1.2.3 自然系統復雜性背后的規則分析

雖然自然系統中從無機世界到有機世界存在各種復雜性，但就推動系統演變的動力學機制來說，無非是將自然界存在的基本作用力分四種，分別是分子之間有強作用力和弱作用力，兩個質量物體之間有萬有引力以及電荷在磁場中的電磁力。自然系統以及后面介紹的工程系統正是在這四種基本力的組合作用下，不斷進行演化發展。

1.機械與運動系統動力學

在現實世界的人造工程系統中普遍存在的一類系統形式是機械與運動系統，如我們的運載工具，包括汽車、艦船、飛機等。機械與運動系統遵循的系統動力學規律涉及“作用力”和“運動”兩個領域，遵守牛頓力學三定律。作用力是致使系統運動狀態改變的因素，通過牛頓第一定律來描述，即系統在不受力的條件下，始終保持靜止或勻速直線運動；作用力是運動之間的量化關系通過牛頓第二定律來描述，即系統的加速度等于作用力除以系統質量（a=F/m）；而牛頓第三定律則描述了作用力與反作用力是大小相等，方向相反的關系。作用力在性質上又可分為重力、彈力、摩擦力、電場力與洛倫茲力等。

2.熱力系統與流體系統動力學

之所以將熱力系統與流體系統放在一起介紹，是因為二者密不可分的關系。熱力系統是指將系統的熱量作為能量存儲形式，通過熱量的傳遞來完成設定功能的系統。在工程上，熱力系統通常使用流體系統作為媒介來發揮作用。如我國北方的供暖系統，將作為流體的熱水當作介質，通過熱水與屋內溫度差來傳遞熱量；再如蒸汽機系統，將同樣為流體的熱空氣作為介質，通過膨脹的空氣產生壓力來推動活塞運動，蒸汽機系統是熱力系統與流體系統的結合。流體系統包含兩類，即液體系統和氣體系統，二者的性質和動力學原理有很大的差異，液體系統的體積是不能被壓縮的，而氣體系統的體積可以被壓縮。液壓系統中使用的動力學原理稱作帕斯卡定律，即密閉液體上的壓強在各個方向上處處相等，壓強等于作用力除以面積（P=F/S）。

3.電力系統動力學

傳說古希臘人特立茲發現摩擦過的琥珀能夠吸附碎小的物體，這可能是人類對電的最初體驗。但直到近代物理學的發展才揭開電的秘密。電是自然界中任何原子中的電子與質子之間相互排斥或相互吸引的屬性。在工業與生活中使用的電的產生又與磁場密切相關，19世紀30年代，英國科學家法拉第發現了閉合電路的一部分導體做切割磁力線運動時，能在電路中產生電流，這就是發電機工作的基本原理；通過修建攔河大壩蓄水，利用流水的重力勢能轉化為發電機組旋轉的動能，轉子在磁場中旋轉產生電能，這是水力發電的原理；通過燃燒煤或天然氣，加熱水產生熱的蒸汽，驅動汽輪機在磁場中旋轉產生電能，這是火力發電的原理；通過核反應堆產生的熱量加熱水產生熱的蒸汽，驅動汽輪機在磁場中旋轉產生電能，這是核能發電的原理；還有利用水位差的勢能發電的潮汐發電等，都是基于導體在磁場中切割磁力線產生電流，將機械能轉化為電能的。相應地，通電的線圈在磁場中會發生旋轉，這是一個將電能轉化為機械能的過程，這也是電機工作的基本原理，使得電能的利用成為可能。

人類社會技術的進步離不開物理系統動力學發展的支持。對熱力系統動力學的研究催生了蒸汽機的發明，開啟了人類第一次工業革命，即蒸汽力替代人力，拉開了人類大規模工業生產的序幕?？諝鈩恿W的研究為飛機的發明與推廣應用提供了理論支持。電力系統動力學的研究則開啟了人類的第二次工業革命，人類進入了電氣時代。