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浅谈我对力学的认识摘要：力学是物理学的传统内容，长时间里一直作为物理学的代表，它在人类对自然界的认识中具有主导地位。力学经历了两千年的发展历史，是最古老的学科之一。人类历史有多久，力学的历史就有多久。两千年来它经历了从无到有，到不断完善的过程。其中可以以亚里士多德、伽利略、牛顿和爱因斯坦为里程碑。力学历史是悠久的，但悠久和陈旧不同。力学学科是历史悠久而又充满活力不断发展着的学科。21世纪力学的发展前景更是一片光明。作为基础学科的力学与生活息息相关，生活中力学问题无处不在。关键词：发展史 , 21世纪 , 前景 , 生活, 应用 引言：力学发展在历史年代顺序上和学科逻辑顺序上大体相同，这种发展反映出人类认识由简单到复杂逐步深化的过程。牛顿运动定律的建立是力学发展过程中的重要里程碑。经典力学从此奠定基础并根据学科自身的逻辑规律发展着。在近代和现代，力学随着研究内容的深入和研究领域的扩大逐渐形成各个分支，近年来又出现了跨分支、跨学科综合研究的趋势。力学的发展是分析和综合相结合的过程。从总的发展趋势来看，牛顿运动定律建立以前力学研究的历史大致可分为两个时期：古代,从远古到公元5世纪，对平衡和运动有初步的了解;中世纪,从6世纪到16世纪,这个时期对力、运动以及它们之间的关系的认识已有进展，为牛顿运动定律的建立作了准备。牛顿运动定律的建立和从此以后力学研究的历史大致可分为四个时期：从17世纪初到18世纪末，经典力学的建立和完善化；19世纪,力学各主要分支的建立；从1900年到1960年,近代力学，它和工程技术特别是航空、航天技术密切联系；1960年以后，现代力学，力学同计算技术和自然科学其他学科广泛结合。当然，各个时期的分界年代并不是绝对的。 一、力学的发展史 力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。力是物质间的一种相互作用，机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。因此，力学可以说是力和(机械)运动的科学。 力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。如中国西安半坡村遗址（新石器时代仰韶文化，公元前 3000 多年）出土的汲水壶采取尖底的形式，且壶空时在水面上会倾倒而壶满时又能自动恢复竖直位置。古希腊罗马也有一种提水(amphora),它的外形和力学特点同中国半坡村的汲水壶类似。又如有一种灌溉设备，用短柱或树杈支承一根横木，横木一端挂水桶，另一端系重物，提水时可以省力。中国称这种器械为桔槔(最早记载见庄子天地,约公元前 300)；在埃及也使用它，称为 shadoof。 埃及第四王朝建立的胡夫陵墓即金字塔（约公元前 2600）每边长 232 米,高 146 米，斜面倾角约为 5,用 230 余万块巨石垒成，平均每块重 2.5 吨,建造运用滑轮组。以上几例均体现了古代人们对物体受力的认识，而古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。中国河南安阳出土的甲骨文（约公元前 1400）已有日食和月食的常规记录。巴比伦人发现(约公元前 700)日食、月食的沙罗周期。但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。他研究了地面上自由落体、斜面运动、抛射体等运动，建立了加速度的概念并发现了匀加速运动的规律。他采用科学实验和理论分析相结合的方法，指出了传统的亚里士多德的运动观点的错误，并竭力宣扬日心说。他在 1638 年出版的关于两门新科学的谈话和数学证明是动力学的第一本著作。C.惠更斯在动力学研究中提出向心力、离心力、转动惯量、复摆的摆动中心等重要概念。另一方面，开普勒根据第谷的 30 年天文观测资料总结出行星运动的三定律（1609，1619）。牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律（第一定律：任何一个物体将保持它的静止状态或作匀速直线运动，除非有施加于它的力迫使它改变此状态。第二定律:物体运动量的改变与施加的力成正比,并发生于该力的作用线方向上。第三定律：对于任何一个作用必有一个大小相等而方向相反的反作用）。伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。 此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。至此以质点系和刚体的运动规律为主要研究对象的经典力学臻于完善。运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世 ，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。 C.-L.-M.-H.纳维在 1827 年发表了他 1821 年的研究结果关于弹性平衡和运动规律的研究报告, 此报告从分子结构理论 (1763年博斯科维奇模型假定物质是由以中心力相互作用的许多离散分子组成的) 出发, 建立了各向同性弹性固体方程，其中只有一个弹性常量。 A.-L.柯西在 1823 年将离散分子模型改为连续统模型（A.C.克莱罗于 1713 年最先提出连续统模型），对应力和应变的理论作了详细探讨，建立了各向同性弹性材料平衡和运动的基本方程，其中有两个弹性常量。 1829 年 S.-D.泊松发表的弹性力学方程，又回到了给出一个弹性常量方程的离散粒子模型，但它指出纵向拉伸引起横向收缩,两者应变比是一个常数,等于四分之一。各向同性弹性固体的弹性常量是一个还是两个，或者在一般弹性体中是 15 个还是 21 个，曾引起激烈的争论，促进弹性理论的发展。最后 G.格林从弹性势，G.拉梅从两个常量的物理意义给出了正确结论：弹性常量应是两个，不是一个（一般弹性材料是 21 个）。而这一时期在数学理论上最主要的进展是粘性流体运动基本方程，即纳维斯托克斯方程的建立。纳维继承欧拉的工作，1821 年发表不可压缩粘性流体运动方程，其出发点是离散的分子模型。1831 年泊松改用粘性流体模型解释并推广了纳维的结果，第一个完整地给出粘性流体的本构关系。G.G.斯托克斯在 1845年将离散的分子平均化，采用连续统的模型，假设应力六个分量线性地依赖于变形速度六个分量,得到粘性流体运动基本方程,即现代文献中纳维斯托克斯方程的直角分量形式。弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。 从牛顿到汉密尔顿的理论体系组成了物理学中的经典力学。在弹性和流体基本方程建立后，所给出的方程一时难于求解，工程技术中许多应用力学问题还须依靠经验或半经验的方法解决。这使得 19 世纪后半叶，在材料力学、结构力学同弹性力学之间，水力学和水动力学之间一直存在着风格上的显著差别。材料力学、结构力学与当时土木建筑技术、机械制造、交通运输等密切相关，而弹性力学在当时很少有直接的应用背景，主要是为探索自然规律而作的基础研究。20 世纪初，随着新的数学理论和方法的出现，力学研究又蓬勃发展起来，创立了许多新的理论，同时也解决了工程技术中大量的关键性问题。狭义相对论、广义相对论以及量子力学的相继建立，冲击了经典物理学。前两个世纪中以力学模型来解释一切物理现象的观点 (即唯力学论，旧译机械论) 不得不退出历史舞台。经典力学的适用范围被明确为宏观物体的远低于光速的机械运动，力学进一步从物理学分离出来成为独立的学科。自 20 世纪初以来的半个多世纪中力学的主要推动力来自以航空事业为代表的近代工程技术。1903 年莱特兄弟飞行成功，飞机很快成为交通工具。1957 年人造地球卫星发射成功，标志着航天事业的开端。力学解决了飞机、航天器等各种飞行器的空气动力学性能问题、推进器的叶栅动力学问题、飞行稳定性和操纵性问题以及结构和材料强度等问题。在航空和航天事业的发展过程中，人们清楚地看到力学研究对于工业的先导作用。如航空工程中的声障问题和航天工程中的热障问题等，都是仰仗力学研究才得到解决。1945 年第一次核爆炸成功，标志着核技术时代的开始。力学解决了对猛烈炸药爆轰的精密控制，材料在高压下的冲击绝热性能，强爆炸波的传播，反应堆的热应力等问题。此外,新型材料出现如混凝土在建筑中的应用,合成橡胶和塑料的制成，都向力学提出了新的课题。 这时的先导者是普朗特和卡门，他们在力学研究工作中善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找合适的解决问题的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。 从 20 世纪 60 年代起，计算机的应用日益广泛，力学无论在应用上或理论上都有了新的进展。而其中的一个重要的特点是 19 世纪中叶开始的理论研究和应用研究脱节的倾向开始发生变化。19世纪中叶侧重理论研究的水动力学和弹性力学，往往应用较深的数学而不很关心工程师们的实际运用，侧重应用研究的水力学和材料力学常用经验的或半经验的公式而不大关心力学现象的内在机理。而到了 1904 年在德国格丁根大学数学教授 F.克莱因的倡导下成立了应用力学研究所，力求把当时称为“数学理论”的水动力学和弹性力学应用于工程实际。一个典型的例子就是 L.普朗特为解决飞行阻力这一实际问题而创立了边界层理论。此后格丁根应用力学学派的影响遍及世界各国。 力学在中国的发展经历了一个特殊的过程。与古希腊几乎同时，中国古代对平衡和简单的运动形式就已具备相当水平的力学知识，所不同的是未建立起像阿基米德那样的理论系统。中国的科学技术按照固有传统发展着。在文艺复兴前的约一千年时间内，整个欧洲的科学技术进展缓慢，而中国科学技术的综合性成果堪称卓著，其中有些在当时世界居于领先地位。力学科学仍然以和工程技术、生产应用相结合的形式出现，但仍然未能作逻辑分析推理，特别是未能作数学分析。一些至今尚存的建筑物从它们的结构中反映出当时所具备的力学知识:591599 年建筑的赵州桥（安济桥），跨度 37.4 米,采用拱券高只有 7 米的浅拱；1056 年建成的山西应县木塔,采用筒式结构和各种斗拱,900 多年来经受过多次地震的考验。这些成果反映出丰富的力学知识，但终未形成系统的力学理论。当欧洲资本主义萌芽、科学开始复苏时,中国仍处在封建社会,科学技术仍以旧的方式缓慢地前进,科学水平渐渐落后于欧洲。中国资本主义萌芽时出现的综合性科技著作明末宋应星的天工开物(1637)标志着中国传统科学技术的终结。到明末清初，中国科学技术已显著落后于欧洲。直到 19 世纪中叶西方科学再度被引进后，中国才知道“奈端重学”(牛顿力学当时译名)。从此中国的力学随着世界潮流前进。 历史记载着过去，而我们的使命是创造未来。在浏览了力学史之后，再让我们一起来了解一下新世纪力学学科的发展现状和前景吧！ 二、21世纪力学学科的发展现状和前景 环绕我们的自然界，如今还有众多的关系到人类生存和生活质量的宏观现象，远没有被认识清。如全球的气候问题、环境问题、海洋问题、自然灾害（如台风等）问题等，将会继续不断提出新的力学问题。21 世纪出现的更新、更大、更复杂的工程技术问题有赖于力学的新发展去解决。只要承认人类永远生活在宏观环境中，就不难理解力学的发展对人类生存和社会进步是永远不可少的。21世纪，纳米科技、生命科学与生物技术、信息产业等，成为科技界最具吸引力与影响力的三大领域。在这样一种大的背景下，许多传统科学都面临巨大的挑战。力学由于其内在的特质及力学的普遍性，仍然展示出永恒与旺盛的生命力并发挥出巨大的影响。从本质上讲，在原子尺度下，各种基本相互作用（如电、磁、化学、热等）都根源于力，而在纳米尺度中这种同源性依然明显存在。现代科学发现，各种体现特异性质的生物结构，并非在原子尺度，而是在微纳米尺度涌现。在这种尺度上，现代力学最近诞生了一个新分支纳米力学，它成为与物理、化学、生物、材料科学等进行交叉研究的新学科。以下就力学几大方面的现状和发展趋势做一简述。固体力学是研究固态物质和结构(构件)受力而发生的变形、流动和破坏的一门学科。现代固体力学由于其涉及对象的复杂性，提出了一系列处于科学前沿的挑战性问题。例如：工程材料实际强度和目前的理论强度相差一至二个数量级。这个矛盾曾推动位错、裂纹等的重要物理、力学理论的建立。然而，至今这个根本矛盾依然存在。固体力学如今不仅限于计算微小应变和应力，而且要求判断变形局部化、损伤、寿命乃至断裂。更进一步的问题是如何将不同性能和功能的材料合理地配置在一起，形成某种特定的复合材料，以实现实用所要求的某种考虑如比重、刚度、强度、韧性、功能乃至价格等多种因素的优化组合，并促成材料设计科学。再进一步是将各种特定的制备和加工技术，如塑性成形、粒子束加工等工艺，也达到机理性的认识和优化控制。现在的各类复杂结构，包括桥梁、飞机，到人工器官的设计，还是不够科学的、优化的。带来的问题是火箭、飞机屡有失事；多数结构依靠过大的安全系数(如飞机为 1.5)来换取安全，不必要地耗费了许多材料。即使如此，桥梁等建筑物的坍塌仍时有发生。如何优化设计各类复杂结构(如高速运输工具)，使其在各类载荷环境(冲击、循环载荷、潮湿、低温等)下可靠、舒适地运行，既是十分实际的工程问题，也属复杂系统响应这类前沿科学问题。还有诸如地震是怎样发生的，泥石流和滑坡能否预测预报等问题必须针对地学特点构筑新的力学模型。所以，展望 21 世纪固体力学的发展，可以呈现如下趋势：经典的连续介质力学将可能会被突破。新的力学模型和体系，将会概括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素，以及这些因素的演化，从而使复合材料(包括陶瓷、聚合物和金属)的强化、韧化和功能化立足于科学的认识之上。固体力学将融汇力-热-电-磁等效应。预期非线性动力学，非平衡统计和热力学的概念和方法将会大大丰富起来。固体力学的发展，无疑会推动科学和工程技术的巨大进步。 流体力学-现代意义下的流体力学形成于本世纪初，它是通过普朗特的边界层理论完成的。流体力学在工程技术中的作用，是有目共睹的。飞机的飞行速度得以超过声速，是空气动力学发展的结果。人类登月的成功，大型火箭和航天飞机的实现，需要解决成千上万个前所未有的难题，而力学问题往往首当其冲。为此形成了高超声速气动力学，物理化学流体力学，稀薄气体力学等一系列新的分支学科，并极大地推动了计算科学的发展。为解决喷气机的噪声问题，提出了流体噪声理论，它完全不同于经典的声学理论。各种高速、高机动性和高敏捷性的军用飞机，和安全、舒适的大型民航机的研制成功，同样需要流体力学提供的新思想和新成果。流体力学在取得巨大进展的同时，也留下了一些仍待解决的问题。不尽快地将它们解决，必然对科学及工程技术的进一步发展带来困难。同时，技术的发展是无止境的。仅就交通运输为例，无论是空中、水上水下，还是陆地上的交通工具都在朝着更大、更快、更安全、更舒适的方向发展，新问题将层出不穷。第一个大问题是湍流。21 世纪，空天飞机和新一代的超声速民航机的成功研制将首先取决于流体力学的进展。在有关的高温空气动力学中必须放弃原先的热力学平衡的假定。吸气式发动机中 H2，O2 在超声速流动状态下的混合、点火等，都是过去的理论和实践未能解决的难题。超声速流边界层的控制、减阻以及降噪控制等也带来一系列新问题。船舶除了向更大、更快的方向发展外，还提出了许多新型船舶，包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇。这时计算各种航态和海况下的波载荷，将遇到极大的困难。渗流的研究有助于了解植物体内液体的运动规律，进而了解各种新陈代谢的宏观机制。化工流程的设计，在相当大的程度上可归结为流体运动的计算问题，包括多相流及非牛顿流。由于流动的复杂性，不少重要化工装置的设计带有很多经验因素，以致不能发挥最大效益。因而针对若干典型化工装置进行深入研究，将为化工设计提供新方法，实现可观的经济效益。在未来生物技术产业化的过程中，会遇到类似或更复杂的情况，因而这方面的研究是真正形成生物技术工业不可缺少的基础。计算流体力学的发展，既是解决具体问题所需，也将对计算科学作出了重要贡献。 一般力学的对象主要是有限自由度系统的运动及其控制，有时它包含一个或多个无限自由度子系统，它包括运动稳定性理论、振动理论、动力系统理论、多体系统力学、机械动力学等。随着技术的发展，新问题仍层出不穷。随着各种机器人的日益广泛采用，不仅需要研究组成机器人的多体系统的运动和控制，而且还要考虑某些部件的弹性，否则不能保证其定位精度。人造卫星往往带有尺寸很大的柔性部件和液体。为保证其稳定性，传统的运动稳定性理论已不能解决问题，需要有能分析这类既有刚体，又有可大变形的柔体及液体的系统的理论和方法。高速列车的速度越来越快，车辆(包括单车和列车)运行时的平稳性是必须保证的。现有的理论在这里再一次显得不够，因为有必要把车辆和轨道作为一个系统来考虑。要考虑轮轨接触的弹性变形及轮轨之间单边接触这类强非线性问题。分叉、混沌等的出现，给系统建模和求解带来了很多新的困难问题，其中包括理论的、实验的及计算方面的。各种参数对系统行为的影响尤其复杂。不解决这类问题，未来的大型空间站的设计、建造及运行将不可能实现，因为大型空间站正是由很多部件，包括刚性的、弹性的、柔性的(大变形体)，液体的，以及在其中工作、生活的人所组成的大型复杂系统。一般力学近来已开始进入生物体运动问题的研究，研究了人和动物行走、奔跑及跳跃中的力学问题。这种在宏观范围内对生物体进行的研究，已经带来了一些新的结果。一般力学的发展对科学技术的发展作出重要贡献。 交叉力学中的交叉学科由三部分组成，第一部分由力学学科内部不同分支学科所组成，第二部分由力学与其他学科交叉组成。前者如流体弹性力学，后者如物理力学，物理、化学流体力学等。第三部分则兼有前两者的特点，如爆炸力学、物理化学渗流、材料力学性质、生物力学等。20 世纪力学与其它学科交叉对推动科学和工业的发展起了巨大的作用。突出的例子有力学与各项工程学科交叉产生的工程力学，与地学相结合的地球流体力学，与天文相结合的星系的螺旋结构理论。20 世纪中叶以来与生命科学和医学相结合的生物力学建立了起来。展望 21 世纪，力学与其他学科的交叉必将进一步扩大与加强。如力学与生命科学的交叉，力学与地学的交叉，以及物理力学。21 世纪地学在以下几个领域可能取得重要进展：(1) 地球动力学，中心问题有:板块运动的驱动力来源；地幔对流的流体力学理论；地震机制。(2)大气与下垫面(有植被、无植被、地面、海洋、冰雪等)的相互作用及传热、传质过程，可以统称为大气的边界层理论。(3)环境与灾害力学，包括污染物在水体、土体、岩体中的扩散与富集，各种气象灾害(如台风、风暴潮)，地质灾害(如滑坡、塌方、地面沉降、泥石流、沙漠入侵、瓦斯突出），地震发生的机制、监测、预报的研究，地震对各类建筑物的破坏与抗震研究，以及其它自然和工业灾害（如各种火灾）等。(4)渗流力学问题，特别是裂隙介质中的多相渗流规律的研究。有必要深入到细观和微观层次，考虑表面化学因素。这样做有可能提出新的二次和三次采油新技术。在生命科学方面，21 世纪生物医学工程可望有重大的发展，其中组织工程将是它的一个前沿，生物力学正是这个前沿的基础。计及应力-生长关系的活组织的本构关系、应力-细胞生长规律、动脉粥状硬化的流体力学机理、以微循环为核心的器官血液循环规律等有望成为研究的热点。生物力学还将为生物反应器和分离器的设计提供科学依据，并相应地为其提供新方法和新技术。植物的生物力学研究也作为改善生态环境和提高农作物产量努力的一部分列入 21 世纪日程。而物理力学方面，以下几个问题应当给予充分重视：(1)固体的非平衡/不可逆热力学理论；(2)塑性与强度的统计理论；(3)原子乃至电子层次上子系统(原子键，位错，空位等缺陷)的动力学理论。为深入进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟(如分子动力学)和现代宏、细、微观实验与观测技术。 总结以上四个方面计算力学是朝阳学科，计算力学作为一门新兴学科在推动力学发展中起到越来越重要的作用。钱学森指出：“总起来一句话：今日的力学要充分利用计算机和现代计算技术去回答一切宏观的实际科学技术问题，计算方法非常重要；另一个辅助手段是巧妙设计的实验。”计算力学的产生向工业界提供了统