。

带电粒子在匀强电场中的运动：

电量为q的粒子以一定的初速度v0进入电场中（垂直切割电场线）不考虑其他力的相互作用时，带电粒子只受垂直于原射入方向的电场作用，使物体做类平抛物体运动。如图2所示：

图2

当我们研究这类运动时需要考虑平抛物体的运动规律。这类运动也要分解成两个分运动来讨论。在一方向不受力的作用，做匀速直线运动，而在另一方向做初速度为v0的匀加速直线运动。所以这类似于平抛物体运动规律的分析。

带电粒子水平射入匀强电场时运动可总结为以下两个式子：

、，这些公式的推导过程与平抛物体

运动公式相比可得到以下总结表：

平抛物体运动的规律带电粒子垂直射入匀强电场中的运用公式

合力 F合＝mg F合＝Eq

加速度 a＝g

竖直位移

水平位移 x＝v0t L＝v0t

水平速度 vx＝v0 vx＝v0

竖直速度 vy＝gt

速度的偏角

例如：如图3所示，M、N是两块平行金属板，板长为L，两板间距也为L，电势差为恒定，一个带电粒子以一定的初速度水平射入电场，最后打在与两个平行金属板间距为L的荧光屏上。粒子落地点与O点的距离为L/2，如果大量像以上一样的粒子（与初速度一样，不计粒子之间的相互作用）从MN板之间的不同地方垂直射入电场时（不计重力），求大量带电粒子打在屏上的范围？

图3

解析：要求这些粒子打在屏上的范围，首先要考虑粒子在电场时的运动和飞出电场后的运动。粒子在两板之间做类平抛运动，在两板之外做匀速直线运动。为求大量粒子打在屏上的范围，先讨论一个粒子的运动情况，以此推广求大量粒子运动范围。

一个带电粒子在电场中的竖直偏转距离为y。所以粒子可飞出金属板打在荧光屏上。如果射入电场时的点到金属板的距离小于y的粒子是飞不出板的。如图4所示（粒子带负电）：

图4

对于大量带电粒子，如图5所示：

图5

从图5得知，我们要求的范围为d＝l－y。（1）

因此应该先求y。我们通过以下公式推出竖直偏转距离：

合并可得3al＝。（2）

把公式（2）代入公式（1）中，可求d。

；

因此这些大量粒子打在屏上的范围为。

第2篇：动物的运动方式范文

一、知识要点梳理

（一）物质运输方式的比较

运输方向特点图例实例

【口诀记忆】

跨膜运输三类型，自由、协助和主动，

自由、协助高到低，主动运输逆着行；

胞吞、胞吐非跨膜，不需载体需耗能，

大分子颗粒来进出，全靠膜的流动性。

（二）影响跨膜运输的因素分析

1.数学模型

（1）物质浓度（在一定的浓度范围内）

（2）氧气浓度

（3）温度

温度可影响生物膜的流动性和酶的活性，因而会影响物质跨膜运输的速率。

【特别提醒】

影响自由扩散、协助扩散、主动运输的因素分析：

①影响自由扩散的因素：细胞膜内外物质的浓度差。

②影响协助扩散的因素：细胞膜内外物质的浓度差；细胞膜上载体的种类和数量。

③影响主动运输的因素：载体；能量。凡能影响细胞内产生能量的因素，都能影响主动运输，如氧气浓度、温度等。

2.规律归纳

（1）在一定浓度范围内，协助扩散或主动运输速率不再随物质浓度的增大而加快时，主要是因为细胞膜上运输该物质的载体蛋白的数量有限。主动运输还可能受细胞内能量供应的限制。

二、方法技巧点拨

（一）如何快速准确判定物质出入细胞的方式

1.根据分子大小判断。

2.根据运输方向判断：逆浓度梯度的跨膜运输方式是主动运输。

3.列表比较：大分子物质出入细胞的方式――膜泡运输。

运输方向图解实例备注

胞吞细胞外细胞内白细胞吞噬细菌等

胞吐细胞内细胞外神经递质的分泌、蛋白质类激素释放等①结构基础：细胞膜的流动性②需消耗能量，不需载体蛋白的协助

（二）特殊情况下物质的穿膜问题

1.分泌蛋白从合成、运输到排出细胞外是通过出芽形成小泡的方式即胞吐进行的，不穿过细胞膜，因而通过的膜的层数应为0层。

2.细胞核内外的大分子如蛋白质、信使RNA通过核孔进出细胞核，未通过膜结构，因而通过膜的层数为0层。

三、易混知识点睛

（二）细胞内其他物质

1.RNA和蛋白质等大分子物质进出细胞核是通过核孔，而不是通过胞吞、胞吐。

2.植物吸收水分的方式是自由扩散，而对无机盐离子则以主动运输方式吸收，因此可以说植物对水分和无机盐的吸收是两个相对独立的过程。

3.胞吞和胞吐不是跨膜运输：（1）跨膜运输包括主动运输（转运）和被动运输（转运），是由物质直接穿过细胞膜完成的，是小分子物质进出细胞的物质运输方式，其动力来自于ATP或物质浓度差。

（2）胞吞（内吞）和胞吐（外排）是借助于膜的融合完成的，是大分子和颗粒物质进出细胞的方式，与膜的流动性有关，靠ATP提供动力。

四、品味经典题

例1（2012・江苏海安检测卷）右图是某些物质跨膜运输的图解，下列分析与实际不相符的是（）

A.图中跨膜运输情况反映了细胞膜的功能特性

B.细胞之所以能吸收Cl-与它的遗传物质的表达有关

C.水分子的移动趋势与细胞内外的浓度差有关

D.若此细胞为动物细胞，则淀粉进入细胞的方式为胞吞

思路剖析本题考查物质跨膜运输的方式，意在考查学生的识图分析能力。解答本题的关键是从细胞膜对不同分子或离子的通透性分析其说明的问题，要求正确认识主动运输、自由扩散和胞吞方式的特点。图中信息显示Cl-与水分子可以通过细胞膜，淀粉这种大分子物质不能通过，反映了细胞膜的功能特性――选择透过性。细胞对Cl-吸收的方式是主动运输，需要相应的载体和能量，而载体的合成受细胞内基因的控制。当细胞内外溶液存在浓度差时，细胞会出现失水或吸水的现象。淀粉是不能直接被动物细胞吸收的，它只有被水解成葡萄糖后才能被吸收。

五、模拟训练

1.某科学家在研究物质运输时发现有下列四种曲线关系，在研究某种物质的运输时，发现与曲线②和④相符，那么最可能是下列哪一过程（）

A.糖从血浆进入人的成熟红细胞

B.Na+通过离子通道进入神经细胞

C.小肠上皮细胞从小肠内吸收氨基酸

D.组织细胞从组织液吸收氧气

2.下列有关物质跨膜运输的叙述正确的是（）

A.肌细胞的细胞膜上有协助葡萄糖跨膜运输的载体蛋白

B.激素必须通过主动运输进入细胞内才能完成对细胞代谢的调节

C.相对分子质量小的物质或离子都可以通过自由扩散进入细胞

D.协助扩散和自由扩散都不需要膜上载体蛋白的协助

3.市场上流行的直饮机的核心部件是逆渗透膜，它利用逆渗透原理，通过水压使水由较高浓度的一侧渗透至较低浓度一侧，理论上在较高浓度侧的所有细菌及不纯杂物、可溶性固体物和对人体有害的有机物和无机物均不能渗入高精密的逆渗透膜，示意图如下图所示。根据上述信息判断下列有关叙述正确的是（）

A.逆渗透过程与渗透作用的差异是前者需要消耗能量

B.逆渗透膜也具有细胞膜的识别功能

C.逆渗透膜上有载体蛋白，可以选择性控制有害物质

D.逆渗透膜祛除有害物质的能力胜过生物膜，可放心饮用

4.蛙的神经元内、外Na+浓度分别是15mmol/L和120mmol/L。在膜电位由内负外正转变为内正外负过程中有Na+流入细胞，膜电位恢复过程中有Na+排出细胞。下列判断正确的是（）

A.Na+流入是被动运输、排出是主动运输

B.Na+流入是主动运输、排出是被动运输

C.Na+流入和排出都是被动运输

D.Na+流入和排出都是主动运输

5.撕去紫色洋葱外表皮，分为两份。假定两份外表皮细胞的大小、数目和生理状态一致，一份在完全营养液中浸泡一段时间，浸泡后的外表皮称为甲组；另一份在蒸馏水中浸泡相同的时间，浸泡后的外表皮称为乙组。然后，两组外表皮都用质量浓度为0.3g/mL的蔗糖溶液处理，一段时间后外表皮细胞中的水分不再减少。此时甲、乙两组细胞水分渗出量的大小以及水分运出细胞的方式分别是（）

A.甲组细胞的水分渗出量与乙组细胞的相等，主动运输

B.甲组细胞的水分渗出量比乙组细胞的高，主动运输

C.甲组细胞的水分渗出量比乙组细胞的低，被动运输

D.甲组细胞的水分渗出量与乙组细胞的相等，被动运输

6.图甲是物质A通过细胞膜的示意图。请回答以下问题。

（1）物质A跨膜运输的方式是，判断理由是。其运输方式也可用图乙中的曲线表示。如果物质A释放到细胞外，则转运方向是（填“ⅠⅡ”或“ⅡⅠ”）。

（2）图甲中细胞膜是在（填“光学显微镜”或“电子显微镜”）下放大的结果。该膜的模型被称为，科学家用该模型很好地解释了生物膜的结构及特点。

第3篇：动物的运动方式范文

有牛顿第一定律可知，一切物体在不受力（指物体所受外力的合力为零）时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，物体速度的大小和方向都保持不变，即运动状态不变，没有加速度。有位学生在学习了牛顿第一定律后说，对牛顿第一定律只能承认一半。他说他骑自行车上学脚不用蹬，车子由于惯性会向前运动，地面摩擦和风小一些，车子就能运动得远一些，可以想象如果阻力更小些，自行车不用蹬就能运动得更远，这是令人信服的。但他又接着说，把车停下，你不推它、不蹬它，车怎么会运动呢？所以总觉得力和运动是连在一起的。

这位学生提出的问题非常典型，即使高中学生学过动力学也末必真能从感情上去接受第一定律。下面我们就通过两方面讨论这个问题：

一方面，我们应该清楚牛顿第一定律描述的是一种理想化的状态。即牛顿所假定的绝对空间坐标中，可以存在相对于这一坐标系是不受任何外力作用的静止物体，也可以存在不受任何外力作用的相对于这一坐标是运动的物体。在这样条件下，定律自然是正确的，然而现实中却看不到这种情况，即使看到静止物体和在某一段时间内做匀速直线运动的物体，它们也都是受到平衡力的作用，不受任何外力作用的物体是不存在的。所以通常在应用牛顿第一定律研究具体问题时，只是对这种理想化状态的近似，因此学生不易接受是很自然的。

另一方面，作为理解物理学的基本概念来说，必须严格区分运动和运动状态改变这两个不同的概念：

什么是运动？初中课本把物置的变化叫做运动。严格点应该是指物体对参照物（系）发生了位置的变化，静止也可以作为一种特殊的运动状态来对待：即物体对参照物（系）的位置变化为零。

什么是运动状态的改变？物体由静止变为运动，由运动变为静止，或者改变运动方向。因此，除了匀速直线运动，任何变速运动（包括直线运动和曲线运动中物体速度大小和方向的变化）都是处于运动状态时刻发生改变的过程中。

若物体所受的外力的合力不为零即物体受到了力的作用，它的运动状态就要发生改变，就要产生加速度。可见，力是使物体产生加速度的原因。由此可知，物体的加速度与它所受的力密切相关。另外加速度还与物体本身的质量有关，牛顿第二定律则是揭示了加速度跟力和质量的关系（包括数量关系和方向关系），它指出：物体的加速度跟所受的力成正比，跟它的质量成反比；加速度的方向跟力的方向相同。

第4篇：动物的运动方式范文

关键词：小学科学；探究活动

中图分类号：G623.6 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2013）01-100-002

小学科学课教学，教师重在把握学生生成性的学习动态，创设一定的情境，捕捉学生的个性问题，根据学生的实际情况和教学活动中实际发生的事件，有效地推动学生的科学探究活动，创造性地驾驭课堂。能通过观察、实验、制作等活动进行探究。总之，要让学生亲身经历科学探究的全过程，通过合作、操作、观察、讨论，获得科学知识，增长综合能力和创新意识，体会科学探究的乐趣，培养科学兴趣。

教学内容：苏教版小学科学四年级下册三单元第三课

知识目标：

1.知道物体有移动、转动、滚动、振动、摆动等运动方式。

2.能按运动的轨迹给运动方式分类。

3.知道一个物体在运动时可能具备一种或一种以上的运动方式。

技能目标：

1.会用图示法表示各种运动方式的特点，并按运动轨迹给日常生活中的运动方式分类。

2.能够分析复合运动的运动方式。

情感目标：

1.培养观察能力，体会到生活中处处有科学。

2.感受科学探究的乐趣。

3.培养合作交流的兴趣和能力。

教学资源：

教师准备：小车、手表、课件、各种运动方式的图示

学生准备：风车（中心与一个角各贴上一个红点）、易拉罐、玩具、活动记录单等。

课前观察不同物体的运动

教学过程：

一、激趣导入

1.同学们，你们瞧，老师带来了什么？（出示小车、手表）不知道你们有没有留意它们是怎样运动的？让我们一边仔细观察一边用手指画出它们的运动路线，看它们是如何运动的？

2.实物展台演示小车手表指针的运动、提问。

3.同学们说的小车在移动、手表的指针在转动讲的就是它们的运动方式，那你们想不想研究其他物体的运动方式呢？今天我们就来学习《运动的方式》。

【设计意图：从儿童认知的特点、水平出发，从儿童的已有经验出发来激发他们的探究欲和热爱科学的情感。】

二、知识探究

（一）指导探究

1.每个小组都准备了纸风车，下面我们就来玩一玩吧！请同学们在玩的同时注意观察并思考这两个问题：

（1）风车叶片运动路线是什么样的？

（2）怎样用画图的方式来表示？

2.下面请几位同学来说一说

3.小组讨论怎样用画图的方式来表示风车的运动路线。

4.用我们小组讨论出来的方法把风车的运动路线画在记录表上。

5.小组展示。你们对他们小组采用的画法有建议或不同意见吗？

6.我们在用画图的方法描述物体运动路线时还可以用“点”来表示移动围绕的点或起始点，用箭头表示运动方向。

7.学生修正画图。

【设计意图：在初步观察的基础上创设了真实的情境，让学生在玩中搞科学，不仅培养了学生的观察能力，也能使他们感受到科学探究的乐趣。】

（二）学生探究

下面我们就小组合作按这样的方法来探究其他几种运动方式，并画图记录。

【设计意图：自主学习、合作探究，使学生互相促进，共同提高，体会到合作的必要性，培养了学生的自学能力和合作精神。】

（三）展示交流

1.小组展示描述、图示的成果。

2.学生互评、质疑。

3.教师有侧重点的评价。

【设计意图：成果交流十分必要，具有两个优点：一是学生经验共享，互相启发；二是教师可介入评价，提升探究活动的层次。】

（四）运动分类

1.能按运动路线的不同将这些运动分成两类吗？说出自己的理由。

2.学生讨论后，小组的代表将黑板上贴的各种运动方式图示分类，并说出分类依据。

3.小结：运动方式的分类有很多种，我们可以按运动轨迹分为直线运动和曲线运动。

三、知识应用

1.观察这些物体的运动，想一想它们分别属于什么运动方式。

2.学生独立思考。

3.小组内交流、汇报。

4.小结：日常生活中物体的运动不尽相同，它们有着各自的运动方式。

【设计意图：一是让学生巩固运动方式分类的知识，加深对这几种运动方式特点的认识；二是培养学生的判断能力。】

四、巩固深入

1.我们再来玩一玩易拉罐吧！让它在你们的桌面上运动起来，观察它的运动方式。

2.有什么发现？学生汇报。

3.分析其所包含的运动方式，师指导。

易拉罐：旋转+移动或

易拉罐：

4.小结：在易拉罐的滚动过程中，它本身在转，还沿着一定路线移动，这个运动中包含了一种以上的运动方式，像这类运动我们称之为复合运动。【设计意图：在方法的指导下让学生亲历探究活动，体会复合运动方式是简单运动方式的组合。】

5.这些物体的运动包含了哪些运动方式？可以挑选自己感兴趣的，先自己思考，再小组讨论，写在记录表上。

6.汇报交流

7.除此之外，你还能举出一些例子吗？

8.小结：在日常生活中很多物体的运动都包含了一种以上的运动方式。

【设计意图：动手前先动脑。方向和目的明确了，思索着有准备去探究，学生们科学探究才更有效。增加活动的趣味性。】

五、知识拓展

1.玩一玩大家带来的玩具，让它们以各种运动方式运动。

2.学生互相交流。

3.小结：通过今天的课，同学们有收获吗？请同学们学以致用，课外注意观察日常生活中各种物体的运动，判断它们各属于哪一种运动方式。

第5篇：动物的运动方式范文

关键词：建构物理模型;跨膜运输的方式;教学的有效性

模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所做的一种简化的概括性的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具体的实物或其他形象化的手段，有的则通过抽象的形式来表达。模型的形式很多，包括物理模型、概念模型、数学模型等。以实物或图画形式直观地表达认识对象的特征，这种模型就是物理模型。模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。

在“物质跨膜运输的方式”一课的课堂教学中，学生在问题驱动下主动参与教学活动的各个环节，积极内化基础知识并参与知识的构建，从跨学科的角度建构熟识的物理模型，最终将三种跨膜运输方式的特点及影响跨膜运输的因素科学展现并理解深刻。在整个教学过程中，学生在积极参与中发展思维，在模型构建中发展知识，在分析归纳中锻炼能力提升，从而实现减负增效的高效学习，提升教学的有效性。

一、课题背景

“物质跨膜运输的方式”一节重点探讨了物质跨膜运输的三种方式：自由扩散、协助扩散、主动运输。本节在课标中的具体内容标准是“说明物质进出细胞的方式”，属于理解水平。根据该标准，依据教材内容，结合学校与学生实际，确定以下教学目标：（1）说出小分子、离子和大分子进出细胞膜的方式；（2）比较归纳自由扩散、协助扩散、主动运输这三种方式的异同；（3）分析影响自由扩散、协助扩散、主动运输速率的因素。

二、教学目标达成

1.展示课本70页的问题探讨，创设情境，设疑引入

2.探究―发现活动

活动一：展示表格，引导学生在问题驱动下自主学习，通过生生合作，运用科学的表达将表格完善。

活动二:构建模型，探究影响三种跨膜运输的因素

教师做以下引导：

教师注重构建方法和设计思路的引导，通过师生合作建构自由扩散的物理模型。学生先在教师的情景引导下，通过完善模型构建元素，在合作学习的氛围中，将协助扩散、主动运输的本质通过构建的模型生动形象的表现出来。接着小组代表在全班范围内分享成果，在对学生的创新性设计鼓励和表扬中，师生共同归纳。然后通过建构的物理模型顺理成章的将三种跨膜运输的影响因素理解到位，最终完善知识框架，发展认识，达成教学目标，完善知识框架，提升综合能力。

（1）构建物理模型的元素补充

【高】【低】代表跨膜运输物质在细胞膜两侧的浓度

（2）物理模型展示

（3）乘胜追击，要点突破

曲线①解读：物质的运输速度与物质浓度差成_____关系，自由扩散过程只受________影响。

曲线②解读：在一定浓度范围内，物质的运输速率与物质浓度差成____关系，协助扩散过程中物质运输速率受________限制。

曲线③解读：细胞以主动运输的方式吸收物质时，物质的运输速率与物质的浓度差的关系是_________。影响其吸收速率的因素是_________和_________。

（4）完善知识框架,形成新认识

三、教后反思

第6篇：动物的运动方式范文

主题词：空间性质产能机制引力板块动力

空间是一种具有无形无相认知特征的客观存在形式，用现有的科学手段难以直接地将其作为边界清晰、目标明确的研究对象，因而运用观察、测量、实验的方法获得相应感性事实资料的有效性受到了硬性的制约。物理学发展为一门实证科学的整个过程所获得的全部关于空间性质的认识，在总体上存在着以下两个方面的缺憾：其一是所提供的事实资料在绝对数量上不足以构成涵盖空间主要属性的有效样本集，达不到归纳过程据以发挥创造性联想所需的最低限度，不可能在构建适用的空间性质理论过程中发挥应有作用。其二是紧紧束缚于各种事实中心点周围的关于空间性质的陈述，不能廓清空间这一实体的内涵和外延而难于脱离客观事实表象的规定性，无法为假设、猜想等思维活动的起飞提供有效和合理的客观基础。所以这些已有的关于空间性质的事实资料及对其进行简单理性加工形成的认识群，象散布于大海上的孤立岛屿一样相互间缺少关联，无法以空间这一最基本的视角形成简明有效的基本概念，去排列和阐明相关事实、建构出实用的空间性质理论。本来在无法获得直接观测结果的情况下，还可以通过分析空间与其它物理对象相互作用产生的结果的途径，间接地找到理性认识所必须的逻辑起点。然而，科学发展的历史却并不按理想的状态进行，也正是由于空间存在形式无法观测的这一特征，使得空间这一客观实体在有史以来的物理学研究中往往不被当作物理过程的平等参与对象，空间自身参与物理作用产生的效果常常被先验地、不加分析地划属于参与同一物理过程的空间以外的对象，空间自身的属性在人们的观念中成了这些非空间对象的伪属性，空间自身却被剥夺得一无所有。因此，空间成了理性认识活动中一个明知存在却又不能清晰辩识的怪物。由于上述原因，在作为认识对象的空间客体与企图探究这一问题的好奇者之间形成了一条难以跨越的鸿沟。对空间这一特殊对象的理性认识活动中，最为困难的已经不是一般情形下由事实资料上升为理性陈述的发现过程，而是阻滞于建立对空间客体性质感性认识的过程，这项工作的现实难度使哲学认识的发展过程就此停顿。以往针对空间性质建立假说和理论尝试大体上有三种形式：要么为玄学或形而上学，处于理性认识自身营造的环境中不能自拔，与现实空间存在形式缺少对应；要么由于理论自身的内涵不能容纳客观事实的实证要求而被淘汰；要么由于理论过于繁难，不知所云而缺乏实际应用价值。相关于空间性质的理论与一般意义上成熟理论所应具有的内容充实、形式完备、适用边界清晰、实用性强的要求有着较大差距，写实地描述空间性质的理论图象始终没有出现过，人们不能象运用引力计算相类似的方法处理空间的问题。

但空间并不是不可以认识的自然对象，依据世界上所有事物之间都存在着普遍联系的这一观点看，空间的存在绝不会是孤立的，其必然与物质、能量等其它形式的物理对象发生着各种各样的作用与联系。这是自然界为我们寻找认识空间性质问题的突破点所插上的一块免费的路标。无论我们对空间与其它物理对象间的关系持什么样的观点，只要是将空间作为一个明确的研究对象时就会发现，它几乎是所有基础性的物理学理论和实验都回避不了的内容。由于这样的原因，近代物理学在对不同的研究领域，不同的研究内容，进行不同目的的观测和实验的过程中，实际上已经不自觉地获得了大量的相关于空间性质的事实资料，只是由于忽视了空间的客观存在所造成的作用效果界定不清、对空间基本概念和理解错误造成的事实性质判定不准两个原因，使得这些事实资料在目前的科学认识中被认为是无关于空间性质的内容而不能直接地用来说明空间某一方面的性质。现存科学事实的陈述形态也不是以研究空间性质的面目而出现的。想要利用这些科学事实阐明空间性质的问题，有必要在判定这些事实资料具有客观性的同时重新审视其陈述形式，从新的视角来确定其内涵、外延关系，剔除附着于其上的主观影响因素，还其作为空间性质理论基本素材的本来面目。作类似的操作需要对已有的相关于空间性质的科学事实的实质有比较深刻理解的同时，还要对空间自身存在状态作出整体及宏观性的理性把握，以求新确立的理论框架能自洽地容纳科学及哲学两个方面的内容，从而使理论更加有效地逼近自然的真相。单纯的数学方法作为研究工具所提供的空间模式并不是真实物理世界的描述。掺入物理因素形成的数理方法是对予设前提下过程的一种描述，其逻辑的完备性和过程描述的精确性不是理论的全部内容，只是理论的构成要件之一。认识空间性质的逻辑起点在数理方法之前，所以逻辑起点的构建才是空间性质理论这一特殊对象的基础和核心。数理方法的合理性和表达力取决于这个逻辑起点的涵盖性、科学性以及规范性。如逻辑起点构建的合理，则数理形式就会有相对简洁的特征；如逻辑起点的内涵不科学或不合理，则命题表述就会以复杂的数理形式出现。所以简洁性历来是理论选择性判别的一个基本原则。这里想着重说明的是：所谓简洁性是指理论的数理形式及数理形式运行过程的可操作性两个环节均应具有直观、简单和有效的特征。形式的简洁不代表运行过程可操作性的简洁，这两个方面中的任何一个方面不具有简洁性，则就标志着概念的理论规范工作做得不够完美，毕竟本质对于现象而言是简洁的。

空间性质的研究直接地是自然观的一个组成部分，作为认识对象其内涵和外延均涉及较广泛的内容，单纯地以数理形式对这一命题内容进行研究，其涵盖性及表述能力远没有哲学形式更为有效。在数理方法之外哲学对存量知识进行综合、抽象的优势研究方法，可以尝试作为研究工具直接介入到空间理论框架的建构中来。运用哲学研究所擅长的思辩功能，对二十世纪科学提供的素材进行不设前提的深入思考和加工提炼，也许能够创造哲学与科学再次融合的成功范例。将哲学引入这一问题研究的另外的原因是：①空间性质研究需要宏观的视野和理性的综合；②自亚里斯多德以来，空间就是哲学所关注的内容，关于空间性质的理性思考大多数以哲学论述的面目出现于哲学著作中；③空间感性认识过程本身的特殊原因（存在形式）。

东方哲学对自然规律宏观的、形象的描述与现代物理学对自然现象的许多理论解释有着形式和内容的相似性（比如阴阳的概念），这一事实已经引起近代和当代国内外许多科学家及哲学家的充分重视。只是由于非中文基础的研究者对中国文化理解的局限以及中文基础的研究者对古代哲学与科学关系的错误观念，迟滞了东方传统哲学与西方哲学基础上发展的主流科学之间在本质上的交流、融合进程，没有发展出新的具有杂交优势的科学成果。东方哲学与现代科学对自然现象的相似性描述可以肯定地说，并非完全是一种认识结果的偶然巧合。它证明了一种观点：即比类取象的认识方法对宏观现象的本质性的理解有着独特的效果。对现代自然科学而言，东方哲学关于自然的理解无疑是提供了一种全新的认识视角。借鉴宏观摹写自然规律这一全新视角，并以现代科学理论及其认识论作为重新审视、诠释传统哲学内容的方法，对空间性质及其与其它作用对象间的相互关系进行逻辑表述，也许会成为认识自然存在的新方法，从而产生新的符合科学规范的有效认识。

1.空间客观性质的哲学证明过程

《易经·系辞》中“易有太极是生两仪，两仪生四象，四象生八卦”的论述以及卦爻的结构方式包容着建立空间性质理论感兴趣的两条自然规律：其一是已经成为现代科学以及哲学基本法则的阴阳对立观念。这一观念在高度抽象地、理论性地刻画宏观自然规律的同时写实地描述了电子等粒子的电性对称。其二是《易经》提出了一种解释物质存在和发展规律的三层结构模式，客观地表述了自然界的生成和发展过程。同样的物质生成发展思想也出现在《道德经》中：“道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，中气以为和”。可以注意到其生成层级的数量描述同为三。两种理论描述的关于物质创生的模式都是在既存背景基础上连续发展的动态变异。它不是一种存在形式的出现以另一种存在形式的消失为代价的交换过程，事物由简到繁发展的过程是在同类基础上进行的反复叠加，在新生成的异类中包容着旧有的存在形式，新旧形式相互将对方作为共存元素构成系统。同一事物整体与局部的上下级之间由于至简原则的制约有着全息模写的对应关系。佛教经典《般若波罗蜜多心经》中有：“色不异空，空不异色。色即是空，空即是色”的理论陈述。其主要含义是说自然界（或物质）与空在本质上是同一种存在形式。用现代科学的理解、译介这些沉淀在我们民族潜意识中的智慧晶体时，首先碰到的问题是它们究竟说的是什么？阴阳的概念由于现代科学知识的普及在中国人的观念中已经与实指的科学概念（如正负粒子）相融合而可以无障碍地接受。《道德经》的数字“一二三”显然不可以理解为毕达哥拉斯数本原式的对自然界的认知和描述，作为存在于本原规律（道）与万事万物之间中介环节的“一二三”不仅仅是数字，而是代表了三个层次的具有本原色彩的、性质特征可以类比的、相互联系着的事物，由于古人的表义符号系统与现代科学的复杂的表义符号系统不同，原著对此又没有做进一步解释，其意旨我们现在无法了解。同样地，释迦“空”这一概念的原始含义究竟是指空间还是空无，其意旨我们现在也无法了解。但只要是把宇宙或物质的创生过程作为描述对象，则可以用运的基本构成要素毕竟只有有限的几种，内容正确但表述不同的理论之间必然可以找到相互融通的逻辑通道。我们将现代科学已经建立的完善的陈述系统与东方哲学理解自然现象的内容及其逻辑形式强行进行综合或者说嫁接，将上述兼有东西方特色的、纵跨古今的、对空间性质的认识作为研究空间性质的基本假设，则有：能量与物质是同一客观存在实体——空间的异化表现形式；空间凝聚则成能量，能量凝聚则成物质；三种存在形式的动态指向是自然界规定性的演化顺序。

我们将上述假设称为空间性质的同一性假设（简称同一性假设）。所谓同一性就是说空间、能量、物质三种存在形式在本质上是同一个客观实体，外在特征上的不同是且仅只是聚集状态的不同；自然界三种存在形式之间存在着的动态变化也就是空间密集程度的不断变化。三种存在状态在所知自然界的由空间聚集产生能量进而由能量聚集产生物质的演化顺序，不是任意发展的，而是有着明确指向以强规律的形式发展的。

由于在一般物理作用中康德称之为感性纯直观的时间和空间有着相似特征的缘故，牛顿以后的物理学已经根深蒂固地将时间和空间归为一类，常用时空的联合概念来为物理过程提供背景，在天文观测中甚至以光速为基础将二者当作一个可换算的量。正是这一看似合理的分类造成了对空间性质理性认识的逻辑困难。常规观念中时空同一的概念割裂了现实世界中空间与非空间事物的本质联系。时间和空间两种在本质上不具有类比性的物理对象的并列，诱导人们将空间视若无物，放弃了对空间物质性特征及其与其它对象相互作用的关注。对于自然的三态存在而言，如果我们剔除了时间的因素，则这种存在的形式没有任何改变。但如果在存在关系中剔除了空间因素，则存在状态就无法想象[1]。这个事实说明将空间划出三态结构与时间并列是对空间性质了解不足的表现。有鉴于此，将空间、能量、物质当作统一实体描述的同一性假设，提供了以分析空间、能量、物质的相互关系作为基本出发点进而研究空间性质的理性认识基础。

自然存在的空间是物质、能量存在的背景、条件和本源，因而空间是具有更加本质意义的存在形式，能量次之物质再次之。由此形成了一个物质、能量、空间三态存在本质性的序列关系。这一序列阐述了自然界进化形式的发展特征。空间作为能量创生的背景和本源其自身已经是最本质的存在，因而否定自外于空间的其他本源和背景的存在，所以能量被无可选择地包容在空间中；空间的存在先于能量，空间必然独立于能量。能量作为背景和本源的特性有别于空间同一特性的是——能量只是空间内属的存在物——它不可能整个地充满空间，所以能量在空间中必然是有界的存在形态。同时空间独立于能量的存在特性在任意能量存在的边界之外提供了与此相同条件，能量的存在就不能排除与此完全相同的另外的存在，换句话说就是能量的存在不是唯一的。以能量作为观察问题的立场，对此作出表述就是：能量是不连续的，因而它与空间之间必然是有界的。由空间能量依存关系相同的道理推论可知，能量与物质的依存关系为：在能量背景基础上生成的物质不可能独立于能量存在；相反能量可以独立于物质而存在（即电磁辐射）。在客观现实中物质不能有独立于能量的存在这种依存关系表现为：一方面物质自身就是能量历史的积累；另一方面物质总是能量的载体。电磁辐射可以看作是物质边界以外的能量，这是其作为物质存在背景有自外于物质存在边界的证明，也即是其存在本质性的证明。这也造成这样的存在状态：除电磁辐射外物质与能量总是以相互伴生的面目出现。而且由于物质不能脱离能量存在的规定性使这种依存关系表现得极为明显，常使人将两者看作是相互平等且相互作用的物理对象。空间和物质的关系可由空间和能量、能量和物质的逻辑从属关系获得解释，显然物质不可以独立于空间存在，空间可以独立于物质存在。

总而言之，空间、能量、物质的依存关系可以表述为：物质和能量不能脱离空间而独立存在，空间能够脱离物质

和能量独立存在；能量能够独立于物质，但不能独立于空间存在；物质不能脱离空间和能量而独立存在。所以存在独立性与本质性在这里是内涵相同的两个概念，它们均源于创生关系。对自然界三态存在形式的关系进行实际的考察，不难取得三态依存关系理论的有效和直接的事实证据。自然界空间不断地转化成能量，进而转化成物质这种生成秩序维持着宇观系统、微观系统的能量支出及其结构的稳定性。光子的运动若没有这种生成秩序作为其不向空间方向转化的保证就不会保持稳定，存在着自动消解为空间的可能性；物质如果没有能量增生维持着电子自旋等结构稳定的需求就会向能量方向转化而解体。在三态转化的过程中，空间是最为活泼的存在状态；而物质是终态存在形式，是空间和能量运动的结果，也就是最为稳定的存在形式。对于存在形式的动态系统而言，质量和能量的守恒都是对各自形态封闭层级上稳定性的一种表述，超出这种封闭的系统，意味着能量和物质都不会守恒——质量有可以观测到的增加，能量则处于一种动态的转化过程中。空间和物质相互关系在这里提供了的能量和物质质量的定义，它是以空间为背景或计量起点的空间聚集量的同意语。可以说由此我们得出的能量和质量概念是绝对能量和绝对质量的概念。

对于三种的存在状态而言，主要有三个可以描述的特征：①连续性：指空间域内任选点间均可以找到不超出该域的路径相连通的特性。②均匀性：指自然存在空间的存在特征处处相同。③简洁性：指存在形式具有单一的、有效的和直接的特性。如果定义理想性的含义为：指称对象的存在和作用具有最高形式的均匀性、连续性、简洁性特征。那么，以存在状态来说，空间是最理想的形式，能量次之，物质再次之。造成这一现象的根本原因是，从空间到物质的每一次异化所提供的新的存在形式都是在原有存在形式上的叠加，因而也就是存在形式的复杂化，连续性以及均匀性都向远离理想状态的方向发展。以三态间相互作用的形式来说，由其理想性决定了一个不同存在状态之间相互作用的理想性序列：空间和能量（光子在真空中的运动）＞物质与空间（有质量的粒子在真空中的运动）＞能量与物质（热传导、电传导）＞物质与物质（流体运动）。这个序列内涵的一种判别方法是参与作用的所有对象的异化次数之和较小的作用形式相对而言理想性较高。以本体的属性而言，三种存在状态属性的理想性也具有类似的排列。以上即是关于空间性质及其在三态关系中作用效果的理性表述。这些内容本身是客观性的，只是其认识的抽象程度更高而适合于哲学性描述。由此可以逻辑地推论得出以下成为物理学范畴的空间性质：

*物质性：

由三态同一性假设可以推论：由于能量、物质是空间这一客观实在的异化表现形式，且三态存在的转化是一种连续的发展过程，而非断然的变异（而且在转化过程中互为存在背景）。所以三态中的任何一种存在形式，必然蕴涵着其它存在形式的属性，只是其表现的形式有理想性程度的差别。必然地空间具有与物质相同的某些属性。空间的物质性是空间在异化为物质的历程中保持着的空间自身的属性，因为这种属性在空间和物质中都可以发现，因而称做空间的物质属性，不是指物质属性向空间的反向延伸。如空间拥有可测的介电常数、光子以恒定速度在真空媒介中运动。

*运动性：

由连续性和空间同一性假设联合推论：空间不可能以撕裂等破缺形式转化为能量而消失，缺失的部分只能由相邻物空间给予补充的唯一形式就必然会造成空间实体此一局部与彼一局部的相对运动。空间之所以可以运动是由于我们已经将空间从空无的观念形态中寻找出来，并恢复了其实体物质的固有属性。空间的运动也就有了逻辑的基础。从一般意义上说，空无的存在状态本身是无所谓运动和静止的，“存在”这一哲学概念是划在空无与实有相

互边界上的判据。历史上人们为了客观地描述空间的实在性，避免空间作为异己或外在的存在形式给人带来的不可知特征，曾提出了各种各样的描述，其中中国古典哲学中“气”的概念以及西方近代“以太”的概念都有效地描述了空间的物质性，只是由于不知道如何将这种物质性与其他物理常识逻辑地联系起来，被掩埋于错误观念的历史封尘中。据说以太概念是由于迈克尔逊—莫雷的实验结果才被否定，实际上这一实验所说明的是空间的物质特性与空间的运动特性具有相对独立性，同时空间存在的理想性不等同于我们所知物质或能量的理想性。

*刚性：

在存在形式上空间已经是最高形态，它与物质和能量的区别是没有独立于自身的外在存在背景，或者说是空间以自身为存在背景的。这就可以推论，当我们承认空间是均匀的这一基本的原理时，也就等于承认了空间没有局部的稀薄化或稠密化。空间具有物质性就等于是说空间的存在是有即存量的概念的。这个量的概念不是数学上的概念可以人为地设置增减变量来表达一种发展的趋势。现实世界的即存量的改变，是要相关系统的相互作用才能实现的。空间即存量的增减如果没有找到相关系统的改变足以抵偿这种改变的事实依据，则其结论就是违反基本逻辑的。上述两点推论的明确结论是只要空间具有均匀而稳定的存在形式，也就是说空间具有绝对的刚性。空间大爆炸理论就是一个缺乏哲学底蕴的理论，因为消散和稀薄化是物质的属性，这种动态过程的背景和参照是空间，空间扩张应该需要物质的补充，由此形成的宇宙结构应具有可观察物质组织消解的特征，这与普遍存在的物质状态基本特征不符。

*广延性：

空间的广延性是指能够被人为设定的坐标体系描述的空间的可测度特性。广延性是由于空间的连续性没有方向的限定所表现出的一个特性。由于物质及其运动的原因使人们的理解有了外延于物质的条件，于是空间的广延性成

为进入人们感觉世界的唯一特性。真实的自然空间是没有超出其范围的事物的。

2.空间性质哲学解释的数学模型化描述

物质是异化的空间形式，区别于空间的特征是其存在形式有形有相。有形就是有可观测的特征，拥有一定的体积。也正是这种可观测特征使空间和物质的关系显化，空间因为物质的这种存在特征而可以被物质提供的尺度所度量。目前物理学已有的关于空间的度量形式（如体积和位置等）都是物质度量形式向空间的延伸。物质的存在为物质与独立存在的空间划上了一条明确的边界。在这个边界之外是纯粹意义上的空间。边界之内是纯粹意义的物质，物质内部的空间已经成为物质的属性——体积——这是空间异化为物质过程中所保留的自身属性，由于物质自身可感知的原因被显现出来。空间向能量的转化造成了空间的收缩运动。空间的收缩可以发生在空间自身范围（如微波背景辐射），同时也可以发生在能量存在的范围，或者发生在物质的内部。我们从纯粹空间的存在角度考察空间收缩的数量关系，即建立空间存在量与收缩量之间的数量关系时不难理解，在空间存在均匀性作为规范前提下的空间收缩必然会具有处处相同的观测特征，空间没有内涵任何不同于其它点的特殊点表现出优先或滞后的收缩倾向。这种观测特征表现在量上即为所有空间点的产能量处处相同。由此可知产能的数量与空间的既存量呈正比例。对于能量和物质内部的空间收缩而言，可以将物质和能量视作是空间量的历史积累值，所以在能量内部空间的收缩要比空间自存状态的收缩表现的强烈，而其在物质内部的收缩则是最强烈的。对此还可以引入透明度的概念，空间对其自身的完全透明的，而对绝对密实的物质则是完全不透明的，不透明的物质对空间有阻断作用，由此诱发空间恢复其连续性的运动，则透明度正相关于空间的收缩强度。

这里主要研究物质内部空间收缩所造成的空间运动效应。对于空间的运动给出什么样的度量这是研究空间运动效应的基本问题。由于空间存在无形无相的特征无法为空间的度量提供设定基准、相互比较等技术操作方法，且空间存在的均匀性和连续性不提供任何可分割的依据，所以从空间自身是无法给出关于空间的度量的。现实中空间的度量所依据的是物质在空间中的可见形式，是物质度量特性在空间的延伸。

球体是宇宙间物质的普遍存在形式，这一形式自身也是空间运动的产物。以球体物质系统为例描述空间运动的宏观效应，可以较好地说明宇宙间物质与空间运动的关系。如果我们将物质的存在及其相关的空间独立地划作一个系统，则可建立用于描述空间和物质相互作用的理想物质系统模型（如图1）：设虚线的位置距地心足够远，空间在此处的运动的速度小于特定的微量而可以忽略不记，则认为物质系统在虚线的位置运动速度为零，称虚线为物质系统的外边界。具有外边界的物质系统定义为理想物质系统。真实的物质系统将不具有运动速度为零的外边界，所以上述理想物质系统是对真实物质系统的近似，由此所获得的理想物质系统的表述也相应地是对真实物质系统的近似。

图1地球物质系统中物质的运动模型

以下我们用数学方式对空间运动描述的有效性和精确性作为基本方法，建立与现代物理学的关系，以此证明空间性质哲学论证的正确性。首先明确以下数学表述的前提：

*如果物质的既存质量随时间的变化较为缓慢时，可以认为在研究空间运动所选定的时间跨度内（如千年、世纪），空间的运动是只相关于物质存量的定常流动。

*空间的三维存在特性要求在空间性质的研究中采用体积（线形量的立方）作为描述空间运动的基本度量形式。

*物质边界内不再是纯粹意义上的空间，所以空间的运动将不存在（速度为零）。

*描述空间的运动需要引入时间参数，在习惯的观念中存在是一个时间概念。实际上存在首先是一种形式，当我们讲述一种存在时往往是说他的形式而抽离了时间概念。当我们讲述运动或变化的概念时才用到时间的概念，所以说空间的运动是时间的原因。如果没有空间的运动宇宙间将没有物质的运动及变化，没有运动和变化也就不会有时间的概念，或则说没有时间的存在。所以说时间只是空间运动的属性，在这里为了简化研究对象假设时间是独立于空间的一个参数。

若以空间的体积度量指标描述单位时间内流入物质的空间数量规律，则显然有：

*物质存在的形式决定了空间运动是围绕球体物质的、具有数学理想特征的球形空间流场。

*理想的物质球体的质心是一个特殊点，空间从所有方向均布指向质心的结果是空间运动在质心的相互抵消（虚拟状态），空间的运动将以该点作为参照点。

*空间运动的状态正相关于物质的存量，即相同的物质存量在相同的时间内，所吸收的空间量相同。

由此不难推论：空间从虚线位置开始到物质边界为止的运动是相对于质心的理想的匀加速运动。所谓匀加速运动是指从物质理想系统的外边界到物质边界的整个运动中，空间以体积量为度量的加速度具有恒定的数值，且数值与物质质量成正比例。为研究空间运动过程，标定一个随空间运动的虚拟点p。则以质心为圆心过p点的同心球面的运动，就等价于同心球面所围空间被物质逐渐吸收消失所造成的运动。满足上述前提的空间运动的数学描述是：

gv=4πh2g（1）

其中gv为以体积度量的空间运动加速度（m3/s2），它不同于空间框架下有体积存量物质流体的匀加速过程描述方式。t为空间消失的时间（sec）。h为物质系统内任意点距质心的距离（m）。g为相应距离点的线形加速度（m/s2）。在目前物理学观念中，重力加速度随距物质质心距离的平方反比变化，就是将gv转化为线形量表示的结果。

考虑物质表面具有特殊性，建立空间运动在物质表面的运动描述，由式（1）得到：

d2v/dt2=4πR2g0（2）

其中，V是过p点的同心球面所围空间以体积度量的数量（m3）。t是从边界开始记录的时间（sec）。g0是空间流入球体物质表面的最大线量速度（m/sec），等于物质表面最大加速度和一个时间量的乘积。R为物质球体的半径（m）。

对于上述物质与空间的运动体系，可表述为以点p为表征的空间流动的线速度，则其速度值是位置的函数。由此解析空间运动速度、加速度与位置的关系可建立物质球体周围空间的理想流动方程。在空间任选点，距物质中心为h。以h为半径的空间球体体积V的改变写作线形表达形式代入式（1），并对时间微分得空间速度、空间加速度、物质的位置三者的关系为

h2g+2hν2=R2g0︳h＞R（3）

其中g是任意选定点空间运动的线量加速度，v为该点空间运动的线量速度，g0是空间在物质球体表面运动的线量加速度，三者均指向质心。式（3）揭示了在物质系统系统中，任意选定点的空间运动速度、加速度都可以表示为空间位置的函数。即在任意选定的空间位置，都有相应的空间运动的速度、加速度数值。空间作为其自身的存在形式在其越过物质边界的瞬间将不复存在，因此当h=R时，空间的运动亦不复存在，其表述形式即空间运动速度为零。因此式（3）是一个间断函数，只在h＞R的范围内连续。空间在其流入物质内部后虽然作为空间的运动形式不存在了。但其具有物质属性的原因，作为物质仍然发挥着特殊的作用。式（3）是物质系统中空间运动的基本方程，揭示了空间运动的一般形式，而与目前物理学的内容相同。

建立了物质存在决定的空间运动场之后，以下研究空间运动场中的四种现象：

A.物质相对于运动空间静止的运动

空间与物质之间相对静止的含义是引入空间场的另外的物质与空间场自身相对于引起空间运动物质的质心两者的运动速度相等，即物质系统中物体p的运动完全等同于空间的运动。将式（1）积分，整理并用线量代替体积量可得：

h3/t2=3/2R2g0（4）

其中h为物体p所在位置与质心的距离。R是物质的半径。g0是空间运动在接近物质表面时的最大加速度。t是物体p所在位置到地心的空间运动时间。式（4）描述的是物体从远离质心的位置下落所遵循的规律，是物质随空间运动

的理想落体方程。在这一过程中物体不受力的作用。

物体作圆周运动基本条件是离心加速度等于向心加速度。如果T为一个物体在距质心一定位置绕质心作圆周运动的环绕周期，则由式（1）和圆周运动加速度的定义式经过推导可建立其与落体时间的关系：（5）

将式（4）和式（5）比较则有：

T2/t2=6π2（6）

式（5）即是从空间运动的前提出发，获得的理想物质系统的开普勒第三定律。物理意义显然是描述了过理想物质系统任意点且以物质质心为圆心的封闭球面运动物体的运动规律。式（6）是圆周运动条件（离心加速度和向心加速度相等）的另一种写法。

B.惯性力与引力的区别与联系

考察运动物体与其上放置小球所组成的系统（图2）。当物体加速运动时，小球会向物体运动相反的方向滚动。经典物理学认为这一现象是小球受到了惯性力的作用，而这是一种找不到施力者的虚拟力。

图2运动物体与小球系统

虚拟的惯性力与引力之间没有任何实质性的可区别的作用特征。这种描述有一种将事物本质联系割裂的感觉。用空间运动论的观点解释这一现象可以得出以下结论：将空间和物质作为运动过程中平等的参与者，空间相对于物质与物质相对于空间的加速运动应具有相同的效应。引力即是加速运动空间对存在于该空间物体作用结果的显示；而惯性力是主动运动物体相对于空间加速运动产生的效应。这就是说，力是空间和物质的相对加速运动产生的作用效应，惯性力和引力仅由于参照系选择的不同才分别给出了两种力的不同定义，没有本质的区别。牛顿万有引力定律所表述的就是空间运动对于物体作用的结果，牛顿第二定律所表述的惯性力就是物体自身运动作用于空间所产生的结果。由于在人类认识发展的历史上还没有发现两者之间内涵的一致性，将惯性力与引力看作了两种具有不同特征的作用力。如认为空间的作用是系统响应的原因（小球运动），则惯性力只是物体相对空间加速运动时空间对小球的作用。引力质量与惯性质量高精度相等这一现象即有力地证明了引力和惯性力是同一种作用以不同立场得出的结论（分别认定物体和空间作为运动对象）。由于此前的物理学不加论证地假定空间是静止的，因而对万有引力的作用方法和性质都无法给出事实以外的、富余逻辑的解释。忽略空间的物理存在及其对物质作用前提得到的引力作用被认为是一种由物质出发到物质的超距作用，对这种力究竟如何传递这一问题就有了光子传递引力的近乎玄学的解释。建立了空间运动的概念后引力的传递方法和过程就可以进入理性认识的范围。由此也可以合理地解释引力能够被运动所抵消这一物理事实的含义：空间加速运动对物质的作用效果等同于物质相对于空间的加速运动的效果。

C.空间相对物质加速运动

经典物理学清晰地辨析了引力和惯性力的不同，实际上就是将相同作用形式在不同参照系描述产生结果所表现出的细微差异给出了区别，这就将一个最有可能影响其体系完整性的因素在自觉与不自觉之间有效地排除了。牛顿第二定律给出的关于物质运动和力的关系实际上是物质和空间作用关系精致的数学描述，可以看作是对实际的空间结构及其与物质作用关系进行理想性抽象得到操作模型系统后，用实验方法确定的物质与空间相互作用效果的定量关系。之所以说牛顿第二定律是理想的操作模型系统，是因为其成立预设了以下的前提：

*空间相对于物质运动的参照系是静止的；

*空间独立于物质的存在，不参与物质的运动过程；

*运动过程产生的所有效果只相关于物质，而与空间的存在无关；

*物质在空间中的运动速度不至于使我们感觉到空间流速场的等速曲面的影响；

*在选定的物体运动范围内，空间的性质处处相等。

理解了牛顿第二定律的上述预设前提之后，就可以将牛顿第二定律的观念扩展运用于考察物体p在地球理想物质系统行为。相对地球质心静止的物体p若以空间作参照就必然相对于空间作加速运动，因而产生力的作用效果，由式（1）可得：

F=mR2g0/h2（7）

其中F是引力力值（N）。由前面的论述可知：恒定的物体质量获得恒定的表面加速度，加速度与物质质量成正比，若G0为比例常数，则：

4πR2g0=G0M，令G=G0/4π，

则式（1）可表述为：

F=GMm/h2（8）

式（8）牛顿万有引力定理可以由其第二定律无任何假设地推导出来。引力随距离变化采用平方反比衰减的方式就是空间球体运动的结构特性在万有引力定律中的反映，这就可以圆满地解释万有引力的平方反比率的由来。引力

常数（G）的含义可以解释为：单位质量物质所能引发的空间流动在物体表面的加速度值，其单位的量纲对此结论是一个有效的证据，只是目前引力常数与此常数差4π因子。

牛顿第二定律提供了绝对质量的有效测试方法，由加速运动过程测出的可由长度和时间标志的物质质量数值是绝对质量。质量不再是密度和空间占有量的关系常数和纯粹物质自身量的相互比较，质量是物体运动过程中空间与物体相互作用所产生效果的一种具体的表征，由此可以建立运动和重力联系，进而由此出发研究空间的运动。如果没有空间和物质的这种作用，物质将只有可以测量的体积，而没有可测度的质量。因而质量归根到底只是物质与空间相互关系的度量。在现有观念中把质量看作只是物质自身的属性，原因是不懂质量的根本意义。

D.理想物质系统中近地表空间对物体的作用

在近地表运动距离较短时，g=g0为常数，自由落体可视作任意点初速度为零时物体随空间的运动。这时物体的运动速度不等于空间的速度，运动过程中仍受空间的作用。物体运动遵循规律是：

h2dh/dt=R2g0t（9）

整理并略去小量得：

V=g0t（10）

其积分形式便是伽利略斜塔落球实验所求证的结果，自由落体等同于匀加速运动。

由于式（1）在地表是间断的函数，结合式（10），从空间方向逼近地表可得最大空间运动速度：

h2dh/dt=R2（dh/dt+g0t）（11）

整理，当hR时，

Vmax=（1/2Rg0）1/2（12）

代入数值Vmax=5.587km/s,此即流入地表的空间速度。显然式（12）适用于所有天体系统。物体运动的切向速度等于径向速度时为正圆周运动，由此合成的环绕速度为：（13）

其中V1为第一宇宙速度。

以上四个方面的表述并不谋求给出经典力学定理新的数理推导，而是希望籍此证明空间性质新的哲学解释在具体应用中的可能性，并用数学推导过程完备的逻辑来检验空间运动论所提供的这种哲学观念的正确性。如果承认上述推导过程所证明的空间运动理论提供了此前物理学所没有的内在逻辑的和谐性和简洁性，使的牛顿第二定律、开普勒定律、万有引力定律之间的相互关联剔除了空间运动假设以外的所有其它主观假设，就应该从理论判断方法的角度承认空间具有受物质作用而产生运动的特性。上述推导过程直接应用了牛顿力学中的速度、加速度、动量等概念而没有重新定义，显示了空间运动理论可以兼容经典力学的所有方面。建立动态空间的观念就可以清晰、完整地理解开普勒第三定理、牛顿第二定理、万有引力定理、加俐略落体实验等经典理论内涵的哲学统一致性，并对其数学的结构形式、常量、适用范围等作出合乎理性的解释。

3.空间性质哲学描述所蕴涵的新的宇宙观

自然界凡物质聚集的地方均存在着不同程度的能量释放过程，例如恒星辐射、星云红化、太阳系行星及卫星均含有内部热源等。天文观测中质光关系的发现更进一步地为这一现象提供了定量的表述。从空间同一性的观点出发宏观地解释这一问题所得到的结论是明确的：伴生于物质存在的能量过剩现象是空间凝聚产能导致的结果。空间在异化为能量与物质之后已经有三种具体的存在形式，这为空间的收聚产生能量提供了三种不同形式的场所，即空间收聚产能分别在空间、能量、物质的内部发生。在空间场所发生的空间产能现象，如宇宙空间的无源x-ray等高能射线爆发、微波背景辐射等都是这一现象的理想侯选对象。空间在能量场所的聚集目前无法观测，因为我们无法对光子或电磁波在统一地点作两次能量变化的测试，对此高能物理的研究也许会提供光子或电磁波在空间的运动中会得到能量的补充证据。相比较而言在物质场所空间聚集产生能量的过程是最容易发现和证明的。对宇宙间普遍存在的能量过剩作空间收聚产能的解释，要比目前通行的核能解释合理和有效。由于以往物理学所知道的产能方式有限，将无法理解的自然过程统统装入了核能解释的口袋。对其解释逻辑上的致命缺陷只能采取视而不见的态度：物质释放核能必然要带来引力持续减小的后果，引力数十亿年持续减小积累的结果对于一个星系发展的历史而言，会造成星系的结构消散的现象，这与星系普遍盘卷、收聚的有序化、组织化的观察特征不相符。相反，能够合理解释物质收聚的原因只有一个，那就是引力的增加改变了物质的固有存在结构。进而引力的增加只有一种可能的原因——物质质量的增加。核能解释还有一个缺陷——不能对不同聚集态度物质的能量产生过程给出统一解释，例如将太阳发光解释为核聚变，太阳系行星的地热解释为核裂变，但无法解释星云红化。这与本质的存在形式具有单一性的基本认识特征存在深刻的矛盾。对所有现象做个别性的分析不能理解这些现象之间所蕴含的共同特征，而正是这些隐藏在现象背后的共同特征的才是理解过程所要达到的真正目的。直接地将现象所共同拥有的作用要素（如空间、能量）选择作为研究对象去理解不同现象间共性的产能方式是一种宏观的、绕开了复杂的综合和抽象的过程的更为有效的认识方法。

空间在某种意义上说是一种蔬散存在的能量形式，大量流入物质内部在向质心收聚的过程中转化为能量的形式，这种能量是宇宙间能量的根本来源，它维系着宇宙基本能量的过剩支出形式。恒星质光关系和赫罗图的发现更为彻底地揭示物质存量与能量的上述依存关系。物质瞬时存量与空间的流入量可由式（4）导出以下关系：

V=3.546×10-5m（1/ρ）1/2（14）

其中v为物体表面的空间流速，m为物体的质量，ρ为物体的密度。

空间收缩量与能量值的数量关系为：

E=ηV（15）

以地球引力定义的太阳质量M=1.9892E30KG。代入式（14）得V=1.8793E24M3/S。

太阳总辐射功率Q=3.83E26J/S。则得空能转换系数η=203.8J/m3由太阳数据获得空能转换系数没有考虑其质量增长，因而数值偏小。

对于恒星辐射、星云红化、超新星爆发、类星体发光、太阳系行星及卫星含有内部热源等现象所说明的宇宙物质普遍存在着的能量过剩支出机制，由空间运动论所给出的解释是：我们所知的自然宇宙空间，其最根本的运动是以物质为最终目标的聚集和收缩，因而不可能是膨胀或扩张的。目前公认的、有较大影响的宇宙大爆炸理论的解释是：所有能量来源于更高级的能量存在状态（爆炸前的奇点）。显然这是形而上学的理论推演方法，对一种现象无法解释时往往假设一个更高的同样无法解释的原因来解释现有问题，这从特征上类似于用乌龟下面还是乌龟来解释大地不沉，或者用上帝来解释第一推动的问题，是是哲学对于宇宙间普遍存在的空间、物质、能量的依存关系的认识处于初级阶段的标志，不能发现现象背后的本质而导致对不同的现象本身提出了相对独立的解释。

宇宙大爆炸理论的核心支持论据显然是哈勃红移现象，其它的支持依据缺乏唯一针对性，例如微波背景辐射就可以同时是宇宙收聚产能的证据。这就需要我们对大爆炸理论的另一支持条件——宇宙普遍存在的红移现象——给出不同于以往的解释。哈勃在发现宇宙的普遍红移现象后，应用多普勒效应的原理给出了所有被观测星系都在退行的结论。这里的问题是用多普勒效应解释红移现象的唯一性从方法论的角度如何得以保证。如果仔细考察空间退行引起红移的论断，则显得武断和缺乏论证。这种先验的判断在科学发展的进程中不断地遇到无法逾越的障碍。无法解释的第一个难题是河内星系亦存在红移现象，甚至太阳也存在扣除引力红移以外的无法解释的剩余红移，这些现象都难以用多普勒效应给出令人满意的解释。其次，对于一个由固定结构给出固定距离的体系来说，退行的理解是难于解释物质的成团聚集性和结构的相对稳定性的。第三，哈勃常数数十年测不准的事实也提示我们，在这个问题上完全有机会提出有别于哈勃红移解释理论的新的解释方案。如果不把哈勃红移现象作为简单否定空间运动理论的证据，而采取审慎分析的立场看待这个问题，也许是更深刻地认识和了解我们所处宇宙及其自然规律的一个契机。

以空间运动论观点为基础建立的宇宙普遍红移现象的解释要点是：由于物质的存在引发了空间向物质的运动，空间运动速度的量值取决于星体物质的质量大小和离开星体物质的距离两个决定性因素，星体物质的质量提供了空间相对于质心运动的可以称为星体特性的绝对速度，离开星体物质的距离提供了空间运动的当地观测速度。我们目前所知的星体的红移实际上包含着决定于上述两个速度的两种内涵有所差异的星体红移。处于星体环形空间流场中与物质质心共线的两点间距离的数值代表着两点间当地观测速度的大小，相对距离越大红移就越大。如果将星体自身作为观测对象，则离开观测体距离的大小与红移的数值相关，观测点离开形体的距离越远红移的数值越大，且越接近一个恒定的值而对距离的敏感性越低。由于上述原因，从离开星体物质的观测点作实际的红移观测操作得到的星体红移数值有两种情况：一是观测点离开被观测点还不够远空间运动的速度与距离明显相关的当地观测红移。一是观测与被观测两点间的距离已经足够远空间运动速度与星体距离相关性差的绝对红移，在观测点所观测到的红移接近于在静止空间观测星体获得的红移数值。视星等与红移的关系从客观上证实了空间运动对光子运动的影响，是空间运动论的最为直接的证据之一。质量越大的星体红移越大，类星体是超大规模的物质聚集体因而有更大的红移现象。

4.支持空间性质哲学描述的观察证据及其对物理现象的解读

宇宙空间是最佳的实验室，其既存的自然现象可以为空间性质及其作用规律的理论陈述提供实证检验，由空间运动论推导出的结论既是关于自然界的新的知识内容，也是检验空间运动论的观测和实验基础。为简要起见，以下叙述省略推理及推导过程。

实测的地球和月球地热流失量数据由于星体在真空（无物质及能量的空间）中近似理想的绝热体系而比计算的由空间收聚产能获得的地热小七个数量级。这一事实说明，空间流入星体内部所形成的巨大的能量不能从表面完全传导扩散而大量地聚集于物质内部，同时在星体提供的高温、高压极端环境条件下能量开始凝聚转化成物质。较小的星体（如地球）不发光，则聚集的能量几乎全部转化为物质，因而星体的增长速度较快。当星体（如太阳）具有了发光的能力后，就获得了对流和辐射传热的有效热扩散方式，使能量的较大部分转化为辐射能，星体质量增长速度相对降低。由于上述增长速度的差异，星体在经历足够长的时间后就会在同一恒星系内形成质量相近的双星或多星体系。这就是说宇宙间普遍存在的双星及多星体系是星系演化连续过程物质增长表现出的必然结果，而不是随机的由引力作用产生的组合过程的偶然现象。多星和双星体系的普遍存在这一现象本身，就是上述物质积累式演化历史的证据。在类似星体内部环境的条件下，能量可以转化为物质是空间运动理论的基本支持条件之一，因而也是空间运动理论成功与否的检验方法。

宇观空间由于物质的存在而加速增生能量及物质，相反没有物质内涵的空间的能量和物质产生速度较慢，这是宇宙次级结构中物质成团聚集的原因。若引力单一地决定于物质的质量，且物质质量的数量保持恒定时，引力必将是一个恒定值，星云和星系物质固有的结构和运动状态也必将保持不变，因而不会产生收聚、盘卷等运动特征。宇宙间普遍存在的星盘、星系的结构形状说明物质在不断地相互接近，这也就是说物质周围的引力在不断地增加。由此可以解释宇观物质聚集形成层级结构的动力机制。在空间运动论描述的宇宙产能机制条件下，恒星演化发展理论的理解应该是：形成主序星体有两条不同的途径，即巨型星云收聚形成红巨星，小星云形成较小的不发光星，然后由于物质不断地增长汇聚于主序。所有星体的质量都会逐渐向上攀升形成恒星、超巨星，继续增长则会成为辐射较高能量（紫外、X射线、γ射线）的可见光外星。赫罗图描述的星体分布规律就是上述过程的观测证据。类星体的存在方式也可以由此获得解释：星体质量增加的最终结果是使星体周围空间收聚速度趋近光速，产生较强的发光现象（日冕产能机制与此物理机制相同）。这样的理解可使宇宙间物质的存在形式具有连续、相关特征，从而揭示了星体的观察特征间的普遍相关性。修正了目前天文学学对恒星演化发展理论作出的解释，而且在解释中将独立形式存在的星体类形理解为同一星体连续演化过程的处于不同演化阶段的个体。

恒星的质量与其光度的相关关系也是物质产能机制最直接的例证。光度与物质温度是四次方关系，物质温度与内能是线性关系，而认为物质质量是其内能产生的唯一来源，由式（1）可知物质质量与内能也是线性关系。由此导出质量与光度的理想形式也应是四次方关系。经验关系的指数只是接近四次方说明其含其有系统测量误差，发现和解释这种系统误差是检验空间运动理论的又一有效方法。同时也将会对天文观测的技术进步产生重大影响。等量物质产生等量的能量，物质量增长使得物体体积数量的增加速度要比表面积数量的增加速度快，所以增量吸收的能量使物体表面温度增加，使光频存在随星体质量增加向紫端移动的倾向，这也就是辐射频率随质量增加缩短的原因。

太阳观测特征中重要且需要给出解释的现象有内部结构、太阳黑子、日冕反常加热以及角动量分布规律等几个方面的问题。①空间是最理想的能量及物质的存在形式，因而它所具有的对物质的穿透能力比目前所知任何物质粒子（例如目前观念中的中微子）的穿透力都强，产能过程会深入到太阳的质心。由全部太阳物质引发的空间运动产能，受球体的几何特性和太阳物质密度随半径增加两方面原因的影响，能量的分布并不均衡，分为三个层次：

首先是日冕层次。单位物质空域占有率大，则单位物质量拥有能量大，所以粒子的动能大。从日冕边缘到大气边缘温度梯度较大，表示密度增加的梯度较大。日冕大气中高质子温度和低电子温度也说明质量和能量的相关性。其次是大气与固体物质气化对流层。由于对流作用温差相对小，单位物质拥有的能量均等的结果，温度介于日冕与固体内核温度之间。第三是核内高压固体层。由于单位物质所围空间数量少且物质密度大，产生的能量不足以液化高密度的固体物质，太阳形成核心低温区。②对流作用将对流层热量大部被带往表面，少量热量热传递进入内核与内核物质自身所产的热量被用于转化为物质，元素发生非核反应形式的增重作用使密度继续增加。所以太阳核心是由重元素构成的致密固体内核。太阳黑子是由于太阳系行星物质的大部分运行到银心与太阳的连线附近，造成空间流动有利于太阳吸收的状态时产能效率增大，将核心高压固体边缘融化，并由强烈对流带到表面所形成的现象。显然黑子及其发生的周期、辐射、低温、化学构成的特征是符合上述理论的。非几何造父变星的光变原因应与太阳黑子产生的机制是相同的。其它星体（如地球）的内部结构也与太阳的内部结构相类似，由重元素构成星体的固体核心。③太阳系是普通的恒星系，其观测特征具有星系的普遍代表性。太阳原始星云的运动应符合空间运动理论及角动量规律。星云中的角动量效应会造成星云的细微环状条带分离，不同的条带形成相应的行星。从星云一般情况下不是圆形的这一结构特征可知，同一片星云中会产生原始质量不同的多个引力中心。这些中心在完成物理瓜分星云物质之后的自增长过程中增长速度的差异改变引力中心的运动结构。太阳原始质量大，增长速度快，木星逐渐由太阳的小型伴星降格为从属的行星。太阳长大到一定程度时内部物质气化膨胀，发生小规模爆发，将大气层下的固体物质外壳抛射到空间，其最远抛射外缘达到小行带，此后太阳外壳物质形成木内行星。太阳系的基本结构就此形成。未来的太阳系由于太阳发光使能量聚集速度减慢，将沿着主序缓慢攀升。而木星成为增长速度最快的太阳系天体，当其质量再次接近太阳时，太阳系物质重新分配形成双星结构。太阳将增加一颗暗伴星。未来的木星如不受太阳系以外因素的影响，将同太阳一样从赫罗图底端的红矮星向巨星方向发展。④角动量分布规律是指作环绕运动的天体系统内，角动量由质心向外逐渐增加的趋势。如太阳系90%以上的角动量在太阳以外是不符合角动量应该按质量均匀分配的正常情况的。这一现象显然可用物质自增长造成引力增加给出科学合理的解释。如中心物体的质量增加较快时，由于角动量守恒就会造成两种效应：天体的运动由于引力增加引起速度的增加和中心天体由于物质的增加引起转速的减慢。在远离原始星云形成初期的任何确定时间观测到的结果，均是上述两种效应历史积累的结果。可由此反推物质体系的发展历史：太阳系的核心质量形成之初约是现在的两万分之一，是目前地球的十倍左右。太阳存在的历史要比现有认识长的多。恒星自转速度随星体质量增加的现象，可以由引力增加使物质收聚作出解释。恒星的物质（如行星、气体）在不断增加的引力作用下撞击恒星，其动量部分转化成能量扩散消失，大部分仍以动量的形式被恒星的自转所容纳，吸集物质多的恒星自转速度快。这一推论应该能找到较大恒星的物质存量稀少的证据。由此可推论一种现象：星系物质在可见星阶段，物理结合过程聚集物质的速度大于物质自增长的速度。太阳系普遍的行星进动是由于太阳持续的质量增加所造成的行星缓慢的加速运动的现象。水星进动的另一种提法是水星运动加速，由于以前的理论没有找到加速的理由，所以将这一现象的解释复杂化。太阳物质的持续增加使其对水星的引力不断的增加，轨道由圆变为椭圆的过程是水星运动能量积累的过程。太阳系行星轨道之所以是椭圆，所依据的原理是一样的。彗星是运动速度增加使轨道椭圆化的极端例子。轨道的椭圆化是一个以结构的改变储能的过程，也是一种演化时间记录。由此推论去评价星系的形状，可以发现星系形状由圆形到椭圆再到旋臂的顺序是其年龄顺序的记录，同时也是其质量顺序的排列。这就可以统一解释角动量分配玄疑、行星剩余进动、暗物质问题。

地球是观测最精细的不发光的星体，从地质考古中应该能够发现物质自增长的有效证据。地球物质当前的产能效率是5.811E20J/S，由爱因斯坦质能关系折算可得每秒增重量约为6.7T/S，这是地球板块等地质运动基本动力的主要来源来源。由此可以推论地球物理聚集之初的体积较小，冷却后表面完全被水包围。因为地球物质增加的缘故，古大陆从水底长出并分裂。地质结构的成因、地球自转的减慢、洋底海沟的扩张、地震的机理都可以用地球质量的增长理论给出完美解释，这同时也就是空间运动论的证据。

以静止空间观念为背景猜测的黑洞特征在运动空间条件下将有较大的变化。空间流入物体的速度在物质的质量直径比达到C2时将达到光速，空间运动在进入光速运动区域之前即会收缩产生大量辐射能量。由于空间运动方向与观测到的光子运动方向相反，空间运动速度大，从外部观察就会有大的红移特征。由于空间连续性的规定大质量直径比的物体不存在不被发现的视界。黑洞是一种可见的星体，类星体的观察特征具有大红移、高光度的特征与此相吻合。

物质自增长理论得出的关于新星、超新星爆发的主要原因有两种：a.固体小星体（例如地球）增长到一定质量时，星体温度会增加到其构成物质的气化温度，星体在较短的时间内气化膨胀，并抛射出物质外壳；b.中心星体引力增大使星系坍缩，其环绕星体落入中心星体产生的爆发现象。与上述理论相吻合的是观测到新星爆发有向银心聚集的趋势。

第7篇：动物的运动方式范文

方特征的理论对宇宙红移、太阳系的观测特征、赫罗图、黑洞、地质演化等自然现象进行验证性分析,证实空间运动的哲学观点对客观物理事件具有强烈的解释力，从而证实了中国古典哲学中本已蕴涵着现代科学基本内容的逻辑基础。这同时也说明东方哲学的内容与现代科学的基本理论之间具有相互连通的逻辑通道。

主题词：空间性质产能机制引力板块动力

空间是一种具有无形无相认知特征的客观存在形式，用现有的科学手段难以直接地将其作为边界清晰、目标明确

的研究对象，因而运用观察、测量、实验的方法获得相应感性事实资料的有效性受到了硬性的制约。物理学发展为一门实证科学的整个过程所获得的全部关于空间性质的认识，在总体上存在着以下两个方面的缺憾：其一是所提供的事实资料在绝对数量上不足以构成涵盖空间主要属性的有效样本集，达不到归纳过程据以发挥创造性联想所需的最低限度，不可能在构建适用的空间性质理论过程中发挥应有作用。其二是紧紧束缚于各种事实中心点周围的关于空间性质的陈述，不能廓清空间这一实体的内涵和外延而难于脱离客观事实表象的规定性，无法为假设、猜想等思维活动的起飞提供有效和合理的客观基础。所以这些已有的关于空间性质的事实资料及对其进行简单理性加工形成的认识群，象散布于大海上的孤立岛屿一样相互间缺少关联，无法以空间这一最基本的视角形成简明有效的基本概念，去排列和阐明相关事实、建构出实用的空间性质理论。本来在无法获得直接观测结果的情况下，还可以通过分析空间与其它物理对象相互作用产生的结果的途径，间接地找到理性认识所必须的逻辑起点。然而，科学发展的历史却并不按理想的状态进行，也正是由于空间存在形式无法观测的这一特征，使得空间这一

客观实体在有史以来的物理学研究中往往不被当作物理过程的平等参与对象，空间自身参与物理作用产生的效果常常被先验地、不加分析地划属于参与同一物理过程的空间以外的对象，空间自身的属性在人们的观念中成了这些非空间对象的伪属性，空间自身却被剥夺得一无所有。因此，空间成了理性认识活动中一个明知存在却又不能清晰辩识的怪物。由于上述原因，在作为认识对象的空间客体与企图探究这一问题的好奇者之间形成了一条难以跨越的鸿沟。对空间这一特殊对象的理性认识活动中，最为困难的已经不是一般情形下由事实资料上升为理性陈述的发现过程，而是阻滞于建立对空间客体性质感性认识的过程，这项工作的现实难度使哲学认识的发展过程就此停顿。以往针对空间性质建立假说和理论尝试大体上有三种形式：要么为玄学或形而上学，处于理性认识自身营造的环境中不能自拔，与现实空间存在形式缺少对应；要么由于理论自身的内涵不能容纳客观事实的实证要求而被淘汰；要么由于理论过于繁难，不知所云而缺乏实际应用价值。相关于空间性质的理论与一般意义上成熟理论所应具有的内容充实、形式完备、适用边界清晰、实用性强的要求有着较大差距，写实地描述空间性质的理论图象始终没有出现过，人们不能象运用引力计算相类似的方法处理空间的问题。

素，还其作为空间性质理论基本素材的本来面目。作类似的操作需要对已有的相关于空间性质的科学事实的实质有比较深刻理解的同时，还要对空间自身存在状态作出整体及宏观性的理性把握，以求新确立的理论框架能自洽地容纳科学及哲学两个方面的内容，从而使理论更加有效地逼近自然的真相。

单纯的数学方法作为研究工具所提供的空间模式并不是真实物理世界的描述。掺入物理因素形成的数理方法是对予设前提下过程的一种描述，其逻辑的完备性和过程描述的精确性不是理论的全部内容，只是理论的构成要件之

一。认识空间性质的逻辑起点在数理方法之前，所以逻辑起点的构建才是空间性质理论这一特殊对象的基础和核心。数理方法的合理性和表达力取决于这个逻辑起点的涵盖性、科学性以及规范性。如逻辑起点构建的合理，则数理形式就会有相对简洁的特征；如逻辑起点的内涵不科学或不合理，则命题表述就会以复杂的数理形式出现。所以简洁性历来是理论选择性判别的一个基本原则。这里想着重说明的是：所谓简洁性是指理论的数理形式及数理形式运行过程的可操作性两个环节均应具有直观、简单和有效的特征。形式的简洁不代表运行过程可操作性的简洁，这两个方面中的任何一个方面不具有简洁性，则就标志着概念的理论规范工作做得不够完美，毕竟本质对于现象而言是简洁的。

再次融合的成功范例。将哲学引入这一问题研究的另外的原因是：①空间性质研究需要宏观的视野和理性的综合；②自亚里斯多德以来，空间就是哲学所关注的内容，关于空间性质的理性思考大多数以哲学论述的面目出现于哲学著作中；③空间感性认识过程本身的特殊原因（存在形式）。

许会成为认识自然存在的新方法，从而产生新的符合科学规范的有效认识。

1.空间客观性质的哲学证明过程

现在《道德经》中：“道生一，一生二，二生三，三生万物，万物负阴而抱阳，中气以为和”。可以注意到其生成层级的数量描述同为三。两种理论描述的关于物质创生的模式都是在既存背景基础上连续发展的动态变异。它不是一种存在形式的出现以另一种存在形式的消失为代价的交换过程，事物由简到繁发展的过程是在同类基础上进行的反复叠加，在新生成的异类中包容着旧有的存在形式，新旧形式相互将对方作为共存元素构成系统。同一事物整体与局部的上下级之间由于至简原则的制约有着全息模写的对应关系。佛教经典《般若波罗蜜多心经》中有：“色不异空，空不异色。色即是空，空即是色”的理论陈述。其主要含义是说自然界（或物质）与空在本质上是同一种存在形式。用现代科学的理解、译介这些沉淀在我们民族潜意识中的智慧晶体时，首先碰到的问题是它们究竟说的是什么？阴阳的概念由于现代科学知识的普及在中国人的观念中已经与实指的科学概念（如正负粒子）相融合而可以无障碍地接受。《道德经》的数字“一二三”显然不可以理解为毕达哥拉斯数本原式的对自然界的认知和描述，作为存在于本原规律（道）与万事万物之间中介环节的“一二三”不仅仅是数字，而是代表了

三个层次的具有本原色彩的、性质特征可以类比的、相互联系着的事物，由于古人的表义符号系统与现代科学的复杂的表义符号系统不同，原著对此又没有做进一步解释，其意旨我们现在无法了解。同样地，释迦“空”这一概念的原始含义究竟是指空间还是空无，其意旨我们现在也无法了解。但只要是把宇宙或物质的创生过程作为描述对象，则可以用运的基本构成要素毕竟只有有限的几种，内容正确但表述不同的理论之间必然可以找到相互融通的逻辑通道。我们将现代科学已经建立的完善的陈述系统与东方哲学理解自然现象的内容及其逻辑形式强行进行综合或者说嫁接，将上述兼有东西方特色的、纵跨古今的、对空间性质的认识作为研究空间性质的基本假设，则有：

能量与物质是同一客观存在实体——空间的异化表现形式；空间凝聚则成能量，能量凝聚则成物质；三种存在形式的动态指向是自然界规定性的演化顺序。

我们将上述假设称为空间性质的同一性假设（简称同一性假设）。所谓同一性就是说空间、能量、物质三种存在形式在本质上是同一个客观实体，外在特征上的不同是且仅只是聚集状态的不同；自然界三种存在形式之间存在着的动态变化也就是空间密集程度的不断变化。三种存在状态在所知自然界的由空间聚集产生能量进而由能量聚

集产生物质的演化顺序，不是任意发展的，而是有着明确指向以强规律的形式发展的。

列，诱导人们将空间视若无物，放弃了对空间物质性特征及其与其它对象相互作用的关注。对于自然的三态存在而言，如果我们剔除了时间的因素，则这种存在的形式没有任何改变。但如果在存在关系中剔除了空间因素，则存在状态就无法想象[1]。这个事实说明将空间划出三态结构与时间并列是对空间性质了解不足的表现。有鉴于此，将空间、能量、物质当作统一实体描述的同一性假设，提供了以分析空间、能量、物质的相互关系作为基本出发点进而研究空间性质的理性认识基础。

自然存在的空间是物质、能量存在的背景、条件和本源，因而空间是具有更加本质意义的存在形式，能量次之，

物质再次之。由此形成了一个物质、能量、空间三态存在本质性的序列关系。这一序列阐述了自然界进化形式的发展特征。空间作为能量创生的背景和本源其自身已经是最本质的存在，因而否定自外于空间的其他本源和背景的存在，所以能量被无可选择地包容在空间中；空间的存在先于能量，空间必然独立于能量。能量作为背景和本源的特性有别于空间同一特性的是——能量只是空间内属的存在物——它不可能整个地充满空间，所以能量在空间中必然是有界的存在形态。同时空间独立于能量的存在特性在任意能量存在的边界之外提供了与此相同条件，能量的存在就不能排除与此完全相同的另外的存在，换句话说就是能量的存在不是唯一的。以能量作为观察问题的立场，对此作出表述就是：能量是不连续的，因而它与空间之间必然是有界的。由空间能量依存关系相同的道理推论可知，能量与物质的依存关系为：在能量背景基础上生成的物质不可能独立于能量存在；相反能量可以独立于物质而存在（即电磁辐射）。在客观现实中物质不能有独立于能量的存在这种依存关系表现为：一方面物质自身就是能量历史的积累；另一方面物质总是能量的载体。电磁辐射可以看作是物质边界以外的能量，这是其作

为物质存在背景有自外于物质存在边界的证明，也即是其存在本质性的证明。这也造成这样的存在状态：除电磁辐射外物质与能量总是以相互伴生的面目出现。而且由于物质不能脱离能量存在的规定性使这种依存关系表现得极为明显，常使人将两者看作是相互平等且相互作用的物理对象。空间和物质的关系可由空间和能量、能量和物质的逻辑从属关系获得解释，显然物质不可以独立于空间存在，空间可以独立于物质存在。

总而言之，空间、能量、物质的依存关系可以表述为：物质和能量不能脱离空间而独立存在，空间能够脱离物质

念是绝对能量和绝对质量的概念。

的，只是其认识的抽象程度更高而适合于哲学性描述。由此可以逻辑地推论得出以下成为物理学范畴的空间性质：

* 物质性：

* 运动性：

* 刚性：

* 广延性：

为进入人们感觉世界的唯一特性。真实的自然空间是没有超出其范围的事物的。

2. 空间性质哲学解释的数学模型化描述

的收缩倾向。这种观测特征表现在量上即为所有空间点的产能量处处相同。由此可知产能的数量与空间的既存量呈正比例。对于能量和物质内部的空间收缩而言，可以将物质和能量视作是空间量的历史积累值，所以在能量内部空间的收缩要比空间自存状态的收缩表现的强烈，而其在物质内部的收缩则是最强烈的。对此还可以引入透明度的概念，空间对其自身的完全透明的，而对绝对密实的物质则是完全不透明的，不透明的物质对空间有阻断作用，由此诱发空间恢复其连续性的运动，则透明度正相关于空间的收缩强度。

球体是宇宙间物质的普遍存在形式，这一形式自身也是空间运动的产物。以球体物质系统为例描述空间运动的宏

观效应，可以较好地说明宇宙间物质与空间运动的关系。如果我们将物质的存在及其相关的空间独立地划作一个系统，则可建立用于描述空间和物质相互作用的理想物质系统模型（如图1）：设虚线的位置距地心足够远，空间在此处的运动的速度小于特定的微量而可以忽略不记，则认为物质系统在虚线的位置运动速度为零，称虚线为物质系统的外边界。具有外边界的物质系统定义为理想物质系统。真实的物质系统将不具有运动速度为零的外边界，所以上述理想物质系统是对真实物质系统的近似，由此所获得的理想物质系统的表述也相应地是对真实物质系统的近似。

图1地球物质系统中物质的运动模型

* 如果物质的既存质量随时间的变化较为缓慢时，可以认为在研究空间运动所选定的时间跨度内（如千年、世纪），空间的运动是只相关于物质存量的定常流动。

* 空间的三维存在特性要求在空间性质的研究中采用体积（线形量的立方）作为描述空间运动的基本度量形式。

* 物质边界内不再是纯粹意义上的空间，所以空间的运动将不存在（速度为零）。

* 描述空间的运动需要引入时间参数，在习惯的观念中存在是一个时间概念。实际上存在首先是一种形式，当我们讲述一种存在时往往是说他的形式而抽离了时间概念。当我们讲述运动或变化的概念时才用到时间的概念，所以说空间的运动是时间的原因。如果没有空间的运动宇宙间将没有物质的运动及变化，没有运动和变化也就不会有时间的概念，或则说没有时间的存在。所以说时间只是空间运动的属性，在这里为了简化研究对象假设时间是独立于空间的一个参数。

若以空间的体积度量指标描述单位时间内流入物质的空间数量规律，则显然有：

* 物质存在的形式决定了空间运动是围绕球体物质的、具有数学理想特征的球形空间流场。

* 理想的物质球体的质心是一个特殊点，空间从所有方向均布指向质心的结果是空间运动在质心的相互抵消（虚拟状态），空间的运动将以该点作为参照点。

* 空间运动的状态正相关于物质的存量，即相同的物质存量在相同的时间内，所吸收的空间量相同。

由此不难推论：空间从虚线位置开始到物质边界为止的运动是相对于质心的理想的匀加速运动。所谓匀加速运动是指从物质理想系统的外边界到物质边界的整个运动中，空间以体积量为度量的加速度具有恒定的数值，且数值

与物质质量成正比例。为研究空间运动过程，标定一个随空间运动的虚拟点p。则以质心为圆心过p点的同心球面的运动，就等价于同心球面所围空间被物质逐渐吸收消失所造成的运动。满足上述前提的空间运动的数学描述是：

gv= 4π h 2g （1）

其中gv为以体积度量的空间运动加速度（m3/s2），它不同于空间框架下有体积存量物质流体的匀加速过程描述方式。 t为空间消失的时间（sec）。h为物质系统内任意点距质心的距离（m）。g为相应距离点的线形加速度（m/s2）。在目前物理学观念中，重力加速度随距物质质心距离的平方反比变化，就是将gv转化为线形量表示的结果。

考虑物质表面具有特殊性，建立空间运动在物质表面的运动描述，由式（1）得到：

d2v/dt2=4π R 2 g0 （2）

其中，V 是过p点的同心球面所围空间以体积度量的数量（m3）。t是从边界开始记录的时间（sec）。g0是空间流入球体物质表面的最大线量速度（m/sec），等于物质表面最大加速度和一个时间量的乘积。R为物质球体的半径（m）。

对于上述物质与空间的运动体系，可表述为以点p为表征的空间流动的线速度，则其速度值是位置的函数。由

此解析空间运动速度、加速度与位置的关系可建立物质球体周围空间的理想流动方程。在空间任选点，距物质中心为h。以h为半径的空间球体体积V的改变写作线形表达形式代入式（1），并对时间微分得空间速度、空间加速度、物质的位置三者的关系为

h2g + 2hν2 = R2g0 ︳h＞R （3）

建立了物质存在决定的空间运动场之后，以下研究空间运动场中的四种现象：

A.物质相对于运动空间静止的运动

h3 / t2= 3/2R2g0 （4）

的理想落体方程。在这一过程中物体不受力的作用。

物体作圆周运动基本条件是离心加速度等于向心加速度。如果T为一个物体在距质心一定位置绕质心作圆周运动的环绕周期，则由式（1）和圆周运动加速度的定义式经过推导可建立其与落体时间的关系：

（5）

将式（4）和式（5）比较则有：

T2 / t2 = 6π2 （6）

B.惯性力与引力的区别与联系

图2 运动物体与小球系统

作用效应，惯性力和引力仅由于参照系选择的不同才分别给出了两种力的不同定义，没有本质的区别。牛顿万有引力定律所表述的就是空间运动对于物体作用的结果，牛顿第二定律所表述的惯性力就是物体自身运动作用于空间所产生的结果。由于在人类认识发展的历史上还没有发现两者之间内涵的一致性，将惯性力与引力看作了两种具有不同特征的作用力。如认为空间的作用是系统响应的原因（小球运动），则惯性力只是物体相对空间加速运动时空间对小球的作用。引力质量与惯性质量高精度相等这一现象即有力地证明了引力和惯性力是同一种作用以不同立场得出的结论（分别认定物体和空间作为运动对象）。由于此前的物理学不加论证地假定空间是静止的，因而对万有引力的作用方法和性质都无法给出事实以外的、富余逻辑的解释。忽略空间的物理存在及其对物质作用前提得到的引力作用被认为是一种由物质出发到物质的超距作用，对这种力究竟如何传递这一问题就有了光子传递引力的近乎玄学的解释。建立了空间运动的概念后引力的传递方法和过程就可以进入理性认识的范围。由此也可以合理地解释引力能够被运动所抵消这一物理事实的含义：空间加速运动对物质的作用效果等同于物质相对

于空间的加速运动的效果。

C.空间相对物质加速运动

* 空间相对于物质运动的参照系是静止的；

* 空间独立于物质的存在，不参与物质的运动过程；

* 运动过程产生的所有效果只相关于物质，而与空间的存在无关；

* 物质在空间中的运动速度不至于使我们感觉到空间流速场的等速曲面的影响；

* 在选定的物体运动范围内，空间的性质处处相等。

F= mR2g0 /h2 （7）

其中F是引力力值（N）。由前面的论述可知：恒定的物体质量获得恒定的表面加速度，加速度与物质质量成正比，若G0为比例常数，则：

4πR2g0=G0M，令G= G0/4π，

则式（1）可表述为：

F=GMm/ h2 （8）

D.理想物质系统中近地表空间对物体的作用

在近地表运动距离较短时，g = g0为常数，自由落体可视作任意点初速度为零时物体随空间的运动。这时物体的运动速度不等于空间的速度，运动过程中仍受空间的作用。物体运动遵循规律是：

h2dh/dt= R2 g0 t （9）

整理并略去小量得：

V= g0t （10）

其积分形式便是伽利略斜塔落球实验所求证的结果，自由落体等同于匀加速运动。

由于式（1）在地表是间断的函数，结合式（10），从空间方向逼近地表可得最大空间运动速度：

h2dh/dt = R2（dh/dt + g0 t ）（11）

整理，当hR时，

Vmax =（1/2 R g0）1/2 （12）

代入数值Vmax =5.587km/s ,此即流入地表的空间速度。显然式（12）适用于所有天体系统。物体运动的切向速度等于径向速度时为正圆周运动，由此合成的环绕速度为：

（13）

其中V1为第一宇宙速度。

3.空间性质哲学描述所蕴涵的新的宇宙观

反，能够合理解释物质收聚的原因只有一个，那就是引力的增加改变了物质的固有存在结构。进而引力的增加只有一种可能的原因——物质质量的增加。核能解释还有一个缺陷——不能对不同聚集态度物质的能量产生过程给出统一解释，例如将太阳发光解释为核聚变，太阳系行星的地热解释为核裂变，但无法解释星云红化。这与本质的存在形式具有单一性的基本认识特征存在深刻的矛盾。对所有现象做个别性的分析不能理解这些现象之间所蕴含的共同特征，而正是这些隐藏在现象背后的共同特征的才是理解过程所要达到的真正目的。直接地将现象所共同拥有的作用要素（如空间、能量）选择作为研究对象去理解不同现象间共性的产能方式是一种宏观的、绕开了复杂的综合和抽象的过程的更为有效的认识方法。

V=3.546×10-5m（1/ρ）1/2 （14）

其中v为物体表面的空间流速，m为物体的质量，ρ为物体的密度。

空间收缩量与能量值的数量关系为：

E =ηV （15）

以地球引力定义的太阳质量M=1.9892E30 KG。代入式（14）得V=1.8793E24 M3/S。

太阳总辐射功率Q=3.83E26 J/S。则得空能转换系数η=203.8J/m3由太阳数据获得空能转换系数没有考虑其质量增长，因而数值偏小。

规律的一个契机。

将星体自身作为观测对象，则离开观测体距离的大小与红移的数值相关，观测点离开形体的距离越远红移的数值越大，且越接近一个恒定的值而对距离的敏感性越低。由于上述原因，从离开星体物质的观测点作实际的红移观测操作得到的星体红移数值有两种情况：一是观测点离开被观测点还不够远空间运动的速度与距离明显相关的当地观测红移。一是观测与被观测两点间的距离已经足够远空间运动速度与星体距离相关性差的绝对红移，在观测点所观测到的红移接近于在静止空间观测星体获得的红移数值。视星等与红移的关系从客观上证实了空间运动对光子运动的影响，是空间运动论的最为直接的证据之一。质量越大的星体红移越大，类星体是超大规模的物质聚集体因而有更大的红移现象。

4.支持空间性质哲学描述的观察证据及其对物理现象的解读

双星或多星体系。这就是说宇宙间普遍存在的双星及多星体系是星系演化连续过程物质增长表现出的必然结果，而不是随机的由引力作用产生的组合过程的偶然现象。多星和双星体系的普遍存在这一现象本身，就是上述物质积累式演化历史的证据。在类似星体内部环境的条件下，能量可以转化为物质是空间运动理论的基本支持条件之一，因而也是空间运动理论成功与否的检验方法。

宇观空间由于物质的存在而加速增生能量及物质，相反没有物质内涵的空间的能量和物质产生速度较慢，这是宇

构成星体的固体核心。③太阳系是普通的恒星系，其观测特征具有星系的普遍代表性。太阳原始星云的运动应符合空间运动理论及角动量规律。星云中的角动量效应会造成星云的细微环状条带分离，不同的条带形成相应的行星。从星云一般情况下不是圆形的这一结构特征可知，同一片星云中会产生原始质量不同的多个引力中心。这些中心在完成物理瓜分星云物质之后的自增长过程中增长速度的差异改变引力中心的运动结构。太阳原始质量大，增长速度快，木星逐渐由太阳的小型伴星降格为从属的行星。太阳长大到一定程度时内部物质气化膨胀，发生小规模爆发，将大气层下的固体物质外壳抛射到空间，其最远抛射外缘达到小行带，此后太阳外壳物质形成木内行星。太阳系的基本结构就此形成。未来的太阳系由于太阳发光使能量聚集速度减慢，将沿着主序缓慢攀升。而木星成为增长速度最快的太阳系天体，当其质量再次接近太阳时，太阳系物质重新分配形成双星结构。太阳将增加一颗暗伴星。未来的木星如不受太阳系以外因素的影响，将同太阳一样从赫罗图底端的红矮星向巨星方向发展。④角动量分布规律是指作环绕运动的天体系统内，角动量由质心向外逐渐增加的趋势。如太阳系90%以上的角动量在太阳以外是不符合角动量应该按质量均匀分配的正常情况的。这一现象显然可用物质自增长造成引力增加给出科学合理的解释。如中心物体的质量增加较快时，由于角动量守恒就会造成两种效应：天体的运动由于引力增加引起速度的增加和中心天体由于物质的增加引起转速的减慢。在远离原始星云形成初期的任何确定时间观测到的结果，均是上述两种效应历史积累的结果。可由此反推物质体系的发展历史：太阳系的核心质量形成之初约是现在的两万分之一，是目前地球的十倍左右。太阳存在的历史要比现有认识长的多。恒星自转速度随星体质量

增加的现象，可以由引力增加使物质收聚作出解释。恒星的物质（如行星、气体）在不断增加的引力作用下撞击恒星，其动量部分转化成能量扩散消失，大部分仍以动量的形式被恒星的自转所容纳，吸集物质多的恒星自转速度快。这一推论应该能找到较大恒星的物质存量稀少的证据。由此可推论一种现象：星系物质在可见星阶段，物理结合过程聚集物质的速度大于物质自增长的速度。太阳系普遍的行星进动是由于太阳持续的质量增加所造成的行星缓慢的加速运动的现象。水星进动的另一种提法是水星运动加速，由于以前的理论没有找到加速的理由，所以将这一现象的解释复杂化。太阳物质的持续增加使其对水星的引力不断的增加，轨道由圆变为椭圆的过程是水星运动能量积累的过程。太阳系行星轨道之所以是椭圆，所依据的原理是一样的。彗星是运动速度增加使轨道椭圆化的极端例子。轨道的椭圆化是一个以结构的改变储能的过程，也是一种演化时间记录。由此推论去评价星系的形状，可以发现星系形状由圆形到椭圆再到旋臂的顺序是其年龄顺序的记录，同时也是其质量顺序的排列。这就可以统一解释角动量分配玄疑、行星剩余进动、暗物质问题。

5. 空间性质哲学的结论

第8篇：动物的运动方式范文

主题词：空间性质产能机制引力板块动力

空间是一种具有无形无相认知特征的客观存在形式，用现有的科学手段难以直接地将其作为边界清晰、目标明确

许会成为认识自然存在的新方法，从而产生新的符合科学规范的有效认识。

1.空间客观性质的哲学证明过程

集产生物质的演化顺序，不是任意发展的，而是有着明确指向以强规律的形式发展的。

自然存在的空间是物质、能量存在的背景、条件和本源，因而空间是具有更加本质意义的存在形式，能量次之，

总而言之，空间、能量、物质的依存关系可以表述为：物质和能量不能脱离空间而独立存在，空间能够脱离物质

念是绝对能量和绝对质量的概念。

的，只是其认识的抽象程度更高而适合于哲学性描述。由此可以逻辑地推论得出以下成为物理学范畴的空间性质：

*物质性：

*运动性：

*刚性：

*广延性：

为进入人们感觉世界的唯一特性。真实的自然空间是没有超出其范围的事物的。

2.空间性质哲学解释的数学模型化描述

球体是宇宙间物质的普遍存在形式，这一形式自身也是空间运动的产物。以球体物质系统为例描述空间运动的宏

图1地球物质系统中物质的运动模型

*空间的三维存在特性要求在空间性质的研究中采用体积（线形量的立方）作为描述空间运动的基本度量形式。

*物质边界内不再是纯粹意义上的空间，所以空间的运动将不存在（速度为零）。

若以空间的体积度量指标描述单位时间内流入物质的空间数量规律，则显然有：

*物质存在的形式决定了空间运动是围绕球体物质的、具有数学理想特征的球形空间流场。

*空间运动的状态正相关于物质的存量，即相同的物质存量在相同的时间内，所吸收的空间量相同。

gv=4πh2g（1）

考虑物质表面具有特殊性，建立空间运动在物质表面的运动描述，由式（1）得到：

d2v/dt2=4πR2g0（2）

对于上述物质与空间的运动体系，可表述为以点p为表征的空间流动的线速度，则其速度值是位置的函数。由

h2g+2hν2=R2g0︳h＞R（3）

建立了物质存在决定的空间运动场之后，以下研究空间运动场中的四种现象：

A.物质相对于运动空间静止的运动

h3/t2=3/2R2g0（4）

的理想落体方程。在这一过程中物体不受力的作用。

（5）

将式（4）和式（5）比较则有：

T2/t2=6π2（6）

B.惯性力与引力的区别与联系

图2运动物体与小球系统

于空间的加速运动的效果。

C.空间相对物质加速运动

*空间相对于物质运动的参照系是静止的；

*空间独立于物质的存在，不参与物质的运动过程；

*运动过程产生的所有效果只相关于物质，而与空间的存在无关；

*物质在空间中的运动速度不至于使我们感觉到空间流速场的等速曲面的影响；

*在选定的物体运动范围内，空间的性质处处相等。

F=mR2g0/h2（7）

其中F是引力力值（N）。由前面的论述可知：恒定的物体质量获得恒定的表面加速度，加速度与物质质量成正比，若G0为比例常数，则：

4πR2g0=G0M，令G=G0/4π，

则式（1）可表述为：

F=GMm/h2（8）

D.理想物质系统中近地表空间对物体的作用

h2dh/dt=R2g0t（9）

整理并略去小量得：

V=g0t（10）

其积分形式便是伽利略斜塔落球实验所求证的结果，自由落体等同于匀加速运动。

由于式（1）在地表是间断的函数，结合式（10），从空间方向逼近地表可得最大空间运动速度：

h2dh/dt=R2（dh/dt+g0t）（11）

整理，当hR时，

Vmax=（1/2Rg0）1/2（12）

代入数值Vmax=5.587km/s,此即流入地表的空间速度。显然式（12）适用于所有天体系统。物体运动的切向速度等于径向速度时为正圆周运动，由此合成的环绕速度为：

（13）

其中V1为第一宇宙速度。

3.空间性质哲学描述所蕴涵的新的宇宙观

V=3.546×10-5m（1/ρ）1/2（14）

其中v为物体表面的空间流速，m为物体的质量，ρ为物体的密度。

空间收缩量与能量值的数量关系为：

E=ηV（15）

以地球引力定义的太阳质量M=1.9892E30KG。代入式（14）得V=1.8793E24M3/S。

太阳总辐射功率Q=3.83E26J/S。则得空能转换系数η=203.8J/m3由太阳数据获得空能转换系数没有考虑其质量增长，因而数值偏小。

规律的一个契机。

4.支持空间性质哲学描述的观察证据及其对物理现象的解读

宇观空间由于物质的存在而加速增生能量及物质，相反没有物质内涵的空间的能量和物质产生速度较慢，这是宇

宙次级结构中物质成团聚集的原因。若引力单一地决定于物质的质量，且物质质量的数量保持恒定时，引力必将是一个恒定值，星云和星系物质固有的结构和运动状态也必将保持不变，因而不会产生收聚、盘卷等运动特征。宇宙间普遍存在的星盘、星系的结构形状说明物质在不断地相互接近，这也就是说物质周围的引力在不断地增加。由此可以解释宇观物质聚集形成层级结构的动力机制。在空间运动论描述的宇宙产能机制条件下，恒星演化发展理论的理解应该是：形成主序星体有两条不同的途径，即巨型星云收聚形成红巨星，小星云形成较小的不发光星，然后由于物质不断地增长汇聚于主序。所有星体的质量都会逐渐向上攀升形成恒星、超巨星，继续增长则会成为辐射较高能量（紫外、X射线、γ射线）的可见光外星。赫罗图描述的星体分布规律就是上述过程的观测证据。类星体的存在方式也可以由此获得解释：星体质量增加的最终结果是使星体周围空间收聚速度趋近光速，产生较强的发光现象（日冕产能机制与此物理机制相同）。这样的理解可使宇宙间物质的存在形式具有连续、相关特征，从而揭示了星体的观察特征间的普遍相关性。修正了目前天文学学对恒星演化发展理论作出的解释，而且在解释中将独立形式存在的星体类形理解为同一?翘辶莼痰拇τ诓煌莼锥蔚母鎏濉?BR>恒星的质量与其光度的相关关系也是物质产能机制最直接的例证。光度与物质温度是四次方关系，物质温度与内能是线性关系，而认为物质质量是其内能产生的唯一来源，由式（1）可知物质质量与内能也是线性关系。由此导出质量与光度的理想形式也应是四次方关系。经验关系的指数只是接近四次方说明其含其有系统测量误差，发现和解释这种系统误差是检验空间运动理论的又一有效方法。同时也将会对天文观测的技术进步产生重大影响。等量物质产生等量的能量，物质量增长使得物体体积数量的增加速度要比表面积数量的增加速度快，所以增量吸收的能量使物体表面温度增加，使光频存在随星体质量增加向紫端移动的倾向，这也就是辐射频率随质量增加缩短的原因。

构成星体的固体核心。③太阳系是普通的恒星系，其观测特征具有星系的普遍代表性。太阳原始星云的运动应符合空间运动理论及角动量规律。星云中的角动量效应会造成星云的细微环状条带分离，不同的条带形成相应的行星。从星云一般情况下不是圆形的这一结构特征可知，同一片星云中会产生原始质量不同的多个引力中心。这些中心在完成物理瓜分星云物质之后的自增长过程中增长速度的差异改变引力中心的运动结构。太阳原始质量大，增长速度快，木星逐渐由太阳的小型伴星降格为从属的行星。太阳长大到一定程度时内部物质气化膨胀，发生小规模爆发，将大气层下的固体物质外壳抛射到空间，其最远抛射外缘达到小行带，此后太阳外壳物质形成木内行星。太阳系的基本结构就此形成。未来的太阳系由于太阳发光使能量聚集速度减慢，将沿着主序缓慢攀升。而木星成为增长速度最快的太阳系天体，当其质量再次接近太阳时，太阳系物质重新分配形成双星结构。太阳将增加一颗暗伴星。未来的木星如不受太阳系以外因素的影响，将同太阳一样从赫罗图底端的红矮星向巨星方向发展。④角动量分布规律是指作环绕运动的天体系统内，角动量由质心向外逐渐增加的趋势。如太阳系90%以上的角动量在太阳以外是不符合角动量应该按质量均匀分?涞恼G榭龅摹U庖幌窒笙匀豢捎梦镏首栽龀ぴ斐梢υ黾痈隹蒲Ш侠淼慕馐汀H缰行奈锾宓闹柿吭黾咏峡焓保捎诮嵌渴睾憔突嵩斐闪街中вΓ和馕焯宓脑硕捎谝υ黾右鹚俣鹊脑黾雍椭行奶焯逵捎谖镏实脑黾右鹱俚募趼T谠独朐夹窃菩纬沙跗诘娜魏稳范ㄊ奔涔鄄獾降慕峁巧鲜隽街中в坊鄣慕峁？捎纱朔赐莆镏侍逑档姆⒄估罚禾粝档暮诵闹柿啃纬芍踉际窍衷诘牧酵蚍种唬悄壳暗厍虻氖蹲笥摇L舸嬖诘睦芬认钟腥鲜冻さ亩唷：阈亲宰俣人嫘翘逯柿?nbsp;

5.空间性质哲学的结论

第9篇：动物的运动方式范文

关键词：运动仿生；智能机器人；智能驱动材料；环境感知

中图分类号：Q811

文献标识码：A

文章编号：1005-2615（2012）05-0621-08

运动是动物的基本特征，动物的运动是其实现扑食逃逸、求偶繁衍等基本生存能力的关键。在百万年的演化和进化中，动物的运动能力——跑、游、跳、飞，均达到了令人类惊叹的地步。另一方面，对运动的控制和实现，也是人类科技发展和技术进步的主要表现之一。

自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展，获得了实现优异运动能力的核心技术，如环境感知、冗余信息处理、运动能力多变的机构、节能和分布式驱动等，这些技术不少已经为人们所感悟，并用于人类所创造的运动系统。相传早在大禹时期，中国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。同样的技术发明在四大文明古国均有历史记录或者考古发现。因此，可以说仿生的历史一直蕴含在人类的文明进化的过程中。

飞行一直是人类所追求的梦想，飞行技术的发展和进步，是仿生学成功的典范。16世纪初，意大利人达芬奇及其助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行，设计和制造了一架扑翼机。1891年，德国的工程师Lilienthal成功地进行了可重复的滑翔飞行。莱特兄弟发明带动力的飞行器，改变了人类运动的方式。两次世界大战的军事需求，促进了飞行仿生技术的发展，在世界大战期间和战后几十年来，飞机的机翼形状、机身外形、抗疲劳和稳定性设计等方面的设计进步，几乎都受到动物飞行翼、动物外形和结构特征的启发。

20世纪90年代初，各国都在为发展“仿生”相关交叉学科的基础研究作了精心长期的计划准备。美国在DARPA，NSF，空军和海军等项目支持下，发展了一系列的高端仿生技术，如脑机接口技术、智能机器人技术、动物的运动控制等领域，同时还优先发展先进制造、先进材料、先进军事装备研究的长期计划；德国在DFG，BMBF等项目支持下，在仿生电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等领域投入了大量财力和人力。前苏联和俄罗斯一直把仿生作为主要的原创技术来源，其独特的对地观测系统源于昆虫复眼研究的结果，Frantsevich院士为此获得列宁勋章。英国、日本以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。这是一场在仿生科学技术研究领域内展开源头研究的全球性竞争，以便在21世纪的世界市场上占有主动地位。

国内20世纪50年代，以中科院生物物理所为核心，曾结合国家的安全目标，形成一个研究的小高潮，后因中断。2000年前，仿生研究还比较零散，主要代表包括吉林大学的任露泉、金属研究所的周本廉等。近年来国内仿生学研究发展迅猛，主要研究集中在材料、表面、运动等领域，形成群雄并起的局面。

在仿生的诸多领域中，运动仿生受到人们的格外重视。国内2003年10月第214次香山科学会议的主题是“飞行和游动的生物力学与仿生技术”，同年12月第220次香山科学会议的主题是“仿生学的科学意义与前沿”。路甬祥、童秉纲等9位中国科学院和中国工程院院士对中国仿生科学与工程的发展寄予殷切的期望。会后，国内的仿生研究进展很快，已经建立了不少以“仿生”为主题的研究机构。特别是运动仿生和智能机器人技术相结合，在国内形成了很好的研究氛围。研究涉及四足机器人、仿鱼机器人、仿人机器人、仿壁虎机器人、仿蝴蝶和仿鸟机器人、仿蟹机器人、仿蛇机器人等，国内从事自动化、机械电子、信息技术等领域的学者纷纷从不同的角度开展研究，形成了运动仿生和机器人研究的高潮。

在当前国家面临的特殊国际环境下，发展军用运动仿生对于形成非对称抗衡能力，促进科学的发展和技术的源头创新，是一个重要的选择。

本文从运动的生物学基础、仿生运动体的发展和存在问题及运动仿生的未来发展几个方面回顾和评述运动仿生面临的问题和发展机遇。

1 运动仿生的生物学基础

动物运动所处的环境分为水中、空中和陆地上。部分动物具有海、陆、空全空间的运动能力，如东方龙虱，它可在水中游，在地上跑，还可在空中飞，这类动物的驱动和运动机构相当复杂，并存在运动驱动和机构切换的行为。

动物在不同的环境中运动，所面临的关键问题是不同的。在水中，主要问题是水对动物运动的阻力，不少海洋动物演化获得了出色的降低阻力的体表质构（微结构、材料和拓扑分布）。在空中，面临的主要问题是产生足够的升力平衡身体自重。因此，这类动物进化了轻质身体结构、高效驱动肌群、精巧的空气动力感知和控制技术。在陆上，动物形式多样，行为复杂，运动所面临的关键问题为克服自身的重力的同时适应陆地复杂多变的形态和环境。这种环境下，动物进化出了3种基本的运动模式——腿结构运动机构、无腿运动机构和滚动运动。

滚动运动：一般认为，轮子的发明和对滚动运动的利用是人类创造力的典型代表，事实上不少动物也利用滚动实现逃逸。活板门蛛在遇到猎蛛蜂攻击时，会把腿上的5个关节迅速收拢，8条腿将身体围成圈，身体会像轮子一样从沙丘上滚下。这个“车轮”每秒钟转动40多转，滚出2m远，时速可达40km/h。

无腿运动模式：自然界中以蛇为代表的无腿运动具有很好的环境适应性，蛇不仅能够在山地、草丛、树木等复杂表面上运动，甚至可以在水中游动。近十年来国内外不少团队从事蛇运动仿生的研究，取得了一批不错的成绩，但总体而言，仿蛇机器人的运动能力还远远落后于蛇本身的运动能力。

腿式运动机构是陆上动物运动机构的首选。从速度最高的猎豹、运动最灵活的羚羊、体重最大的大象，到挖洞而居的老鼠，均采用腿足机构为运动机构。按照机构的结构形式，腿足机构可分为直立运动机构和匍匐运动机构。按照腿足的数量，可分为四足、六足、八足和多足。按照所能够运动的表面的能力，或者脚底能否产生粘附性接触，可分为粘附动物和非粘附动物。粘附动物的脚底能够对所在运动表面产生粘附力，从而克服重力，是动物具有在垂直表面或者负表面（如天花板）上的运动能力。

图1对比了不同环境中运动所需要耗费的能量。出乎预料的是，同样质量下，游动所要耗费的能量最低，跑动消耗的能量最多。

生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力，以完成各种机械动作。

其中神经系统即包涵动物体内对运动行为的控制系统，也包含对环境的感知、多信息融合的决策系统。图2是运动相关神经系统的层次结构与相互关系。

在神经系统中，大脑皮层还将整合来自视觉、听觉、嗅觉、方位觉等方面的信息，并结合身体内部的需求信息，例如饥饿感、求偶需求等，经信息整合，作出综合决策，确定干什么、往哪个方向等顶层任务。脊髓及外周神经信息和肌肉组成了运动的低级和基础单元，该部分常称为CPG层。很多基本的运动模式是在该层储存、记忆和调用执行的。Ijspeert对动物和机器人的CPG做了很好的回顾，尽管结合具体动物已经开展了不少的研究，但已有研究和动物运动的特异性间的关系尚未建立。脑内运动相关核团间信息传输的网络及其神经信息的传输和相互作用规律的认识还非常有限。

图2提示人们，通过对动物运动神经系统信息的调控和干预，可能实现对动物运动行为的调控和干预。该类工作国内外都有相当的报道。

神经系统对肌肉的指令信号通过神经的运动终板传递到肌肉组织，肌肉把化学能转化为机械能，并通过伸肌和屈肌间的拮抗作用，是开链的杆机构具有一定的刚度，获得稳定的位置。这种分布式布局的驱动方式，使机构获得了多个自由度，为动物运动机构实现运动模式的多元化提供了可能性。

由动物骨骼组成的机构是实现动物运动的重要基础，起到承载和传递外力和内力、保护核心器官的作用。关节是骨骼间相对运动的部分，动物的关节在不同方向往往具有不同的约束，形成完全自由度和部分自由度。这种关节的设计是一般机械系统的设计难于模仿的。

力是使动物运动的核心因素，为此，国内外研究者往往关注动物运动中的生物力学规律，运动生物力学研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的机械运动规律。这里，神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替，肌肉活动简化为受控的力矩发生器，动物体模型简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。相邻环节之间以关节相连接，在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动，并影响系统的整体运动。

2 仿生运动体——机器人的发展和存在的问题

运动仿生表现为机器人的研制和开发。在智能机器人技术领域，动物的超级运动能力为智能机器人的发展提供了很好的生物学模板。动物的粘附机制及其仿生为爬壁机器人的研制提供了全新的理念。动物的精细感知能力、多信息融合能力、分布驱动模式和高度的环境适应性为智能机器人的发展提供了很好的参照。在高端装备和制造方面，研究动物运动系统的特点，以期开发出和波士顿动力公司大狗相媲美的高负载多用途机器人；杆机构机器人的研制涉及机构与驱动、感知与信息融合、控制与通信、能源和节能等诸多方面。

杆机构机器人机构常用的有单腿机构（弹跳机器人）、双腿机构（仿人机器人）、四腿机构（进一步分为直立四足机构和匍匐四足机构，如仿狗机器人Bigdog，仿壁虎机器人）、多足机器人（仿昆虫六足机器人和仿蜘蛛八足机器人）。

单腿机器人国外MIT开展了很好的工作，成为Boston动力公司Bigdog机器人的前期基础。徐杨生院士也有很好的工作。该类研究中机构的稳定性控制和合理的驱动是研究的重点。

双腿机器人国外以日本的工作最好。国内以黄强团队在仿人机器人方面的工作最为出色，某些性能和展示的内容和日本人的工作不相上下。这类机器人在动力学稳定性、上肢和躯体行为对机器人的影响等方面已经开展了大量的工作。现有研究多采用电机驱动，该种驱动模式限制了机器人运动能力的进一步提升。

四足机器人是杆机构机器人领域多年的研究热点和重点，比较大型的陆地动物也多为四足运动机构。机构学上该机器人机构是非连续约束变结构机构，接触冲击和机构变型给机器人运动学和动力学的分析及综合添加了难度；其基本运动步态有3角步态和对角步态，前者可实现静态稳定，或者需要在动力学层面才能稳定，在非结构环境下各腿间的运动协调是这类机器人面临的新问题。驱动方面现有研究有电机驱动、液压（气压）驱动和气动人工肌肉驱动等方式。

多足运动机构机器人稳定性更加容易保障，对腿失效的容错能力提高，但在驱动方面更多的是能耗和自身重量难于减轻的问题，运动协调控制将成为这类机器人的主要的问题。

以下是陆上四足机器人研究存在的主要问题：

2.1仿生的运动生物学基础匮乏

在感知方面，动物对周边环境的视觉、听觉、嗅觉等信号的作用范围及其融合方式上不够清楚、动物本姿感知与运动步态和运动方式的关系研究不够、动物脚底对运动反力及其方向的感知了解不足。动物在非结构复杂环境下感知与运动步态间的反馈调节机制几乎没有研究。在驱动方面，动物是分布式的肌肉驱动，而机器人是集中式驱动。如何采用尽量少的驱动，实现复杂多变的运动行为将是这类机器人发展的重要基础问题。动物学研究表明，动物的肌肉一肌腱一骨骼系统并非仅仅是简单的驱动，还肩负存储能量的功能，且冲击接触过程的能量可重复利用达70%。对动物运动神经控制系统的研究表明，动物对运动反力和外界环境的反馈有机械一力学的动力学反馈和神经一驱动调节的神经反馈两种不同的机制，前者适应于快速、简单和局部的反馈，或者适应性复杂、全局和有中枢神经调节的反馈。将这些机制应用于机器人的运动控制将简化其运动控制，并提高机器人的适应性和运动能力。

2.2对脚的研究不够

在动物运动中，脚具有感知接触力和接触状态、增加接触的稳定性、减少接触冲击力等多种功能。而目前机器人研究对脚的研究关注不够。如何提高脚的感知能力、接触适应性、增强脚的降低冲击和稳定性的能力，将是一个重要的方面。笔者在研究蝗虫脚掌降低冲击力、增加粘附接触能力的基础上，发明了一款柔性机器人脚，已经在所研究的四足机器人上使用。采用仿壁虎机器人关键的脚底刚毛阵列的制造技术，国外已经可实现10倍于壁虎脚底粘附力的碳纳米管阵列（美国CASE的戴黎明），但阵列的力学性能还有待进一步深化研究。国内李清文和笔者合作正在研制类同的阵列。

2.3驱动单元和驱动系统落后

目前机器人驱动电机和电源占机器人质量的比重依然偏大，多数微电极度具有大减速比，测定效率低，能耗高。而且很多时候电机的输出方式与机器人的驱动需求不一致。发展高效、轻质的驱动方式、驱动系统和驱动模块，对未来机器人的发展，具有重要的引导作用。流体驱动可能成为机器人驱动的重要方式之一。智能驱动材料和驱动结构是一个长期但重要的研究方向，将为机器人的发展和性能的提升带来质的飞跃。

2.4环境感知技术不足

目前很多机器人采用的视觉及图像处理技术实现定位。但该系统耗时长，需要的资源多。发展高效快速的复眼视觉技术可为机器人视觉定位提供新的选择。多维的接触力学和状态的感知将是杆机构机器人必须发展的核心技术之一。

2.5控制系统的设计有待整合

目前人们对动物运动神经系统的认识远没有所想象的那么深入，这很大程度上源于缺乏跨学科的人才及跨学科交流的不足，而这种交流需要有一定的对方学科的知识，以便可以理解交叉学科的概念、内涵和行为方式，还需要有持续的坚持，才可能达到融合的程度。机器人运动的哪些方面需要按CPG模式？其适应到什么样的层次？不同控制级别的分工各相互交汇模式还有待于深化。

2.6电源与节能技术

受电池储能量限制的移动机器人工作能力不足是一个全世界都在进一步探索的问题。目前机器人的电机驱动系统减速比多在100以上，其中不少齿轮是滑动轴承支撑，一般而言效率低于50%。而且不少情况下电机减速系统的质量和电机的质量相当，这又反过来增加了对驱动力的需求。以电池为动力源的情况下，电池的质量往往大于其他系统质量的和。发展新的驱动方式、能源供给模式和节能驱动方式是机器人走向商业化和实用化的重要一步。

杆机构机器人作为机器人技术的一个重要方面，在没有道路的复杂非结构环境下具有难以替代的作用。

3 运动仿生的未来发展

回顾动物运动的生物学机制和现有仿生机器人存在的问题，笔者大胆预测未来运动仿生的发展。

3.1先进环境感知技术与单元

动物的环境感知是触觉、视觉、味觉、听觉等多信息融合的过程，动物体内的感觉神经元具有分布式、种类多样、每个感觉神经元功能特定、纳米尺度等特点，动物感觉神经元的结构和功能特点为人们发展新的传感器技术提供了很好的启示。而结构更加小巧、灵敏度更高、分布广泛的传感器系统，迫切需要采用纳米技术实现传感器的设计、制造和包装。依次为基础传感信息的采集、传输和处理，对信息技术提出了新的课题和挑战。同时，纳米技术和信息技术在动物感知方面的模拟和仿生应用又为人们认识动物感觉神经系统的工作提供了更好的模板和可行性，帮助解释动物脑神经系统运算和选择的规律性。

3.2分布式驱动和智能驱动材料

驱动技术是机械系统进步的重要标志。从蒸气机、内燃机到电动机的技术革新，使机械系统的灵活性、能量利用效率和使用方便性得到了一次次飞跃和提升。尽管电机在体积、重量、传动效率等方面已得到很大的改进，但仍不能满足高性能机器人（特别是仿生机器人、微型机器人）高灵活性、高效率、高冗余度和高负载/质量比的需要，是机器人性能远落后于所仿生动物的主要原因之一。动物的分布式（肌肉）直接驱动是它们具有运动灵活性（驱动自由度多）、鲁棒性（具有动能代偿）、高效率（最佳位置力输出）和高驱动能量密度（传统微型飞行器电机和传动占总体重的30%～50%）的主要原因。微机电系统发展呼唤新型驱动材料和驱动部件的发明和创新，已成为未来材料、机械和电气工程交叉领域迫切需要解决的关键问题之一。

目前有望用于分布式驱动的材料包括形状记忆合金（Shape memory alloy，SMA）、电磁致动材料（Electromagnetic brake，EM）、压电材料（Piezoeletric material）、电活化聚合物材料（Elec-troactive polymers，EAPs）等，这些材料的工作频率和输出能量密度如图3所示，可见EPAM（一种EAP材料）在10～104Hz范围内具有最好的比功率（能量输出/质量），此外，EAP还有具有柔性、易于控制、性能类似于天然肌肉等特点。按工作原理，EAPs可分为电子型和离子型两类。电子型EAP靠电场驱动，所需电压相当高（场强约为150V/μm）；离子型EAP是基于带电离子的迁移和扩散实现驱动的。离子交换聚合金材料（Ionic polymer metallic composite，IPMC）是一种离子型的EAP材料。与其他驱动材料相比，IPMC驱动电压低、位移量大；其变形收缩能力超过质地脆硬的电学陶瓷100倍以上，而且在响应时间、低重量及弹性上大大超过形状记忆合金，成为近年来国内外研究的热点。

笔者认为，IPMC可能是一类有前景的驱动材料。其研究可归为：（1）IPMC仿肌肉材料的制备和特性；（2）IPMC的致动机理研究；（3）设计和应用技术研究。1992年，美国的Shahinpoor等、Sadeghipour等及日本的Oguro等几乎同时独立发现IPMC的电致动特性。1998年Shahinpoor等人采用全氟磺酸聚合物（Nafion）、1999年Oguro等人采用全氟碳酸聚合物（Flemion）作为基底聚合物，在含Pt和Ag等金属离子复合物水溶液中进行离子吸附和交换，随后通过化学还原过程在基体表面深处形成一层金属纳米颗粒，分别制备了IPMC。

IPMC的致动机理比较复杂，尚没有公认的理论。但是许多针对某一具体实验现象的电学模型和力学模型的建立以及材料致动行为的研究提高了人们对于IPMC的理解。目前学者们认为，IPMC在结构上，基底Nafion分子同时具有亲水和憎水基团，在成膜中内部形成了许多纳米尺度的微管道。外加电场作用下，微管道内的溶剂化离子定向迁移，导致Nation薄膜本体的形变（位移），进而产生张力。因此，持续的水分子迁移是保证IPMC工作的必要条件。

IPMC驱动器的性能主要表现为：驱动电压低（低于10V，一般3V左右），输出位移大（弯曲位移超过32%），激励电压和频率对位移输出有明显影响。现有的IPMC驱动器主要存在两个缺点：（1）力输出较低；（2）离水工作时间较短，IPMC工作需要水合离子的参与，现有的IPMC适合用于水中或潮湿环境，对IPMC的进一步推广存在限制。近年的大量研究集中在上述方面，以便进一步提高IPMC的性能和工业应用的可能性。

尽管IPMC存在上述不足，它的独特性能和广泛应用潜力还是吸引了很多学者和工业界开展IPMC应用的尝试。美国JPL实验室和新墨西哥大学的人工肌肉研究所研究用IPMC做四爪抓取器，设计使用IPMC作为人体心脏或人工心脏的辅助压缩舒张装置。韩国Kim等人研制了IPMC驱动的八足机器人。日本公司EAMEX用IPMC驱动的人工鱼已经商业化，一次充电它可在鱼缸里游半年。Zhang等研制了能实现泳动、行走和漂浮的水下机器人；Yeom等研制了仿水母机器人。这些研究和研制展示了IPMC潜在的应用市场，也预示着科学把幻想变为现实的可能性。

仿生驱动领域关于分布式驱动的研究尚未开展，基于智能驱动材料的驱动单元的研究和研制还不能满足工程的需要。

3.3杆机构机器人与智能控制技术

美国在阿富汗战争中，毛驴战胜“悍马”，表明山地环境下杆机构动物的运动能力远胜于轮式运动系统。因此，美国DARPA在原来BIGDOG（大狗）的基础上，近期又投入320万美元发展运动能力更强的LS3。中国和新疆也是高海拔的山地环境，而且也是分裂势力从事恐怖活动比较活跃的地区，有着和阿富汗类似的问题。同时，中印边境也是不够稳定的地区。保障山地环境的运输能力，对降低特种兵的体力消耗、提高作战能力有重要支持作用。外空探索是近来航天活动的主要内容之一。无论是月球探测、或者是火星探测等，具有高度环境适应性的移动机器人，是实现在外星球上运动的重要手段。杆机构机器人环境适应性好，具有较强的运动功能代偿能力，是外空探测机器人的重要候选机构。

仿壁虎杆机构机器人除了上述杆机构机器人的特点外，还能够借助于范德华力粘附机制，实现不依赖于空气压力的干式、自清洁、多次重复使用的粘附。这种粘附机制实现的抓取在卫星轨道上依然有效，因此本项目发展的干式粘附机器人手，能够在空间环境下，比较容易地实现对非合作目标的对接。例如，可以用该粘附机器人抓取其他先进国家的卫星和航天器，从而实现获取相关技术、木马植入等，为基于航天的信息战和反信息战提供一种选择。同时，可以用于航天站内物体在航天器上的固定（干式粘附）。仿壁虎机器人在特种侦察、杆机构机器人在救灾等领域也有需求。

对杆机构机器人运动、控制、驱动、节能等行为规律的认识，还将反过来促进对动物运动、控制和感知机制和行为方式的收入认识，为残障人士的康复提供帮助。

3.4动物运动规律的研究

对动物运动规律的揭示，在运动仿生研究中具有重要位置，是工程科学研究回馈和促进动物学研究的重要手段，也是动物学研究深化的必然需求。如在流体（水和空气）中运动的动物，其运动力学量的检测依然十分困难，现有实验研究以飞行翅一动物整体运动行为的观测为主，同时辅助流场观测和基于流场观测的数值分析计算，依次获得动物运动中和环境问力学相互作用的信息。发展载体无线的超低力学量测试技术，直接获得动物在流体中运动时生物力学规律，具有重要意义和价值。目前已知海洋动物具有出色的降低身体和水界面阻力的能力，初步的仿生实践证明，可减低飞机阻力5%，船舶阻力12%，有巨大的经济和环境效益。纳米尺度功能器件的制造难以通过传统的去材方法实现，生物的自组织生长制造技术一旦推广应用，将改变制造科学的面貌，成为节能、节材微纳器件制备的核心技术。

4 结束语

从动物运动的生物学和仿生机器人的现状看，未来运动仿生发展的方向可以概括如下：

基于动物运动机构和驱动系统的生物机器人研究，科学问题是揭示动物运动相关脑区（核团）的相互关系、运动相关神经信息的传输规律和外界刺激下神经信息的演变规律。技术难点在于运动调控核团的精确定位方法和技术、阵列电极无干扰地定点植入技术、动物运动状态神经信息采集和调控的微型遥测遥控技术。

动物的运动方式精选(九篇)

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