1.2.3 自然系统复杂性背后的规则分析

虽然自然系统中从无机世界到有机世界存在各种复杂性，但就推动系统演变的动力学机制来说，无非是将自然界存在的基本作用力分四种，分别是分子之间有强作用力和弱作用力，两个质量物体之间有万有引力以及电荷在磁场中的电磁力。自然系统以及后面介绍的工程系统正是在这四种基本力的组合作用下，不断进行演化发展。

1.机械与运动系统动力学

在现实世界的人造工程系统中普遍存在的一类系统形式是机械与运动系统，如我们的运载工具，包括汽车、舰船、飞机等。机械与运动系统遵循的系统动力学规律涉及“作用力”和“运动”两个领域，遵守牛顿力学三定律。作用力是致使系统运动状态改变的因素，通过牛顿第一定律来描述，即系统在不受力的条件下，始终保持静止或匀速直线运动；作用力是运动之间的量化关系通过牛顿第二定律来描述，即系统的加速度等于作用力除以系统质量（a=F/m）；而牛顿第三定律则描述了作用力与反作用力是大小相等，方向相反的关系。作用力在性质上又可分为重力、弹力、摩擦力、电场力与洛伦兹力等。

2.热力系统与流体系统动力学

之所以将热力系统与流体系统放在一起介绍，是因为二者密不可分的关系。热力系统是指将系统的热量作为能量存储形式，通过热量的传递来完成设定功能的系统。在工程上，热力系统通常使用流体系统作为媒介来发挥作用。如我国北方的供暖系统，将作为流体的热水当作介质，通过热水与屋内温度差来传递热量；再如蒸汽机系统，将同样为流体的热空气作为介质，通过膨胀的空气产生压力来推动活塞运动，蒸汽机系统是热力系统与流体系统的结合。流体系统包含两类，即液体系统和气体系统，二者的性质和动力学原理有很大的差异，液体系统的体积是不能被压缩的，而气体系统的体积可以被压缩。液压系统中使用的动力学原理称作帕斯卡定律，即密闭液体上的压强在各个方向上处处相等，压强等于作用力除以面积（P=F/S）。

3.电力系统动力学

传说古希腊人特立兹发现摩擦过的琥珀能够吸附碎小的物体，这可能是人类对电的最初体验。但直到近代物理学的发展才揭开电的秘密。电是自然界中任何原子中的电子与质子之间相互排斥或相互吸引的属性。在工业与生活中使用的电的产生又与磁场密切相关，19世纪30年代，英国科学家法拉第发现了闭合电路的一部分导体做切割磁力线运动时，能在电路中产生电流，这就是发电机工作的基本原理；通过修建拦河大坝蓄水，利用流水的重力势能转化为发电机组旋转的动能，转子在磁场中旋转产生电能，这是水力发电的原理；通过燃烧煤或天然气，加热水产生热的蒸汽，驱动汽轮机在磁场中旋转产生电能，这是火力发电的原理；通过核反应堆产生的热量加热水产生热的蒸汽，驱动汽轮机在磁场中旋转产生电能，这是核能发电的原理；还有利用水位差的势能发电的潮汐发电等，都是基于导体在磁场中切割磁力线产生电流，将机械能转化为电能的。相应地，通电的线圈在磁场中会发生旋转，这是一个将电能转化为机械能的过程，这也是电机工作的基本原理，使得电能的利用成为可能。

人类社会技术的进步离不开物理系统动力学发展的支持。对热力系统动力学的研究催生了蒸汽机的发明，开启了人类第一次工业革命，即蒸汽力替代人力，拉开了人类大规模工业生产的序幕。空气动力学的研究为飞机的发明与推广应用提供了理论支持。电力系统动力学的研究则开启了人类的第二次工业革命，人类进入了电气时代。