(完整版)无处不在的力学,众说纷纭的力学,魅力无穷的力学

1、无处不在的力学，众说纷纭的力学，魅力无穷的力学进入力学界近三十年的一对中年伉俪两年前突发奇 想，想要知道：力学界的两院院士关于力学都说了些什 么？于是，利用 20 个月的业余时间，孜孜矻矻，探微索 隐，精心编纂，推出了这本 62 万字的院士谈力学 1. 此书今年 10 月上网发行，不久即告售罄，坊间好评不绝于 耳.为什么这本大部头科普著作如此受欢迎？且听笔者慢慢 道来 .1 无处不在的力学这是因为力学无处不在 .正如郑哲敏 院士为该书所写的序言中所说： "力学是关于物质世界宏观 机械运动的科学，包括诸如物体的受力、运动、流体的流 动、固体的变形、断裂、损伤等研究 . 它既是一门基础学

2、 科，又是一门技术学科 . 回顾新中国成立以来的重大成就， 如两弹一星，具有自主知识产权的飞机、潜艇，还有高层 建筑、巨型轮船、高水平的桥梁 （如跨江跨海的各种吊桥斜 拉桥 ）、海洋平台、海港与栈桥、精密机械、机器人、高速 列车等，都有力学工作者的指导与参与，包含着我国数万 力学工作者的心血和贡献 . "的确，大到浩瀚的宇宙太空，小 到纤细的尘埃细胞，到处能见到力学的影子 . 通过宇宙气体 动力学 （特别是星系密度波 ） 的研究，人们可以精细地描绘 出我们所在的银河系的双臂螺旋结构；采用行星际动力 学，可以精准地给出各个行星的运动规律；采用细胞力学，可以探索植物的微细结构；借助多相流

3、力学，可以"窥见"空中的尘埃和水中的沙粒；有了力学，可上九天揽月， 可下五洋捉鳖；有了力学，人类可以创造种种奇迹.关于力学应用的广泛性，不妨引用周培源先生的精辟论述："力学的发生和发展一开始就是由生产决定的 . 恩格斯曾经举出了 古代力学发展的背景是农业经济的某一阶段，城市和大建 筑的产生，手工业的发展，航海和战争等例子 . 1686 年牛 顿对力学的总结最初是从天体运动的研究开始的 . 当时，天 文学、数学和力学是自然科学中仅有的三个成熟的伙伴 . 它 们互相渗透，互相促进 . 牛顿力学的发展为大工业准备了基 础，也对物理学其他分支的发展起过巨大的推动作用 .

4、一直到现在，力学在工程方面的应用越发深入，在绝大部分 的工程 （包括建筑、水利、交通、机械、采矿、冶金、化 工、石油、军事、空间工程 ） 中，处处都需要力学 . 工程向 力学提出了层出不穷的问题，力学也不断以新的成果，深 刻地改变工程设计的思想 . 近年来，力学又在认识自然方 面，恢复和扩大了过去的老传统 . 力学工作者投身到宇宙 论、天体演化、星系结构、天体爆炸、太阳风、行星磁场 等研究，也投身到大气、洋流、海浪、地壳运动、地幔对 流等的研究 . 生物力学出现了 . 它将为力学和农业及医学建 立越来越紧密的联系 . 可以这样说，近代力学的发展，正深 入到自然科学的许多部门 . 力学在物质运动

5、范围内处理的问题，所以有这样的广泛性，起因于力学是研究自然界中最 基本、最简单的运动形式，即位置移动 . "1.正因为有这样 的广泛性，力学学科一直受到普遍关注，人们渴望了解力 学的方方面面，于是，本书面世受到如此热烈的欢迎，也 就不足为奇了 .2 众说纷纭的力学这是因为国内学界对力学 学科常有不同的认识，经常众说纷纭，莫衷一是，甚至无 视这一学科的存在 .从世界范围看来，作为基础科学的力学 学科的存在性稳如泰山 . 试看，国际理论和应用力学联盟 (IUTAM) 有上百个成员国，它组织的国际理论和应用力学 大会 (ICTAM) ，即 "力学奥运会 "，每届有千余人

6、参加，第 23 届 ICTAM 就于 2012 年在我国北京召开；国际上力学类的 刊物成百上千；知名力学家为数甚众 . 这些都是明证 . 可 是，在我国，本不该成问题的问题，却老是成问题 . 虽说在 国家自然科学基金委员会，数理化力天地生这七大基础学 科的地位从来就非常明确，力学始终占据着重要的位置， 但在制订全国性的科学规划时，总会遇到一些问题 . 最明显 的例子是： 1978 年，在制订新一轮科学规划时，一开始， 只提 "数理化天地生 "，偏偏把力学学科排除在外，幸好以周 培源、钱伟长、谈镐生等院士为代表的老一代力学家据理 力争，争回了力学作为重要的基础学科的地位(详见

7、谈镐生文集 2 的钱伟长序和第 402 420 页 ). 可是，在 2008 年的我国中长期科学规划中又出现了类似问题；在2009 年的科技部一些规划中重又把力学排除在基础学科之 外，经过新一代力学界的院士们再次鼓与呼，问题才得到 解决 .之所以出现这种情况，有如下原因： (1) 对力学学科的 内涵及其发展史不甚了解，即使在学界也是如此； (2) 误认 为力学仅仅是物理学的一个分支，殊不知早在一百多年 前，力学就与物理学 "分了家 "，成了一门独立的学科； (3) 缺乏对力学学科内涵的普及性介绍，又有一些不准确的信 息的误导，使人们产生模糊认识 .武际可在力学史 3 中，经

8、过一番引经据典，归纳出关于力学的如下认识： (1) 力学起源于工具、工艺的改进，同时也是人类追求认识自 然界客观运动的普遍规律，特别是追求对天体运动规律认 识的必然归宿 .(2) 在力学研究上，从古代开始，就有两种传 统.如牛顿所说，一方面是理性的或理论的，另一方面是应 用的，可见理论力学与应用力学的分工，早在牛顿时代就 有了 .(3) 对力学的研究对象，有一个逐步拓宽的过程 . 早期 着重于重力、平衡，即静力学，后来着重于运动，即动力 学. 到了牛顿，对力学有了最一般的认识，将力同运动相联 系，而且这里运动是最一般意义的运动，它包含一切变 化.(4) 数学是同力学密不可分的，牛顿将几何学看作

9、力学， 达芬奇将力学看作数学，而邓玉函将数、度、力三学看为 亲密三兄弟，不可分离 . 力学同数学从古以来一直紧密联 系，它们是人类认识客观事物运动的质与量的两个不可分 的侧面 .(5) 自 20 世纪开始，力学和物理学开始分工，力学 研究宏观世界的规律 .(6) 把力学作为科学的一个分支，而不 单是作为技术，是近代科学界的共识 .他还进一步指出： "1900 年量子论与 1905 年相对论相继产生，标志着物理学 与力学的分家 . 从此力学专门解决宏观世界的问题，而物理 学专门从事微观世界的研究，力学家与物理学家、天文学 家、数学家便分道扬镳了 . 这一阶段力学学科的研究特点 是：由于

10、力学的基本理论在许多方面已经趋于成熟，理论 难题仅有湍流、强度等少数课题，所以与理论力学相比， 应用力学的研究队伍占较大比重 . "正因为如此，在力学界， 由于各自的侧重领域和各种重点不同，对力学学科究竟是 基础科学，还是技术科学，尚有歧见，经过反复讨论，逐 步形成一致的认识，正如文献 4 中所述： "力学原是物理 学的一个分支 . 物理科学的建立则是从力学开始的 . 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 (力学 ) 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

11、身逻辑进一步演化， 逐渐从物理学中独立出来 . 20 世纪初，相对论指出，牛顿 力学不适用于速度接近于光速或者宇宙尺度内的物体运 动； 20 年代，量子论指出牛顿力学不适用于微观世界 . 这 反映了人们对力学的深化，即认识到物质在不同层次上的机械运动的规律是不同的 . 通常理解的力学只以研究宏观的 机械运动为主，因而许多带 '力学 '名称的学科如热力学、统 计力学、相对论力学、电动力学、量子力学等在习惯上被 称为是物理学的分支，而不属于力学的范围 . 但由于历史上 的原因，力学和物理学仍有着特殊的亲缘关系，特别是在 以上各 '力学 '分支和牛顿力学之间，许多概念

12、、方法、理论 都有不少相似之处 ."力学与数学在发展中始终相互推动，相 互促进 .一种力学理论往往和一个数学分支相伴产生，如运 动基本定律与微积分，运动方程的求解和常微分方程，弹 性力学及流体力学的基本方程和数学分析理论，天体力学 中运动稳定性和微分方程定性理论等 .有人甚至认为力学是 一门应用数学 . 但是力学和物理学一样，还有需要实验基础 的一面，而数学寻求的是比力学更带普遍性的数学关系， 两者有各自的研究对象 ."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 泛应用中

13、不断得到发展 . 当工程学还只分民用工程学 （即土 木工程学 ） 和军事工程学两大分支时，力学在这两个分支中 已起举足轻重的作用 . 工程学越分越细，各个分支中许多关 键性的进展都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等 问题的解决 . 力学与工程学的结合促使工程力学各个分支的 形成和发展 . 现在，无论是历史较久的土木工程、建筑工程、水利工程、机械工程、船舶工程等还是后起的航空工 程、航天工程、核技术工程、生物医药工程等都或多或少 有工程力学的活动场地 . 力学作为一门技术科学，并不能代 替工程学，只指出工程技术中解决力学问题的途径，而工 程学则从更综合的角度考虑具体任务的完成 . 同样地，工

14、程 力学也不能代替力学，因为力学还有探索自然界一般规律 的任务 ."力学既是基础科学又是技术科学这种二重性，有时 也难免会引起侧重基础一面和侧重应用研究一面的力学家 之间的不同看法 . 当然这种二重性也使力学家感到自豪，他 们为沟通人类认识自然和改造自然两个方面做出了贡献."尽管如此，在国内学界，对力学的内涵及其二重性依然有不 少片面认识，尤其是一些颇具影响的工具书对"力学 " 词条做了不恰当的诠释，对一些糊涂认识的加深起了推波助澜 的作用 . 有鉴于此， 2009 年，一批资深力学工作者借着国 家自然科学基金委员会数理科学部组织的研讨"201

15、1 2020年我国科学发展战略 " 的机会，对力学学科的定义、特性和 发展战略进行了深入讨论，进一步形成了共识 . （详见文 5- 6）.上述情况在院士谈力学中得到了充分反映，院士们 对力学的内涵及其二重性做了全方位的阐述 .扛鼎之作是周 培源先生发表于力学与实践创刊号的文章 . 他明确地指 出： "力学是关于物质宏观运动规律的科学 . " 文中透彻地分 析了物质的宏观运动和微观运动之间的关系；基础研究和应用研究的关系；新老学科的关系；理论和实验的关系 . 他 旗帜鲜明地陈述： "从力学长期发展历史来看，我们可以得 出这样一个初步结论，就是力学具有很强的

16、基础性，又有 极为广泛的应用性，两者相辅相成，互相促进，所以，力 学既是基础科学，又是应用科学 . 这和数学、物理学、化 学、生物学等门科学，并没有什么两样的地方"." 如果上面的结论可以成立，我们能否这样说，力学属于基础科学，和 数、理、化、天、地、生一起共称七大基础科学；同时， 我们也能否这样说：就它的应用范围的广泛性来说，力学 也属于技术科学 . 因此，我们既要充分重视力学的基础研 究，又要十分注意力学的广泛应用 . "时至今日，此文仍是发 展力学学科的纲领性文件，重温起来仍有一种亲切感 .各位 院士从不同侧面对上述观点做了阐释 .老一代院士陈述了他 们对力

17、学的深层次理解 .钱伟长 7 认为： "力学既是应用性 很强的技术科学，更是一个深藏玄机的基础学科， ，力学事业的发展必须从基础研究入手，为国民经济建设服 务，决不能就事论事，照抄照搬，而必须狠下功夫，大力 从事机理性探索，只有这样，力学才能在实践中发挥其无 与伦比的巨大作用 . "谈镐生强调指出： "我们必需看到，力 学是一门应用性极强的基础科学 . 没有一项工程技术，能够 离开力学而存在 . 所以，力学既是大工业的基础，又是物理 科学的理论基础 . "钱学森的论技术科学一文有很大影响，他在阐述了技术科学的概念、发展和研究方法后指 出，力学本身是技术科

18、学的一个范例，也是我们现在对技 术科学这一概念的来源 . 他所给出的技术科学的十个发展新 方向中，有一半与力学相关 . 郑哲敏则对 "理论力学 "和 "应用 力学 "做了界定： "一般说，如果主要是为了深入探讨与认识 某种力学规律，并无明确的应用目标，或者研究某种规律 的必要性是从众多可能的应用中提炼出来的，在现阶段又 并不限于某一特定应用，则可称之为理论力学，另一方面 如果是为了解决实际应用中的某些特定的问题，则属于应 用力学的范畴 . "新一代院士也表述了他们对力学的深刻理 解.李家春和方岱宁根据学科发展的新态势，给力学下了更 细

19、致的定义： "力学是有关力、运动和介质 （固体、液体、气 体和等离子体 ） 宏、细 / 微观力学性质的学科，研究以机械 运动为主及其同物理、化学、生物运动耦合的现象 . " 并指 出： "力学学科是自然科学的先导和基础，它在学科自身发 展和实际工程应用的驱动下不断发展，为人类社会的进步 做出了巨大贡献，应用和理论力学学派的光辉成就已载入 科学史册 . 毫无疑问，现代力学仍将是一门具有广泛应用和 强大生命力的重要基础学科 . " 白以龙通过例证指明： "力学 不仅广泛推动工程学的进展，又是新自然观的重要起源."这是因为 " 首

20、先，自牛顿以后，自然科学又经历了几次伟大的 理论综合和概括 . 其次，力学涉及的是我们周围的宏观世界. 从土地、大气、海洋、生物到人类及其生产活动，构成了复杂的宏观世界 , 我们身处其中，往往见怪不怪，经常 受到惩罚 . ""因此，以认识这个宏观世界一般运动规律为目 标的力学的作用，看来也需要我们给予再认识 . 或许，我们 应当恢复牛顿把力学作为自然哲学的数学原理的精神' . " 综 上所述，对于刚进入力学领域或想进入力学领域的年轻朋 友，对于想了解力学的所有朋友，本书的问世无疑是雪中 送炭，使得他们一入门就能了解，力学究竟是一门什么样 的学科 .3 魅力

21、无穷的力学这还因为力学五彩缤纷，魅力四 射 .院士谈力学收集了我国力学界 35 位院士的 55 篇文 章，可谓精彩纷呈，美不胜收，因为作者都是力学各个领 域里的著名专家，他们学有专长，写文章驾轻就熟，举重 若轻 .谓予不信，笔者带着大家漫游一下此书的奇境吧！钱 学森先回国后开创了物理力学研究，这种宏微观结合的力 学带来一种新境界 . 郭永怀回国后不久，把现代空气动力学 理念带了过来，听听他通俗地讲解什么是激波和激波管， 什么是高超声速流动，什么是高速流动中的电离和离解效 应；他用雪崩来比喻激波，告诉我们激波有时有害，有时 却有利，至少可以在激波管里制造高温环境；飞行器以马 赫数 12 再入大气

22、层时会发生什么现象 . 吴承康则进一步发 挥，全面生动地描述了高速再入飞行器的等离子体问题， 特别是弹头炽热时的烧蚀问题，而且提出了对付这种"等离 子体鞘 "的防热措施，顺便讲述了神秘的空间电推进器的原 理 . 庄逢甘讲了力学在航天中如何发挥作用 . 崔尔杰则讲述 了生物运动仿生力学和智能微型飞行器的故事，告诉我们 如何像鸟类和昆虫那样扑翼飞行 .我国最早的流体力学家周 培源则全面介绍了流体动力学，从滚滚洪水和潮起潮落中 看到了它，在高速飞行、桥梁工程、石油工程中发现了 它，而流动规律又如此扑朔迷离 . 李家春全面综述了流体动 力学的机遇和需求，全面述及了航空航天工程、海洋

23、工 程、能源工程、环境工程、生物医学工程中的流体力学， 介绍了相关的交叉学科 . 何友声介绍了船舶流体力学的新进 展，特别是引人入胜的空泡流 . 吴有生则以 "力学的永恒魅 力与贡献与时俱进的船舶力学 " 为题，向我们展示了五 光十色的舰船及其力学问题 . 渗流专家郭尚平等向我们揭示 了渗流力学的方方面面，告诉大家它不仅在传统的水利工 程、地下水资源开发和石油工程等传统领域发挥巨大作 用，而且相继渗透到建筑、环境保护、化工、冶金、机 械、原子能工业、膜分离技术、染料颜料、制糖等工业技 术部门，乃至生物医学工程，数学建模和新型实验为这个 学科分支带来了强大的生命力 . 胡文瑞

24、在介绍空间的物理学 时，描述了微重力环境下的光怪陆离的现象，特别阐述了 微重力流体力学的内涵和应用 . 传热学专家过增元阐释了微 细尺度传热的怪异特点和处理方法，这是国际前沿性问题不少固体力学专家向我们展示了它的巨大魅力.钱伟长讲述了非线性力学的异军突起和蓬勃生机，描绘了力学工作者 向非线性力学进军的累累战果 .黄克智等综述了我国经济、 社会发展中急需解决的重大基础性力学问题，特别是，材 料科学、微电子机械过程、能源工程中的力学问题，并总 结出固体力学跨世纪优先发展的领域，即 (1) 宏、细、微观 材料本构理论与破坏过程； (2) 精微力 - 电系统耦合细观力 学； (3) 大规模计算力学仿真

25、 . 对固体力学研究有指导作用 专注于材料科学中的力学问题研究的方岱宁等人写了两篇 长文剖析了先进复合材料和功能铁磁材料的变形与断裂的 研究动态及其发展趋势，特别对学术思想、基本问题和研 究方法做了详尽分析 .其中功能铁磁材料的变形与断裂的 研究进展一文引述了 149 篇文献，对实验研究设备和方 法以及理论建模过程作了细致描述 . 断裂力学专家王自强对 界面断裂力学做了全方位的介绍，指出了相应的热门课题 . 资深固体力学家、地球动力学专家王仁对地质材料的力学 问题做了权威性阐述，尤其对地质材料的非线性变形和破 裂做了生动描绘，并转述了十一个相关的热门课题 . 他还写 了三篇科普文章，对研究中出

26、现的反演问题等进行了通俗 的介绍 .本书收录了著名的计算力学专家钱令希、钟万勰、 程耿东的两篇文章，论述了这一个因为计算技术发展而突 飞猛进的分支学科的历史和现状，特别述及有限元构造及其数学基础、适合于计算机上的算法、结构优化和各类耦 合问题的求解以及软件的开发与应用、计算动力学等问 题，特别展望了我国计算力学的发展 . 值得一提的是弹性力 学专家胡海昌写了一篇文章专门谈对振动工程的看法，他 认为： "基础科学能够而且应该发展出相应的工程科学. " 他还认为，像振动工程这样的新工程的诞生和发展，应归功 于计算机、微电子技术、系统论、控制论和信息论的发展 . 铁路工程动力学专

27、家翟婉明及其合作者撰文叙述高铁中的 一些典型的力学问题：高速铁路轮轨滚动接触力学问题、 高速列车关键结构部件疲劳问题、高速列车与线路结构动 态相互作用问题，这些问题源于实践，相当复杂，却饶有 兴味，充分显示了力学的魅力 . 本书的另一篇有趣的文章是 郑晓静和周又和写的关于风沙运动研究中的力学问题的长 文，这两位固体力学专家近十几年转向研究与沙尘暴相关 的风沙运动，这是一个颇具挑战性的研究领域，实验观测 和理论分析都极其困难，至今尚无可靠的预测模型，他们 认为，有必要将风沙运动系统作为非线性、多场耦合、跨 尺度的复杂动力系统，并总结出四个关键力学问题 . 本书还 收录了郑晓静等人写的两篇科普文章

28、力学与沙尘暴和 关于鸣沙 ，可读性极好 .在院士谈力学的第四部分中 还收录十四篇力学科普文章，内容包罗万象，涉及核武器 研制，机械设备的 "健康检测 "，海洋内波探测，鱼类游动，体育运动，乃至拐杖的使用， 五光十色，美不胜收 .难能可贵的是：钱令希等五位院士在世纪之交写了一封倡议 信，发动大家努力撰写科普文章，宣传力学贡献 . 并且建议 "立即组织起一套丛书 ". 他们的倡议得到了积极广泛的响 应，近十几年来，力学科普的文章书籍大批涌现 . 值得一提 的是， 2008 年，中国力学学会发起组织出版大众力学丛 书，至今已出版了 15 种，在全社会得到了普遍

29、好评和欢 迎.通过上述漫游，我们可以体会到，力学不仅无奇不有， 无处不在，而且婀娜多姿，丰富多彩 . 可以说，学习力学、 研究力学是一种享受，细细品味这本书也是一种享受 .4 任 重道远的力学读完这本书，掩卷沉思，浮想联翩 . 尽管学力 学是一种享受，但是，说起来容易，做起来难，应用好力 学知识更是一种挑战 .院士们无不认识到这一点，因此，他 们倾尽全力从事力学的研究和应用，更是呕心沥血专注于 力学教育 . 他们认识到，力学事业任重道远，必须后继有人 他们希望 " 长江后浪推前浪，江山代有才人出 ".本书的第三部 分专门谈力学教育，三代院士在这方面也发表了真知灼见 . 张维撰文说： "力学要为国民经济的发展服务，就要有一支 良好的力学工作者队伍，存在力学队伍培养成长的问题."他认为着重要解决好专业和课程