力学发展综述.doc

1 力学学科的战略地位力学是研究物质机械运动规律的科学。自然界物质有多种层次，从宇观的宇宙体系、宏观的天体和常规物体，细观的颗粒、纤维、晶体，到微观的分子、原子、基本粒子。通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。但由于学科的互相渗透，有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。机械运动亦即力学运动是物质在时间、空间中的位置变化，它是物质在时间、空间中的位置变化，物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。机械运动并不能脱离其他运动形式独立存在，只是在研究力学问题时突出地考虑机械运动这种形式罢了；如果其他运动形式对机械运动有较大影响，或者需要考虑它们之间的相互作用，便会在力学同其他学科之间形成交叉学科或边缘学科。力是物质间的可以说是力和运动的科学。 1.1 力学发展的回顾力学的发展始终是和人类的生产活动紧密结合的，3000多年前的墨经上就有简单的杠杆原理。在西方，古希腊的阿基米德对静力学就有了一些系统的论述。这都与当时的生产水平相适应。17世纪初，欧洲资本主义萌芽，科学挣脱神学的束缚而开始复苏。伽利略是进行系统实验研究的先驱，提出了加速度的概念和惯性原理。开普勒根据天文观测资料总结出行星运动的规律。牛顿继承和发扬了前人的成果，提出了物体运动三定律和万有引力定律。可见，至牛顿时代，力学形成了一门科学，同时推动了微积分的发展，其后，随着欧洲逐步工业化，力学得到了很大的发展。上个世纪，力学已经有了不少分支。例如与水利及城市给排水建设有关的水力学，与建筑、桥梁、道路等有关的材料力学和结构力学，与军事有关的弹道学，以及理论性较强的理想流体力学，分析力学和弹性力学。与此同时，力学成了物理学的重要组成部分，并促进了数学的发展。力学的大发展开始于本世纪初。最突出的成就是流体力学中边界层理论的提出。上个世纪水力学和理想流体力学得到了很大发展，前者紧密地结合工程实际，但含有不少经验成分； 而后者理论很完美，但不能计算物体在真实流体中运动时所受到的力。德国的普朗特 (L.Prandtl)通过实验观察，发现流体的粘性在紧靠物体表面的一薄层中不能忽略，但在离物体稍远处则完全可以忽略。根据这一思想，他提出了边界层理论，圆满地解决了在计算物体所受阻力和升力中所遇到的疑难问题，正是在这个基础上，诞生了现代流体力学。有意思的是这种“边界层”的现象后来发现在很多其他领域中也存在，同样可以应用普朗特的思想解决问题。同时这也促成了应用数学中十分有用的“渐近匹配法”的发展。力学的飞速发展是伴随着第一次大战后航空工业的发展而进行的。尽管当时几乎所有的大生产部门都依赖于力学理论的指导，但只有航空工业对飞机设计提出的轻、快、安全的高难度要求，才使得航空工业离开了力学寸步难行，从而极大地推动了空气动力学，固体力学中的板、壳理论，结构分析，塑性力学，疲劳理论的发展，而反过来，力学一旦形成一门科学，就会为完善本身学科的要求出发而提出众多基础问题。这些基础研究的储备，又大大缩短了解决实际问题的时间。从低速飞行到高速飞行的发展，就是一个极好的例子，一方面可压缩流体力学的研究是不可压流体力学的自然延伸； 而另一方面，以普朗特、冯卡门(T.von Karman)、钱学森为代表的应用力学学派开创了一条工程和力学相结合的道路。他们先后提出和围绕“声障”和“热障”问题，展开了系统的研究，奠定了高速空气动力学和气体动力学的理论基础，从而也为超声速飞机、火箭和导弹的研制、设计和制造赋予严密和完整的基础，人们从此进入了喷气技术的时代，形成了今天的大规模的航空、航天产业。航天技术中一系列问题的解决，形成了高温空气动力学、稀薄气体力学、化学流体力学、物理力学以及断裂力学、损伤力学等一大批新兴力学学科。由于这些学科所取得的成就又被进一步广泛地应用于民用工业，促进了民用工业的发展，例如化学流体力学对化工、冶金，断裂力学对机械、交通和建筑等。力学与工程紧密结合的倾向也在其他工程部门的迅速发展中得到反映，如与水利、采矿、高层建筑、金属加工、造船等工业结合，促进了土力学、岩石力学、塑性力学、水动力学等的发展。原子弹聚爆方案和引爆技术的提出归功于流体力学中的冲击波理论与量纲分析的运用。核武器的研制和发展，则与爆炸力学的形成和发展紧密相联。化学工业的迅速发展有赖于非牛顿流、多相流的力学研究，等等。上述情况充分说明力学与工程相结合的超前研究为新产业的形成起着奠基和催生的作用。20世纪下半叶、航天任务基本实现以后，力学家开始转向新的力学生长点，特别是在天、地、生方面取得丰硕成果。结合天体现象的研究，用磁流体力学研究太阳风的发生和发展规律，用流体力学结合恒星动力学解释星系螺旋结构，用相对论流体力学研究星系的演化等取得了成果。力学家研究了生物的形态和组织，建立了生物力学，从而在定量生理学、临床诊断和检测分析、人工器官的设计和制造等方面取得成就，并业已形成一门新的生物医学工程。力学向地球科学渗透，在板块动力学、构造应力场、地震机制与预报及与之有关的反演等方面取得进展，并进一步推动岩石力学的研究。以上我们着重谈了力学与生产的关系。现在我们再来看看力学与整个科学的关系。力学原是物理学的一个分支。物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内部的运动等。当物理学摆脱了这种机械唯物主义的自然观而获得健康发展时，力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化，逐步从物理学中独立出来。由于各种运动形态往往同时出现，宏观运动与微观运动又有内在联系，力学与物理学存在着特殊的亲缘关系，许多概念、方法和理论都有不少相似之处。力学与数学是整个自然科学中发展得最早的两个学科，他们在发展中始终相互推动，相互促进，这种紧密的联系特别表现在力学理论和微分方程理论的同步发展方面，本世纪内形成的应用数学则在很大程度上是力学和数学结合的交叉学科。应当指出力学有一个重要特点是有别于数学的，它和物理一样，还需要实验作为基础，任何一种力学模型和理论总是源出于实际现象，并在实践和应用中受到检验。力学的发展相对于其他学科有一定的“超前性”，不少在力学中提出的规律、理论和方法，后来发现在其他领域中同样有效。为说明力学与其他科学的关系，应该提到本世纪在对非线性力学现象中所取得的突出成就，它们对当前非线性科学的兴起起到先驱和核心的作用。例如，经典力学在上个世纪就提出的关于物体运动稳定性的理论，不仅在第二次世界大战中，被引用到自动控制理论中，大大缩短了其理论的形成过程；而且这一理论在当前十分热门的混沌理论中又得到了应用。本世纪初在天体力学中发展起来的摄动法，为近代非线性科学中的分岔理论及各种系统的非线性振动理论提供了分析的手段，而两个世纪前在固体力学中提出的压杆失稳理论，则是分岔现象的第一个科学例子。上个世纪末观察到的水中的孤立波，是非线性科学中孤立子理论的先驱。为此提出的KdV方程，至今仍是孤立子理论的典型方程之一，而孤立子理论推动了光学中相应理论的发展，且成为实现现代光通信技术的关键。60年代由气象学中提出的流体力学问题，开创了混沌学的研究，从根本上改变了经典物理中确定性的观点，也深深地影响了人们的自然观，而被认为是20世纪科学最伟大发现之一。还应该提一提科学计算的问题，由于大型、复杂建筑物如摩天大楼结构设计的需要，早在计算机出现之前，力学工作者就提出了若干种分析大型、复杂结构物的计算方法。电子计算机的问世，大大促进了这方面的发展，改变了原来的思路。在50年代，即已出现了后来被称为有限元法的思想并迅速被推广到力学的各个分支及其他科学领域。而航空航天技术中流场计算以及原子弹、氢弹引爆过程和爆炸效应的计算需要，又大大促进有限差分法的发展。为了适应复杂结构及流场等大型计算，提出了各种网格划分、分区计算、分裂算子、并行计算等方法。可以毫不夸大地说，力学计算的需要是现代计算科学的最有力的推动力之一。电子计算机出现后的首批重要科学和工程计算中，力学问题占了相当大的比重。以上我们强调了由于人们能直接感知的只是宏观事物，因此不少科学中的普遍规律（指在各学科中有共性的）往往先在力学现象中被发现和研究，然后渗透到其他学科并得到更大发展。同时我们也应该看到，力学的发展也从其他学科分支中借用或引用了不少成果。例如现代航天技术中的高速高温气流往往伴有复杂的物理、化学过程，不用物理、化学的知识是不行的。近代力学的多种实验手段是建立在近代光学、电子学及计算机等学科的基础上而不断发展的。又如量子力学的发展，大大促进了数学物理方法的发展，力学从中也受益不小。因此，力学工作者也应密切注视其他学科的发展，从中吸取新思想、新理论及新方法。力学发展的历史充分说明：力学同物理学、数学等学科一样，是一门基础科学，它所阐明的规律带有普遍的性质；力学又是一门技术科学，它是许多工程技术的理论基础，又在广泛的应用过程中不断得到发展。力学既是基础科学又是技术科学这种二重性使力学家感到自豪，他们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面作出了贡献。1.2 我国力学研究的状况中国的力学家在近代力学的发展中曾经作出过卓越的贡献，作为应用力学学派的代表人物，钱学森对空气动力学的发展起了重要作用，推动了航空、航天技术的发展，他给出了亚声速流动的卡门-钱学森近似，对高速飞行体的表面加热机制提供了流体力学分析，他还提出飞机薄壳结构非线性屈曲失稳的理论，他在火箭与航天领域提出了若干重要概念，如提出并实现了火箭助推起飞装置，提出了火箭旅客飞机、核火箭、喷气式航天飞机等概念的设想。郭永怀和钱学森合作在跨声速流动问题中提出了判断激波是否出现的上临界马赫数的概念。郭永怀又将边界层方法同变形坐标法结合起来形成有名的PLK方法，发展了奇异摄动理论。周培源坚持研究湍流理论这个基础难题达半个世纪之久，奠定了国际上称为“湍流模式理论”的基础，也被誉为“现代湍流数值计算的奠基性工作”。钱伟长提出板壳统一内禀理论，并提出了求解薄板大挠度问题的摄动解法。这里也应提到华裔科学家的贡献。林家翘发展了流体运动稳定性理论，提出湍流相似谱的普遍理论，并且创立星系螺旋结构的密度波理论，促进了星系动力学的发展。冯元桢开创了生物力学，在肌肉的力学性质、微循环理论和肺结构稳定性分析等方面都做了开创性工作，为当前生物医学工程的出现作出卓越贡献。建国后不久，我国在中国科学院数学所建立了力学研究室，在北京大学建立了数学力学系。1956年成立中国科学院力学研究所，在我国的科学技术发展十二年远景规划中力学被正式列为一级学科，不久又创建了中国力学学会，并相继在高等学校中，设立了数学力学或工程力学系。在多数工业部门成立了以力学研究为主的研究所或研究室。最初展开研究的分支学科为弹性力学、塑性力学、流体力学和一般力学。力学研究所的成立和全国科技发展规划的制订标志着学科建设的一个重要时期，那时相继开展了振动及流固耦合振动、地震工程力学、空气动力学、激波管技术、物理力学、化学流体力学、水动力学、电磁流体和等离子体动力学等分支学科的研究，建立了相应的研究室（组），并着手建设实验室。同一时期，传统的结构力学与水力学、泥沙动力学得到新的发展，并在中国科学院和一些工业部门成立了岩土力学、渗流力学等研究机构。60年代，又创立了爆炸力学。从此我国的力学学科有了比较完备的学科体系，而且具有我国的特色，特别是物理力学、化学流体力学、爆炸力学在国际上也是最早或较早的开展研究的学科。那时，力学研究的重点主要围绕航天技术、抗震工程、爆炸与抗爆工程、土建与水利建设，并取得一批重要的应用性研究成果。我们在国内自行研制的计算机的基础上发展了计算力学。理论工作的成就主要有钱学森的工程控制论、周培源领导的湍流、钱伟长领导的板壳大变形摄动法和胡海昌的广义变分原理。本世纪60年代至70年代初，国内、国外的学术交流几乎处于完全停顿状态。国外早已形成的断裂力学直到1976年力学学会大力提倡之前，只有极少人熟悉。70年代初，经国外学者引导，我国学者才着手研究星系的结构和其他有关宇宙气体力学的问题、孤立波理论和生物力学，并重新开始探讨本来我国科学家就有重要贡献的奇异摄动法，逐步打破了闭关自守的局面。1978年全国力学规划是我国力学学科建设的又一个重要的里程碑。力学再次被确认是一级学科，它既是一门基础科学又是一门应用极广的技术科学，是许多工程技术与一些其他自然科学的基础。除过去已提出的分支学科外，一些新的重要的分支被列入规划，其中包括断裂力学、理性力学、流变学、生物力学、计算力学、实验力学、地球构造动力学、地球流体力学等。全国力学规划提出了14个重点课题，其中第1和第2个就是材料的强度理论和湍流理论。应当说这样的安排代表了当时的先进的思想，后来的实践充分说明它是十分有远见的，符合当代力学发展的总趋势。规划也充分注意到了既要重视基础研究也要重视广泛的应用研究，提出了宏、细、微观相结合的发展道路。这个规划历时一年，动员了几乎全国所有的力量。从此我国力学学科门类相当齐全，赶上了世界发展的格局。一些新的分支学科得到迅速发展，国际交流增加了，我国新一代的学者走上国际舞台。我国在泥沙运动方面的工作是先进的，在计算空气动力学，计算结构力学，实验空气动力学，断裂力学，爆炸力学等研究的某些方面是有特色的。我国在材料力学性质，断裂与损伤研究方面有了较好的开端，在力学与天文，地学，生物结合方面都有所前进，此外力学也进入了一些新的工作应用领域，如海洋工程，环境工程，反应堆工程。从那时以来，力学界的国内外学术交流变得很活跃，在国际学术机构占有一席之地，在取得上述成就的同时，应该指出，虽然在个别点上，我们的工作不亚于甚至超过国外，但是就总体及影响的深远程度来说，与国际先进水平的差距还不小，对此需要有充分的认识。同样是一级学科，力学得到的重视不如其他的一级学科。这些年来，物质投入不足，新生力量匮乏，严重约束了力学的发展，造成力量难于集中、高水平成果较少，学科间的交流不畅，这些严重阻碍力学发展的因素应当引起重视。1.3 力学发展的趋势和重要方向从前面对力学发展过程的回顾可以清楚地看到，力学是随着人类认识自然现象和解决工程技术问题的需要而发展起来的；力学又的确对认识自然和解决工程技术问题起着极为重要甚至是关键的作用。当前，人类面临一系列重大问题需要解决，其中有些问题对于我国说来更显紧迫，诸如：粮食不足，水、土资源短缺，生态环境破坏严重，能源短缺、利用效率低，交通运输紧张，气象和地震等自然灾害的预报及防治等，继续不断提出新的力学问题，有赖于力学的新发展去解决。在许多重要高技术领域与国际先进水平差距日益增大，同样需要力学界作出努力。我国人均耕地面积较小，水源不足，水土流失严重，工业发展不注意生态环境的保护，这方面存在众多力学问题要求解决。影响农作物的生长的一个关键因素是体液的输送，阐明水自根到叶而糖份从叶到全身的输运机制，及各部分在生长各阶段对液体的需要，对内因和外因各参数进行优化和调节，可以达到消耗最少而收获最多的目的。需要把植物和它生长的环境，即土壤、空气和阳光看作一个系统，统一研究这一系统的质量和能量的转换和传输，有助于改善区域种植的管理和发展。要加强对水源、土壤和空气中污染物质输运及对污染源控制的规律的研究。要研究植物在一般和特殊环境下的强度。如果我们能作好以上几项研究，可以设想在不久的将来我们将会有一个更为经济、健康的绿色产业(包括绿色农业和绿色工业)和生态环境，既提供我们足够的农产品，也为我们创造一个卫生和优美的生存环境。解决能源危机的根本途径是寻求和开发干净的再生能源，并应千方百计地降低能耗，包括可控热核反应、太阳能、地热、生物质能、风能、潮汐能等。在煤的清洁燃烧和利用，可控热核反应作为未来能源的工业化等主要领域里，力学特别是流体力学可以大有作为。开发太阳能和地热的一个关键是提高集热、隔热材料性能和循环系统的传热、传质性能，研究生物发酵，气化中的反应、扩散及气化过程是加速实现开发生物质能的中心课题，建筑行业中需要高效的保温材料和传热系统，其中也存在诸多力学问题。近年来，复合材料(包括陶瓷、聚合物和金属)、纳米材料、功能材料等新型工程材料不断被开发出来。材料的合成和制备或材料的变形、破坏、寿命等性能涉及众多的宏观与细观的力学过程及其与热学，甚至还与电学过程相结合的研究课题，这里需要力学界提出创新的概念，以最终达到设计新型优质材料并且提出新的加工制造方案。交通运输是阻碍我国经济高速发展的一大“瓶颈”，为在短期内赶上发达国家的水平，急需研制和建设大型超声速客机、高速列车、新型船舰及水面效应飞行器、高速公路、大型桥梁和隧道等。这些大型工程中存在一系列流体力学、固体力学及流固耦合的问题，需要新构思和新途径，提出科学和优化的设计和制作方案。我国地域辽阔，每年自然灾害频发，为了改进天气预报，了解地震发生机制，掌握泥沙和风沙迁移、土壤侵蚀以及泥石流和滑坡等的规律，需要针对气象与地学特点，推动力学与大气和海洋科学以及与地学的进一步结合，构筑新的模型和理论。力学与高技术的发展始终紧密相连，过去力学研究在发展以两弹为代表的尖端技术中发挥了极其重要的作用。当前，在发展高性能飞机、高能束流武器、动能武器、微重力科学技术、微型机械、超声速燃烧技术、空间垃圾的防治等，力学仍要发挥举足轻重的作用。随着科学与社会的飞速进步，各国政府均把提高人民健康和生活质量提到前所未有的高度，在执行这一光荣的历史使命中，发展生物力学具有重要的意义。一方面这关系到前面谈到的兴建绿色产业和创造卫生而优美的生存环境；另一方面，可以直接服务于生物医学工程，为人类健康做出贡献。力学是一门基础学科，在学科的发展中提出了一系列具有根本性和共性的问题。这些问题的研究和解决不只是为了解决当前局部的工程技术问题，而是为了更全面彻底地解决众多工程技术和自然科学中的根本问题，而且必将为推动科学技术全面发展创造条件。众所周知，最突出和最普遍的两大基础难题是湍流机制以及固体的本构关系和破坏机制。绝大多数的流动取湍流的形态，目前计算这类问题都带有经验的成分，方法带有局限性和盲目性而缺乏预测能力，因为湍流直接关系到航空、航天、水运、天气预报、海流预报、化学反应器、水利、环境以至天体和宇宙中的流动等等众多领域，湍流研究的任何进展都有全局意义，都会在广阔范围内得到好处。近年来围绕实验中发现的相干结构展开了理论研究，直接数值模拟也有很大的进展。确定性问题中混沌现象的发现和研究给人们带来新的启迪，有可能从探讨时空混沌的演化的角度推动湍流研究的进展。固体材料的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。需要应用宏、细观相结合的方法研究变形局部化、损伤乃至断裂的演化机制，进一步的问题是如何将不同性能和功能的材料配置在一起，形成多种物理和力学性能和功能的优化组合，促成材料设计科学的形成与发展。同时，研究材料加工工艺过程中的力学机理，逐步达到运用计算机精密控制材料制备和构件精细加工制作的目的。一般力学中的重要基础问题是非