中國力學的發展
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力學是研究物質機械運動規律的科學。自然界物質有多種層次，從宇觀的宇宙體系、巨集觀的天體和常規物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學以研究天然的或人工的巨集觀物件為主。但由於學科的互相滲透，有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的物件以及有關的規律。機械運動亦即力學運動是物質在時間、空間中的位置變化，它是物質在時間、空間中的位置變化，物質運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內部的運動和化學運動等。機械運動並不能脫離其他運動形式獨立存在，只是在研究力學問題時突出地考慮機械運動這種形式罷了；如果其他運動形式對機械運動有較大影響，或者需要考慮它們之間的相互作用，便會在力學同其他學科之間形成交叉學科或邊緣學科。力是物質間的可以說是力和運動的科學。 1 力學學科的戰略地位 1.1 力學發展的回顧 1.2 我國力學研究的狀況 1.3 力學發展的趨勢和重要方向------------------------------------------------------[size=4] 1.1 力學發展的回顧[/size] 力學的發展始終是和人類的生產活動緊密結合的，3000多年前的墨經上就有簡單的槓桿原理。在西方，古希臘的阿基米德對靜力學就有了一些系統的論述。這都與當時的生產水平相適應。 17世紀初，歐洲資本主義萌芽，科學掙脫神學的束縛而開始復甦。伽利略是進行系統實驗研究的先驅，提出了加速度的概念和慣性原理。開普勒根據天文觀測資料總結出行星運動的規律。牛頓繼承和發揚了前人的成果，提出了物體運動三定律和萬有引力定律。[B]可見，至牛頓時代，力學形成了一門科學，同時推動了微積分的發展，[/B]其後，隨著歐洲逐步工業化，力學得到了很大的發展。上個世紀，力學已經有了不少分支。例如與水利及城市給排水建設有關的水力學，與建築、橋樑、道路等有關的材料力學和結構力學，與軍事有關的彈道學，以及理論性較強的理想流體力學，分析力學和彈性力學。與此同時，力學成了物理學的重要組成部分，並促進了數學的發展。 力學的大發展開始於20世紀初。[B]最突出的成就是流體力學中邊界層理論的提出[/B]。上個世紀水力學和理想流體力學得到了很大發展，前者緊密地結合工程實際，但含有不少經驗成分； 而後者理論很完美，但不能計算物體在真實流體中運動時所受到的力。德國的[B]普朗特[/B] (L.Prandtl)通過實驗觀察，發現流體的粘性在緊靠物體表面的一薄層中不能忽略，但在離物體稍遠處則完全可以忽略。根據這一思想，他提出了邊界層理論，圓滿地解決了在計算物體所受阻力和升力中所遇到的疑難問題，正是在這個基礎上，誕生了現代流體力學。有意思的是這種“邊界層”的現象後來發現在很多其他領域中也存在，同樣可以應用普朗特的思想解決問題。同時這也促成了應用數學中十分有用的“漸近匹配法”的發展。 力學的飛速發展是伴隨著第一次大戰後航空工業的發展而進行的。儘管當時幾乎所有的大生產部門都依賴於力學理論的指導，但只有航空工業對飛機設計提出的輕、快、安全的高難度要求，才使得航空工業離開了力學寸步難行，從而極大地推動了空氣動力學，固體力學中的板、殼理論，結構分析，塑性力學，疲勞理論的發展，而反過來，力學一旦形成一門科學，就會為完善本身學科的要求出發而提出眾多基礎問題。這些基礎研究的儲備，又大大縮短了解決實際問題的時間。 從低速飛行到高速飛行的發展，就是一個極好的例子，一方面可壓縮流體力學的研究是不可壓流體力學的自然延伸； 而另一方面，以[B]普朗特、馮·卡門(T.von Karman)、錢學森為代表的應用力學學派開創了一條工程和力學相結合的道路[/B]。他們先後提出和圍繞“[B]聲障[/B]”和“[B]熱障[/B]”問題，展開了系統的研究，奠定了高速空氣動力學和氣體動力學的理論基礎，從而也為超聲速飛機、火箭和導彈的研製、設計和製造賦予嚴密和完整的基礎，人們從此進入了噴氣技術的時代，形成了今天的大規模的航空、航天產業。航天技術中一系列問題的解決，形成了高溫空氣動力學、稀薄氣體力學、化學流體力學、物理力學以及斷裂力學、損傷力學等一大批新興力學學科。由於這些學科所取得的成就又被進一步廣泛地應用於民用工業，促進了民用工業的發展，例如化學流體力學對化工、冶金，斷裂力學對機械、交通和建築等。力學與工程緊密結合的傾向也在其他工程部門的迅速發展中得到反映，如與水利、採礦、高層建築、金屬加工、造船等工業結合，促進了土力學、岩石力學、塑性力學、水動力學等的發展。原子彈聚爆方案和引爆技術的提出歸功於流體力學中的衝擊波理論與量綱分析的運用。核武器的研製和發展，則與爆炸力學的形成和發展緊密相聯。化學工業的迅速發展有賴於非牛頓流、多相流的力學研究，等等。上述情況充分說明力學與工程相結合的超前研究為新產業的形成起著奠基和催生的作用。 [B]20世紀下半葉、航天任務基本實現以後，力學家開始轉向新的力學生長點，特別是在天、地、生方面取得豐碩成果[/B]。結合天體現象的研究，用磁流體力學研究太陽風的發生和發展規律，用流體力學結合恆星動力學解釋星系螺旋結構，用相對論流體力學研究星系的演化等取得了成果。力學家研究了生物的形態和組織，建立了生物力學，從而在定量生理學、臨床診斷和檢測分析、人工器官的設計和製造等方面取得成就，並業已形成一門新的生物醫學工程。力學向地球科學滲透，在板塊動力學、構造應力場、地震機制與預報及與之有關的反演等方面取得進展，並進一步推動岩石力學的研究。 以上我們著重談了力學與生產的關係。現在我們再來看看力學與整個科學的關係。 力學原是物理學的一個分支。物理科學的建立是從力學開始的。在物理科學中，人們曾用純粹力學理論解釋機械運動以外的各種形式的運動，如熱、電磁、光、分子和原子內部的運動等。當物理學擺脫了這種機械唯物主義的自然觀而獲得健康發展時，力學則在工程技術的推動下按自身邏輯進一步演化，逐步從物理學中獨立出來。由於各種運動形態往往同時出現，巨集觀運動與微觀運動又有內在聯絡，力學與物理學存在著特殊的親緣關係，許多概念、方法和理論都有不少相似之處。力學與數學是整個自然科學中發展得最早的兩個學科，他們在發展中始終相互推動，相互促進，這種緊密的聯絡特別表現在力學理論和微分方程理論的同步發展方面，本世紀內形成的應用數學則在很大程度上是力學和數學結合的交叉學科。[B]應當指出力學有一個重要特點是有別於數學的，它和物理一樣，還需要實驗作為基礎[/B]，任何一種力學模型和理論總是源出於實際現象，並在實踐和應用中受到檢驗。力學的發展相對於其他學科有一定的“超前性”，不少在力學中提出的規律、理論和方法，後來發現在其他領域中同樣有效。 為說明力學與其他科學的關係，應該提到本世紀在對非線性力學現象中所取得的突出成就，它們對當前[B]非線性科學的興起[/B]起到先驅和核心的作用。例如，經典力學在上個世紀就提出的關於[B]物體運動穩定性的理論[/B]，不僅在第二次世界大戰中，被引用到[B]自動控制理論[/B]中，大大縮短了其理論的形成過程；而且這一理論在當前十分熱門的[B]混沌理論[/B]中又得到了應用。本世紀初在天體力學中發展起來的[B]攝動法[/B]，為近代非線性科學中的[B]分岔理論[/B]及各種系統的非線性振動理論提供了分析的手段，而兩個世紀前在固體力學中提出的[B]壓桿失穩理論，則是分岔現象的第一個科學例子[/B]。上個世紀末觀察到的水中的[B]孤立波，是非線性科學中孤立子理論的先驅[/B]。為此提出的[B]KdV[/B]方程，至今仍是孤立子理論的典型方程之一，而孤立子理論推動了光學中相應理論的發展，且成為實現[B]現代光通訊技術[/B]的關鍵。60年代由氣象學中提出的[B]流體力學問題，開創了混沌學的研究[/B]，[B]從根本上改變了經典物理中確定性的觀點[/B]，也深深地影響了人們的自然觀，而被認為是20世紀科學最偉大發現之一。 還應該提一提科學計算的問題，由於大型、複雜建築物如摩天大樓結構設計的需要，早在計算機出現之前，力學工作者就提出了若干種分析大型、複雜結構物的計算方法。電子計算機的問世，大大促進了這方面的發展，改變了原來的思路。在50年代，即已出現了後來被稱為[B]有限元法[/B]的思想並迅速被推廣到力學的各個分支及其他科學領域。而航空航天技術中流場計算以及原子彈、氫彈引爆過程和爆炸效應的計算需要，又大大促進有限差分法的發展。為了適應複雜結構及流場等大型計算，提出了各種網格劃分、分割槽計算、分裂運算元、平行計算等方法。可以毫不誇大地說，力學計算的需要是現代計算科學的最有力的推動力之一。電子計算機出現後的首批重要科學和工程計算中，力學問題佔了相當大的比重。 以上我們強調了由於人們能直接感知的只是巨集觀事物，因此不少科學中的普遍規律（指在各學科中有共性的）往往先在力學現象中被發現和研究，然後滲透到其他學科並得到更大發展。同時我們也應該看到，力學的發展也從其他學科分支中借用或引用了不少成果。例如現代航天技術中的高速高溫氣流往往伴有複雜的物理、化學過程，不用物理、化學的知識是不行的。近代力學的多種實驗手段是建立在近代光學、電子學及計算機等學科的基礎上而不斷髮展的。又如量子力學的發展，大大促進了數學物理方法的發展，力學從中也受益不小。因此，力學工作者也應密切注視其他學科的發展，從中吸取新思想、新理論及新方法。 力學發展的歷史充分說明：力學同物理學、數學等學科一樣，是一門基礎科學，它所闡明的規律帶有普遍的性質；力學又是一門技術科學，它是許多工程技術的理論基礎，又在廣泛的應用過程中不斷得到發展。力學既是基礎科學又是技術科學這種二重性使力學家感到自豪，他們為溝通人類認識自然和改造自然兩個方面作出了貢獻。[align=right][color=#000066][此貼子已經被作者於2004-2-1 17:13:49編輯過][/color][/align]
1.2 我國力學研究的狀況
中國的力學家在近代力學的發展中曾經作出過卓越的貢獻，作為應用力學學派的代表人物，錢學森對空氣動力學的發展起了重要作用，推動了航空、航天技術的發展，他給出了亞聲速流動的卡門-錢學森近似，對高速飛行體的表面加熱機制提供了流體力學分析，他還提出飛機薄殼結構非線性屈曲失穩的理論，他在火箭與航天領域提出了若干重要概念，如提出並實現了火箭助推起飛裝置，提出了火箭旅客飛機、核火箭、噴氣式太空梭等概念的設想。郭永懷和錢學森合作在跨聲速流動問題中提出了判斷激波是否出現的上臨界馬赫數的概念。郭永懷又將邊界層方法同變形座標法結合起來形成有名的PLK方法，發展了奇異攝動理論。周培源
建國後不久，我國在中國科學院數學所建立了力學研究室，在北京大學建立了數學力學系。1956年成立中國科學院力學研究所，在我國的科學技術發展十二年遠景規劃中力學被正式列為一級學科，不久又建立了中國力學學會，並相繼在高等學校中，設立了數學力學或工程力學系。在多數工業部門成立了以力學研究為主的研究所或研究室。最初展開研究的分支學科為彈性力學、塑性力學、流體力學和一般力學。力學研究所的成立和全國科技發展規劃的制訂標誌著學科建設的一個重要時期，那時相繼開展了振動及流固耦合振動、地震工程力學、空氣動力學、激波管技術、物理力學、化學流體力學、水動力學、電磁流體和等離子體動力學等分支學科的研究，建立了相應的研究室（組），並著手建設實驗室。同一時期，傳統的結構力學與水力學、泥沙動力學得到新的發展，並在中國科學院和一些工業部門成立了岩土力學、滲流力學等研究機構。60年代，又創立了爆炸力學。從此我國的力學學科有了比較完備的學科體系，而且具有我國的特色，特別是物理力學、化學流體力學、爆炸力學在國際上也是最早或較早的開展研究的學科。
那時，力學研究的重點主要圍繞航天技術、抗震工程、爆炸與抗爆工程、土建與水利建設，並取得一批重要的應用性研究成果。我們在國內自行研製的計算機的基礎上發展了計算力學。理論工作的成就主要有錢學森的工程控制論
本世紀60年代至70年代初，國內、國外的學術交流幾乎處於完全停頓狀態。國外早已形成的斷裂力學直到1976年力學學會大力提倡之前，只有極少人熟悉。70年代初，經國外學者引導，我國學者才著手研究星系的結構和其他有關宇宙氣體力學的問題、孤立波理論和生物力學，並重新開始探討本來我國科學家就有重要貢獻的奇異攝動法，逐步打破了閉關自守的局面。
1978年全國力學規劃是我國力學學科建設的又一個重要的里程碑。力學再次被確認是一級學科，它既是一門基礎科學又是一門應用極廣的技術科學，是許多工程技術與一些其他自然科學的基礎。除過去已提出的分支學科外，一些新的重要的分支被列入規劃，其中包括斷裂力學、理性力學、流變學、生物力學、計算力學、實驗力學、地球構造動力學、地球流體力學等。全國力學規劃提出了14個重點課題，其中第1和第2個就是材料的強度理論和湍流理論。應當說這樣的安排代表了當時的先進的思想，後來的實踐充分說明它是十分有遠見的，符合當代力學發展的總趨勢。規劃也充分注意到了既要重視基礎研究也要重視廣泛的應用研究，提出了巨集、細、微觀相結合的發展道路。這個規劃歷時一年，動員了幾乎全國所有的力量。
從此我國力學學科門類相當齊全，趕上了世界發展的格局。一些新的分支學科得到迅速發展，國際交流增加了，我國新一代的學者走上國際舞臺。我國在泥沙運動方面的工作是先進的，在計算空氣動力學，計算結構力學，實驗空氣動力學，斷裂力學，爆炸力學等研究的某些方面是有特色的。我國在材料力學性質，斷裂與損傷研究方面有了較好的開端，在力學與天文，地學，生物結合方面都有所前進，此外力學也進入了一些新的工作應用領域，如海洋工程，環境工程，反應堆工程。
從那時以來，力學界的國內外學術交流變得很活躍，在國際學術機構佔有一席之地，在取得上述成就的同時，應該指出，雖然在個別點上，我們的工作不亞於甚至超過國外，但是就總體及影響的深遠端度來說，與國際先進水平的差距還不小，對此需要有充分的認識。同樣是一級學科，力學得到的重視不如其他的一級學科。這些年來，物質投入不足，新生力量匱乏，嚴重約束了力學的發展，造成力量難於集中、高水平成果較少，學科間的交流不暢，這些嚴重阻礙力學發展的因素應當引起重視。
1.3 力學發展的趨勢和重要方向
從前面對力學發展過程的回顧可以清楚地看到，力學是隨著人類認識自然現象和解決工程技術問題的需要而發展起來的；力學又的確對認識自然和解決工程技術問題起著極為重要甚至是關鍵的作用。
當前，人類面臨一系列重大問題需要解決，其中有些問題對於我國說來更顯緊迫，諸如：糧食不足，水、土資源短缺，生態環境破壞嚴重，能源短缺、利用效率低，交通運輸緊張，氣象和地震等自然災害的預報及防治等，繼續不斷提出新的力學問題，有賴於力學的新發展去解決。在許多重要高技術領域與國際先進水平差距日益增大，同樣需要力學界作出努力。
我國人均耕地面積較小，水源不足，水土流失嚴重，工業發展不注意生態環境的保護，這方面存在眾多力學問題要求解決。影響農作物的生長的一個關鍵因素是體液的輸送，闡明水自根到葉而糖份從葉到全身的輸運機制，及各部分在生長各階段對液體的需要，對內因和外因各引數進行優化和調節，可以達到消耗最少而收穫最多的目的。需要把植物和它生長的環境，即土壤、空氣和陽光看作一個系統，統一研究這一系統的質量和能量的轉換和傳輸，有助於改善區域種植的管理和發展。要加強對水源、土壤和空氣中汙染物質輸運及對汙染源控制的規律的研究。要研究植物在一般和特殊環境下的強度。如果我們能作好以上幾項研究，可以設想在不久的將來我們將會有一個更為經濟、健康的綠色產業(包括綠色農業和綠色工業)和生態環境，既提供我們足夠的農產品，也為我們創造一個衛生和優美的生存環境。
解決能源危機的根本途徑是尋求和開發乾淨的再生能源，並應千方百計地降低能耗，包括可控熱核反應、太陽能、地熱、生物質能、風能、潮汐能等。在煤的清潔燃燒和利用，可控熱核反應作為未來能源的工業化等主要領域裡，力學特別是流體力學可以大有作為。開發太陽能和地熱的一個關鍵是提高集熱、隔熱材料效能和迴圈系統的傳熱、傳質效能，研究生物發酵，氣化中的反應、擴散及氣化過程是加速實現開發生物質能的中心課題，建築行業中需要高效的保溫材料和傳熱系統，其中也存在諸多力學問題。
近年來，複合材料(包括陶瓷、聚合物和金屬)、納米材料、功能材料等新型工程材料不斷被開發出來。材料的合成和製備或材料的變形、破壞、壽命等效能涉及眾多的巨集觀與細觀的力學過程及其與熱學，甚至還與電學過程相結合的研究課題，這裡需要力學界提出創新的概念，以最終達到設計新型優質材料並且提出新的加工製造方案。
交通運輸是阻礙我國經濟高速發展的一大“瓶頸”，為在短期內趕上發達國家的水平，急需研製和建設大型超聲速客機、高速列車、新型船艦及水面效應飛行器、高速公路、大型橋樑和隧道等。這些大型工程中存在一系列流體力學、固體力學及流固耦合的問題，需要新構思和新途徑，提出科學和優化的設計和製作方案。
我國地域遼闊，每年自然災害頻發，為了改進天氣預報，瞭解地震發生機制，掌握泥沙和風沙遷移、土壤侵蝕以及泥石流和滑坡等的規律，需要針對氣象與地學特點，推動力學與大氣和海洋科學以及與地學的進一步結合，構築新的模型和理論。
力學與高技術的發展始終緊密相連，過去力學研究在發展以兩彈為代表的尖端技術中發揮了極其重要的作用。當前，在發展高效能飛機、高能束流武器、動能武器、微重力科學技術、微型機械、超聲速燃燒技術、空間垃圾的防治等，力學仍要發揮舉足輕重的作用。
隨著科學與社會的飛速進步，各國政府均把提高人民健康和生活質量提到前所未有的高度，在執行這一光榮的歷史使命中，發展生物力學具有重要的意義。一方面這關係到前面談到的興建綠色產業和創造衛生而優美的生存環境；另一方面，可以直接服務於生物醫學工程，為人類健康做出貢獻。
力學是一門基礎學科，在學科的發展中提出了一系列具有根本性和共性的問題。這些問題的研究和解決不只是為了解決當前區域性的工程技術問題，而是為了更全面徹底地解決眾多工程技術和自然科學中的根本問題，而且必將為推動科學技術全面發展創造條件。眾所周知，最突出和最普遍的兩大基礎難題是湍流機制以及固體的本構關係和破壞機制。
絕大多數的流動取湍流的形態，目前計算這類問題都帶有經驗的成分，方法帶有侷限性和盲目性而缺乏預測能力，因為湍流直接關係到航空、航天、水運、天氣預報、海流預報、化學反應器、水利、環境以至天體和宇宙中的流動等等眾多領域，湍流研究的任何進展都有全域性意義，都會在廣闊範圍內得到好處。近年來圍繞實驗中發現的相干結構展開了理論研究，直接數值模擬也有很大的進展。確定性問題中混沌現象的發現和研究給人們帶來新的啟迪，有可能從探討時空混沌的演化的角度推動湍流研究的進展。
固體材料的實際強度和目前的理論強度相差一至二個數量級。這個矛盾曾推動位錯、裂紋等重要物理、力學理論的建立，然而至今這個根本矛盾依然存在。需要應用巨集、細觀相結合的方法研究變形區域性化、損傷乃至斷裂的演化機制，進一步的問題是如何將不同效能和功能的材料配置在一起，形成多種物理和力學效能和功能的優化組合，促成材料設計科學的形成與發展。同時，研究材料加工工藝過程中的力學機理，逐步達到運用計算機精密控制材料製備和構件精細加工製作的目的。
一般力學中的重要基礎問題是非線性動力系統理論，它是目前方興未艾的非線性科學的重要組成部分，在分析運動穩定性、分岔、非線性振動、混沌等方面對整個力學的發展以及其他很多學科的發展產生影響，也會推動複雜的運動機械系統、控制系統及機器人技術等的
進步。
學科的交叉與滲透對科學和技術的推動起巨大的作用，如物理力學說明極端條件下的材料性質及新材料設計原則；等離子體力學指導託卡馬克及說明天體現象；爆炸力學除了揭示材料和結構的動態變形和破壞規律，一個新方向是研究鬆散或多孔介質的動態變形破壞和流動耦合的運動規律。展望21世紀，這種學科的交叉必將進一步加強。這裡特別要強調注意發展三個交叉領域，它們是力學與生命科學的交叉、力學與地學的交叉以及物理力學，我們認為這三個方面將在21世紀有重要發展和重大影響。
力學與地學結合的研究重點是：①地球動力學，中心問題有：板塊運動的驅動力來源，地幔對流理論，地震機制；②環境與災害力學，包括汙染物的運移、氣象災害、地質災害的發生機制和預報；③土巖的變形、流動和破壞規律。
力學與生命科學結合的研究熱點是，應力與細胞生長規律、微迴圈的規律、植物體液的輸運規律等。
力學與物理學的結合要重點研究極端條件下材料的性質，固體非平衡/不可逆熱力學理論，以及從細觀層次(原子鍵、位錯、空位等)的動力學出發解釋材料的塑性和斷裂行為。
今天，人們已經充分地認識到力學問題的解決必須通過實驗、分析、數值模擬三位一體的研究途徑，需要巧妙設計的實驗，需要精細的測量手段，需要充分利用計算機來控制實驗及測量以及進行資料處理、演算和數值模擬，而貫徹始終的則是進行去粗取精、去偽存真的理論分析工作。應該提倡利用計算機進行經濟和有效的模擬實驗，研究和開發結構的優化和控制程式，以及進行反問題的探索。要注意不失時機地針對幾類大型力學問題及其物理本質，發展各類數學模型(包括離散模型)，研究相應配套的並行演算法及平行計算機，這將大大提高計算的能力和效率。因而，計算力學和實驗力學作為分支學科的出現和發展也正反映了上述需要，實際上它們也已經與力學中其他各個分支學科緊密地融合在一起而成為其不可分割的重要組成部分。
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