中国近代力学简史

近代力学发展简史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，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。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。力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。而平衡或静止，则是其中的特殊情况。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。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。静止和运动状态不变，则意味着各作用力在某种意义上的平衡，因此，力学可以说是力和(机械)运动的科学。力学在汉语中的意思是力的科学。汉语“力”字最初表示的是手臂使劲，后来虽又含有他义，但都同机械或运动没有直接联系。“力学”一词的英语是mechanics(源于希腊语μηχανη──机械)。在英语中，mechanics是一个多义词，既可释作“力学”，也可释作“机械学”、“结构”等。在欧洲其他语种中，此词的语源和语义都与英语相同。汉语中没有同它对等的多义词。mechanics在19世纪50年代作为研究力的作用的学科名词传入中国时，译作“重学”，后来改译作“力学”，一直使用至今。“力学的”和“机械的”在英语中同mechanical，而现代汉语中“机械的”又可理解为“刻板的”。这种不同语种中词义包容范围的差异，有时引起国际学术交流中的周折。例如机械的(mechanical)自然观，其实指用力学解释自然的观点，而英语mechanist是指机械师，不是指力学家。力学近代自然科学的发展是从力学开始的，了解力学在中国的传播与发展对认识近代科学的发展会有所帮助。《近代力学在中国的传播与发展》一书介绍了近代力学在中国的传播与发展过程——明末清初西方力学知识的传入；晚清时期西方力学知识的传播、翻译和理工科教育的开始；民国时期力学的进一步传播与发展；新中国力学教学与研究队伍的形成与发展。中国的力学与西方直到16世纪之前是没有交流的，各自在独立发展。我国的近代力学实际上是外国人送上门来的。即使是这样，我们的吸收过程也是缓慢的和曲折的。

世界各国，力学的早期发展都是从天文学开始的。事实上，早期的天文学就是天体这种特殊物体的运动学，而且力学与数学天文学一直是密切不可分离的。我国的天文学虽然起步较早，但是由于在数学的发展上，只限于计算一直没有推理的数学，所以在17世纪西方的近代数学、力学和精密天文学发展起来后，中国的天文学就远远落后了。正因为如此，我国近代力学的传播与发展也就是从引进与学习西方的天文学和历法开始。公元1862年京师同文馆成立。同一时期成立的还有天津西学(1895)、京大学(1898)。这些学校先后开设有关力学的课程，讲授者大多为外国人。公元1903年清政府规定在小学设理化课；高等学堂分政艺两科，艺科所设课程中有力学、物性、声学、热学、光学、电学和磁学等物理学的内容。公元1909年中国人冯如在美国制造出第一架飞机。1910年清朝政府拨款在北京南苑庑甸毅军操场建筑厂棚，由刘左成和李宝试制飞机一架，这是中国官方首次筹办航空。詹天佑主持修建的京张铁路全线通车。这是中国人自行设计施工的第一条铁路干线。公元1929年T.von卡门首次访华，后指派他的学生华敦德帮助清华大学建设5英尺风洞。1936年他再次访华参观指导。风洞（windtunnel）即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法，流动条件容易控制。实验时，常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风，通过测控仪器和设备取得实验数据。风洞公元1935年中央大学和北洋工学院先后成立航空工程系，培养飞机设计及制造技术人员。之后，1938年西南联大成立航空工程系；1945年浙江大学成立航空工程系；抗战期间，西北工学院、成都空军机械学校、交通大学等根据战争需要培养了一批航空和力学人才。公元1939年航空委员会航空研究所在成都成立，黄光锐任所长。1941年扩大并改名为航空研究院。

钱学森研究可压缩效应对气动性能的影响，提出计算亚声速翼型压力系数的卡门—钱公式（1941）。他在美国期间，还对应用力学和航空工程的众多领域：高超声速流（1946）、稀薄气体动力学（1946）、薄壳稳定性理论（1940）作出开创性的贡献，在开创和发展火箭技术和有关理论方面有多项贡献（1939，1950），并完成了《物理力学》手稿。公元1945年钱学森和郭永怀发现：当来流马赫数超过上临界值时，连续的数学解会突然不可能，即可能导致激波出现，所以真正有实际意义的是上临界马赫数。郭永怀进一步研究跨声速不连续解的理论，为突破声障奠定理论基础。他随后又成功研究激波边界层干扰。周培源发表《关于速度关联和湍流脉动方程的解》，之后在国际上发展为湍流模式理论，他的这篇文章至今仍被引用。公元1952年周培源（时任北京大学教务长）在北京大学设立数学力学系力学专业，这是我国第一个力学专业。此后全国各高等院校纷纷建立力学系或力学专业。1958年中国科学技术大学设立近代力学系，首任系主任钱学森。同年，清华大学成立工程数学力学系，首任系主任张维。北京航空学院在北京成立，华东航空学院在南京成立，两个学院均由多所院校航空工程系合并而成。1956年，北京航空学院设立我国第一个空气动力学专业。中国科学院数学研究所组建力学研究室，钱伟长任室主任，研究员有钱伟长、沈元、周培源。

吴仲华提出叶轮机三元流动理论。公元1956年1月5日中国科学院力学研究所成立。第一任所长钱学森，副所长钱伟长。研究重点除固体力学、流体力学外，以后陆续开拓了物理力学、磁流体力学、化学流体力学、爆炸力学等研究方向。

郭永怀回国，后任中科院力学所副所长。10月国防部第五研究院成立，第一任院长钱学森。12月，五院下属空气动力学研究室成立，该室1959年发展为研究所（701所）。钱学森起草《建立我国国防航空工业的意见书》，为我国火箭与导弹技术提供重要实施方案。国家制定《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要》，其中第37项“喷气与火箭技术的建立”与力学关系密切。同时还制定了我国第一份力学学科规划，确认力学为一级学科。钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀及一批知名的力学家参与了力学专业的规划的调研、制定。钱学森任综合组组长。公元1957年第一次全国力学学术报告会在北京召开。钱学森、钱伟长分别作“论技术科学”和“我国力学工作者的任务”的报告。于1952年2月10日成立中国力学学会，首届理事长钱学森，选举理事35人。会后相继成立了固体力学、流体力学、般力学、岩土力学4个专业委员会；以及哈尔滨、西安、北京、天津、上海、南京大连7个地方分会。《力学学报》创刊，第一任主编钱学森，执行编辑潘良儒。次年，由郭永怀担任第二任主编。

钱学森在《科学通报》发表《论技术科学》。

中国科学院力学研究所与清华大学联合办工程力学研究班，钱伟长、郭永怀先后任班主任，第一届学员120人，连续招生3届。

钱学森《工程控制论》获中国科学院1956年度自然科学奖一等奖。公元1965年中国在无锡建成长474米的实验水池。中国科学院重启人造地球卫星研制工作（代号651），1966年1月经中央批准正式成立中国科学院人造地球卫星设计院（651设计院），院长赵九章，党委书记杨刚毅。院办公室和总部设在中科院力学所。郭永怀所著《宇宙飞船的回地问题》发表在星际航行科技资料汇编中，由科学出版社出版。一九七零年《天津日报》公元1972年7月周培源上书周恩来总理，直陈基础科学研究重要性，得到周总理批示认可。10月6日周培源在《光明日报》发表《对综合大学理科教育革命的一些看法》，强调重视基础科学研究，对当时的“理科无用论”予以批判。12月“力学学科基础理论研究座谈会”在北京举行，座谈1973—1980年力学学科的主攻方向、重点课题和具体措施，强调基础研究的重要性。美国科学代表团任之恭等访华，其中力学家有林家翘、易家训、张捷迁、徐皆苏等。次年，美国加州科技工作者代表团访华，团长冯元桢。公元1980年中国空气动力学会成立（成立时称中国空气动力学研究会，1989年改为本名），第一届名誉会长钱学森、沈元，会长庄逢甘，副会长曹鹤荪。12月以周培源（发起人之一）为首的中国力学学会流体力学代表团，出席了在印度班加罗尔召开的第一届亚洲流体力学会议（简称AMFC)。AMFC同年被IU-TAM通过成为该联合会的联署组织。随后，林同骥、周恒、崔尔杰先后任副主席，李家春任主席（2006）。公元1983年中、日、美生物力学国际会议在武汉召开，冯元桢、康振黄等主持。会后，冯元桢系统讲授生物力学，为我国培养了第一批生物力学人才。此后该会在三国轮流进行。第二届亚洲流体力学会议在北京举行，林同骥任会议主席。1999年，第八届亚洲流体力学会议在中国深圳召开，崔尔杰任会议主席。11月22—25日国际断裂力学学术会议（北京）（即ICF）由中国力学学会和中国航空学会联合主办。公元1993年《中国科学技术专家传略》工程技术编·力学卷Ⅰ出版主编钱令希，副主编郑哲敏、王仁。（第Ⅱ卷于1997年出版发行）11月24日周培源先生去世。郑哲敏当选为美国工程科学院外籍院士。钱学森就“湍流”研究写信给郑哲敏。信中提到，当今的湍流是流体的宏观混沌，而平流在微观水平上也是分子的混沌运动。他希望我们要从现代混沌理论中吸取营养，悟出新的方向，走上新的道路。公元1997年周培源基金会设立周培源力学奖。首届周培源力学奖由张涵信获得。之后，白以龙、黄永念、崔尔杰、李家春、黄克智、杨卫分获第二、第三、第四、第五、第六、第七届周培源力学奖。第13届国际等离子体化学会议在京举行，吴承康主持。现代力学与科技进步学术大会暨庆祝中国力学学会成立40周年纪念活动在北京举行。时至今日，中国的力学经历了了一个特殊时期。事实上曾有一段时间中国在力学方面也是有发展的，与古希腊几乎同时，中国古代对平衡好简单的运动形式就已经具备了相当水平的力学知识，所不同的是未建立起想阿基米德那样的理论体系。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越其中有些在当时世界居于领先地位，在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：赵州桥建于公元605年距今1400多年，经历了10次水灾，8次战乱和多次地震，特别是1966年3月8日邢台发生7.6级地震，赵州桥距离震中只有40多公里，都没有被破坏，著名桥梁专家茅以升说，先不管桥的内部结构，仅就它能够存在1400多年就说明了一切。1963年的水灾大水淹到桥拱的龙嘴处，据当地的老人说，站在桥上都能感觉桥身很大的晃动。据记载，赵州桥自建成至今共修缮9次。这些成果反映出丰富的力学知识，但始终未形成系统的力学理论，直至19世纪经典力学由欧洲传入中国，中国力学的发展又再次随同时代潮流前进赵州桥桥长50.82米，跨径37.02米，券高7.23米，两端宽9.6米,桥的设计完全合乎科学原理，施工技术更是巧妙绝伦。唐朝的张嘉贞说它“制造奇特，人不知其所以为”。这座桥的特点是：一、全桥只有一个大拱，长达37.4米，在当时可算是世界上最长的石拱。桥洞不是普通半圆形，而是像一张弓，因而大拱上面的道路没有陡坡，便于车马上下。二、大拱的两肩上，各有两个小拱。这是创造性的设计，不但节约了石料，减轻了桥身的重量，而且在河水暴涨的时候，还可以增加桥洞的过水量，减轻洪水对桥身的冲击。同时，拱上加拱，桥身也更美观。三、大拱由28道拱圈拼成，就像这么多同样形状的弓合龙在一起，作成了一个弧形的桥洞。每道拱圈都能独立支撑上面的重量，一道坏了，其他各道不致受到影响。