力學(xué)交叉學(xué)科發(fā)展報(bào)告

1、力 學(xué) 中 的 交 叉 學(xué) 科力學(xué)中的交叉學(xué)科基本上可以分為兩類：第一類由力學(xué)學(xué)科內(nèi)部不同分 支學(xué)科交叉組成；第二類由力學(xué)與其它學(xué)科交叉組成。內(nèi)部的交叉學(xué)科最典型的是由流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉組成的學(xué)科，它 們有：1）流體彈性力學(xué)，研究流體和固體的運(yùn)動(dòng)和相互作用發(fā)生耦合效應(yīng)的問 題；2）流體彈塑性體力學(xué)，研究兼有固體和流體的雙重特征的物體的變形和 運(yùn)動(dòng)；3）含有流體的多孔介質(zhì)或散體的動(dòng)力學(xué)， 研究的客體本身就由多相組成， 而骨架的變形和破壞與體內(nèi)流體的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)發(fā)生相互制約。這方面的實(shí)例 有地下滲流、地基、邊坡和斷層的穩(wěn)定性、泥石流、雪崩等。物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，除了機(jī)械運(yùn)動(dòng)這一最基礎(chǔ)的形式以

2、外，還有熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)、原子及其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和分子及原子層次的化學(xué)運(yùn)動(dòng)等。機(jī)械運(yùn)動(dòng)往往不能脫離其他運(yùn)動(dòng)形式獨(dú)立存在，在需要和可能研究其他運(yùn)動(dòng) 形式對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)有較大影響或者考慮它們之間的相互作用及內(nèi)在聯(lián)系的情況 下，便會(huì)在力學(xué)同其他學(xué)科之間形成交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)。力學(xué)是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。隨著人類觀測(cè)手段的進(jìn)步和對(duì)各種形式運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的深入和提高，特別是 20世紀(jì)物理學(xué)各個(gè)分支和數(shù)學(xué)的飛速 發(fā)展，加上計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們對(duì)于伴隨有其他運(yùn)動(dòng)的機(jī)械 運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)也隨之提高。今天，我們對(duì)自然界各種層次的物質(zhì)，從宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規(guī)物體，細(xì)觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的

3、分子、 原子、基本粒子已經(jīng)有了較為廣深的認(rèn)識(shí)。這樣就為研究多種形式同時(shí)存在的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)提供了有利條件，從 而產(chǎn)生了力學(xué)中多種多樣的交叉學(xué)科，如物理力學(xué)、電磁流體和等離子體力 學(xué)、物理化學(xué)力學(xué)、爆炸力學(xué)等。止匕外，自然科學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了一些傳統(tǒng)的一級(jí)學(xué)科，如天文 學(xué)、地學(xué)和生物學(xué)等。這些學(xué)科和力學(xué)的研究?jī)?nèi)容和范圍歷來存在著重大的 相交和重疊。對(duì)于天體、地球和生物這樣一些重大類別的物體來說，機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式也是他們的基本運(yùn)動(dòng)形式，研究他們的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律也是力學(xué)學(xué)科的內(nèi)容。今天，天體力學(xué)和天體物理實(shí)際上超出了剛體和多體動(dòng)力學(xué)的范圍，增添了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、物 理化學(xué)流體力學(xué)以及電磁流體和等離子

4、體力學(xué)的內(nèi)容；地學(xué)的研究對(duì)象則超 出了地球表面現(xiàn)象的范圍而拓寬到大氣、海洋以至地球內(nèi)部的力學(xué)過程；而 生物力學(xué)則方興未艾，從基因、細(xì)胞、組織和器官四個(gè)層次全面展開系統(tǒng)的 研究。交叉學(xué)科的形成不僅有利于發(fā)展新學(xué)科并促進(jìn)源學(xué)科的發(fā)展，而且對(duì)推 動(dòng)科學(xué)、技術(shù)和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著巨大的作用。下面將分別探討物理力學(xué)、 電磁流體和等離子體力學(xué)、爆炸力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)和生物力 學(xué)今后一個(gè)時(shí)期的發(fā)展方向與建議著重研究的領(lǐng)域。我們估計(jì)在下一世紀(jì)這 些交叉學(xué)科，特別是物理力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)和環(huán)境流體力學(xué)等學(xué) 科將會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步，并將有力地促進(jìn)人類和社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展；而力學(xué)與 其它學(xué)科的交叉必將得

5、到進(jìn)一步的擴(kuò)大和加強(qiáng)。物理力學(xué)物理力學(xué)是研究力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微觀理論的一個(gè)力學(xué)分支。傳統(tǒng)力學(xué)采用連續(xù)介質(zhì)模型，對(duì)介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不做假設(shè)與追究，采用 從經(jīng)驗(yàn)得到的描述介質(zhì)力學(xué)性狀的本構(gòu)關(guān)系，運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和熱力學(xué)定 律來描述介質(zhì)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)。到了本世紀(jì)中葉，面臨著航空、航天與原子能等技術(shù)中高溫、高壓和強(qiáng) 射線作用下材料介質(zhì)的性質(zhì)問題，再不能靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法來解決。從物質(zhì)的 深層次來研究和解決問題就成為必由之路。事實(shí)上，物質(zhì)本是由原子和分子 組成的，是有微觀結(jié)構(gòu)的。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是由其微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律所 決定的。自本世紀(jì)以來，物理學(xué)和化學(xué)對(duì)物質(zhì)微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究已經(jīng)取得 了成功。物理力學(xué)的任務(wù)就是

6、要溝通微觀與宏觀之間的中間過渡領(lǐng)域。以微觀運(yùn)動(dòng)的理論為基礎(chǔ)探求中間層次 的規(guī)律性，以求闡明和預(yù)測(cè)介質(zhì)材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)，為未來的材料設(shè)計(jì)提 供理論依據(jù)。20年50年代早期的物理力學(xué)多采用簡(jiǎn)化模型方法，研究?jī)?nèi)容多局限于熱力學(xué) 平衡和偏離平衡很小的準(zhǔn)平衡性質(zhì)，以氣相和簡(jiǎn)單凝聚相介質(zhì)為主。近 來由于計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了像分子動(dòng)力學(xué)等一些新的理論方法，增進(jìn)了 對(duì)凝聚態(tài)內(nèi)部微觀過程的了解，使之可以達(dá)到探求介質(zhì)內(nèi)部高度非線性不可逆過程行為的程度。對(duì)材料細(xì)觀層次的了解，特別是對(duì)材料的非均勻性、微缺陷及其運(yùn)動(dòng)和演化規(guī)律的了解有 所加深。所有這些為建立材料形變與強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)理論，進(jìn)而為完善從微觀到 宏觀的過渡帶

7、來了希望。面對(duì)當(dāng)前高新技術(shù)的需要，建議今后要著重研究以下四個(gè)方面的問題1）超高壓、超高溫與強(qiáng)輻射場(chǎng)作用等極端條件下的材料力學(xué)性質(zhì)；2）固體塑性變形與破壞的微觀機(jī)理與統(tǒng)計(jì)理論的研究；3）以原子分子理論為基礎(chǔ)的新型材料力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以 及對(duì)其力學(xué)性能的理論預(yù)測(cè)；4）有化學(xué)反應(yīng)參與的氣相或等離子體相的材料沉積微觀過程的研究。電磁流體力學(xué)和等離子體動(dòng)力學(xué)這個(gè)力學(xué)分支包括了以下三個(gè)分支學(xué)科：1）電流體力學(xué)。研究單極性流體或極化流體與電場(chǎng)的相互作用。2）磁流體力學(xué)。研究導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)的相互作用。3）等離子體動(dòng)力學(xué)。研究低溫等離子體各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，非平衡過程以及 低溫等離子體電與磁場(chǎng)的相互作用。

8、這個(gè)力學(xué)分支是流體力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科，也是 等離子體物理學(xué)中的宏觀理論部分。下面重點(diǎn)討論磁流體力學(xué)。導(dǎo)電流體通常指等離子體、液態(tài)金屬、水和血液等。等離子體被稱作是 物質(zhì)的第四態(tài)，包括自然界等離子體與實(shí)驗(yàn)室等離子體。液態(tài)金屬包括自然 界的水銀，地核物質(zhì)等，以及工業(yè)應(yīng)用中的熔化金屬。1832年法拉第最早提出的磁流體力學(xué)問題是 ：泰晤士河水切割地磁磁力 線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，能否通過測(cè)量?jī)砂兜碾娢徊顏砉浪愫铀牧魉俳Y(jié)果未獲成功。 以后，工程師們提出過電磁泵的想法。地球物理學(xué)家提出過“發(fā)電機(jī)作用”來解釋地球磁場(chǎng)的起源。天體物理學(xué)家Cowling , Ferraro開始探討磁流體力 學(xué)理論，

9、Hartmann進(jìn)行過簡(jiǎn)單的磁流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)。1942年，瑞典工程師和天 體物理學(xué)家 H。Alfven提出了 Magneto-hydrodynamics （MHD 這個(gè)學(xué)科名， 以及提出“磁凍結(jié)”概念，討論“磁凍結(jié)”流動(dòng)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn) Alfven波，這些 標(biāo)志著這門學(xué)科的建立。近幾十年，磁流體力學(xué)這門學(xué)科的迅猛發(fā)展是和以下三個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展密 切相關(guān)的。1）地球物理，日地空間物理和天體物理。在地球大氣層以外到處是等離子體，磁場(chǎng)也普遍存在。因此，到處存在 磁流體力學(xué)問題。第二次世界大戰(zhàn)以后射電天文學(xué)的興起，出現(xiàn)了以等離子 體理論為基礎(chǔ)的天體物理學(xué)， 大大改變了長(zhǎng)期以來以光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)為主的， 以原子理論

10、為基礎(chǔ)的天體物理學(xué)。1957年人造衛(wèi)星上天以后，用衛(wèi)星、飛船 帶上觀測(cè)儀器對(duì)日地空間、太陽、宇宙的考察，發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象，形成了 很多新學(xué)科。其中磁流體力學(xué)內(nèi)容占有很大比重。如日冕物理、太陽風(fēng)物理、 地核內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)和磁層物理就是如此。2）受控核聚變反應(yīng)。50年代初，美國、前蘇聯(lián)開始探索新能源。人們很快發(fā)現(xiàn)，幾乎所有磁約束裝置都有一個(gè)共同難題：磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性。幾十年后的今天，在被 認(rèn)為研究得最充分的磁約束裝置環(huán)流器上，破裂不穩(wěn)定性仍未最后弄清楚， 盡管人們可以采取一系列措施來大大減少破裂的發(fā)生。其余的問題見后。3）等離子體技術(shù)，冶金工業(yè)等工程技術(shù)。以冶金工業(yè)為例。在連續(xù)鑄造中用電磁力對(duì)熔化

11、金屬進(jìn)行攪拌，可以提 高產(chǎn)品質(zhì)量。目前，電磁攪拌器這項(xiàng)新技術(shù)已被廣泛采用；而電磁攪拌器的 研究?jī)?nèi)容是標(biāo)準(zhǔn)的磁流體力學(xué)問題。建議今后著重研究以下磁流體力學(xué)問題 ：1）導(dǎo)電流體的流動(dòng)穩(wěn)定性與湍流，特別是強(qiáng)磁場(chǎng)下流動(dòng)穩(wěn)定性與二維湍 流的研究。2）非線性有限電阻不穩(wěn)定性，特別是破裂不穩(wěn)定性與磁場(chǎng)重聯(lián)的研究。3）發(fā)電機(jī)理論的進(jìn)一步研究，如過程中R-T不穩(wěn)定性的研究，含氣泡物質(zhì)上升與水平散開動(dòng)力學(xué)過程的研究。4）磁流體力學(xué)激波結(jié)構(gòu)，進(jìn)化性與穩(wěn)定性。5）聚變堆和混合堆的研究，強(qiáng)磁場(chǎng)下MHCf道流減小電磁阻力與增強(qiáng)傳熱的研究，MHtM態(tài)金屬自由面流動(dòng)的研究， MH茴接發(fā)電等。6）冶金技術(shù)的研究。磁懸浮冶煉，電

12、磁結(jié)晶器，用電磁力控制流量，粉 末冶金中電磁霧化等。爆炸力學(xué)爆炸力學(xué)是研究爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律以及爆炸的力學(xué)效應(yīng)的利用和防 護(hù)的學(xué)科。我國早在8世紀(jì)中唐時(shí)期已有火藥配方，10世紀(jì)宋初即已制作火箭火炮， 17世紀(jì)明代宋應(yīng)星闡明火藥爆炸形成沖擊波的現(xiàn)象。1867年諾貝爾發(fā)明硝化甘油，19世紀(jì)末和20世紀(jì)初建立了描述沖擊波躍變的 Rankine-Hugoniot關(guān) 系以及描述自持爆轟的 Chapman-Jouget理論，第二次世界大戰(zhàn)期間， Taylor , J. von Neumann JI. H. C e a o b等結(jié)合常規(guī)武器和原子武器的研制在高速?zèng)_擊力學(xué)、爆炸產(chǎn)物狀態(tài)方程、爆轟理論、空中和

13、水下爆炸理論、 點(diǎn)源強(qiáng)爆炸理論等方面取得重要進(jìn)展，初步形成了爆炸力學(xué)這門學(xué)科。戰(zhàn)后， 動(dòng)武器、核武器和激光武器的效應(yīng)和防護(hù)的研究，固體中擊波合成新材料， 慣性約束聚變，爆炸加工，爆破技術(shù)等方面的研究進(jìn)一步推動(dòng)爆炸力學(xué)的發(fā) 展，成為由下面三個(gè)密切相關(guān)的部分構(gòu)成的體系，即（1）具有基礎(chǔ)性質(zhì)的爆轟學(xué)、擊波物理、擊波化學(xué)、材料動(dòng)力學(xué)、擊波理論、應(yīng)力波理論；（2）具有應(yīng)用性質(zhì)的空中爆炸、水下爆炸和土巖中爆炸的力學(xué)、高速?zèng)_擊動(dòng) 力學(xué)、粒子束或激光束的高能密度動(dòng)力學(xué)、爆破工程力學(xué)、爆炸工藝力學(xué)、 爆炸結(jié)構(gòu)力學(xué)；（3）具有工具和技術(shù)手段性質(zhì)的計(jì)算爆炸力學(xué)、瞬態(tài)測(cè)量技 術(shù)、模擬技術(shù)等研究領(lǐng)域。我國的有關(guān)研究工作

14、是在50年代末期開始的，中國科學(xué)院開展了爆破和爆炸加工技術(shù)的研究，軍工部門開展了原子彈研制和爆轟的研究。60年代初錢學(xué)森認(rèn)為我國爆炸現(xiàn)象的研究已經(jīng)具備初步基礎(chǔ)，一門新興技術(shù)科學(xué)已經(jīng) 涌現(xiàn)，遂命名為“爆炸力學(xué)”。30年來我國在爆炸力學(xué)方面展開了廣泛深入 的研究，特別應(yīng)該提到的是 60年代鄭哲敏等獨(dú)立提出了流體彈塑性體模型， 隨后以這一模型為基礎(chǔ)解決了一系列與核爆炸效應(yīng)、高速?zèng)_擊以及爆炸加工 有關(guān)的問題。今后爆炸力學(xué)的研究應(yīng)側(cè)重基礎(chǔ)，側(cè)重民用，建議著重研究以下幾個(gè)問 題:1）爆炸載荷作用下材料的本構(gòu)特性的研究；2）擊波化學(xué)和起爆機(jī)制的研究；3）激光輻照下材料變形和變性的研究；4）含有流體的多孔介質(zhì)

15、和散體的動(dòng)力學(xué)研究；5）爆炸和沖擊作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。環(huán)境流體力學(xué)環(huán)境流體力學(xué)是研究同人類生存環(huán)境及其變遷有關(guān)的流動(dòng)問題的力學(xué)分 支，也是環(huán)境科學(xué)的重要組成部分。環(huán)境流體力學(xué)著重研究地球表面，包括大氣圈、水圈、冰雪圈、土壤巖 石圈、生物圈中的介質(zhì)（如大氣、水、溶質(zhì)、氣溶膠、污染物、微量氣體）的 動(dòng)量、能量、物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律及其對(duì)人類環(huán)境的影響；同時(shí)研究與保護(hù)環(huán)境有 關(guān)的綠色產(chǎn)業(yè)中的流動(dòng)問題。人類為了生存和棲息，從刀耕火種時(shí)代起就同自然界作斗爭(zhēng)，同時(shí)也無 意識(shí)地破壞了自己的生存環(huán)境。第二次世界大戰(zhàn)以來，因人口劇增，資源利 用不當(dāng)，導(dǎo)致一系列嚴(yán)重環(huán)境污染事件（如煙霧事件、水俁事件）發(fā)生，人 類開始

16、認(rèn)識(shí)到治理環(huán)境的重要性。近 20年來，因氣候變暖、臭氧空洞、厄爾 尼諾、土地沙漠化等各種全球性環(huán)境問題正在威脅著人類，人們普遍認(rèn)識(shí)到 保護(hù)地球的緊迫性，并把環(huán)境和發(fā)展結(jié)合起來。這就是環(huán)境流體力學(xué)產(chǎn)生和 發(fā)展的背景。我國幅員遼闊，人口眾多，水資源緊缺，水土流失，泥沙沉積， 土地沙漠化、鹽堿化，環(huán)境污染嚴(yán)重，更迫切需要研究和治理。五六十年代環(huán)境流體力學(xué)主要研究污染問題，目前逐步趨于研究多尺度、多學(xué)科的綜合性問題，包括氣候、生態(tài)、污染、災(zāi)害諸多方面。國際上大型 合作科研項(xiàng)目，如國際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）、國際減輕自然災(zāi)害（IDND 十年計(jì)劃正在實(shí)施。我國在解放以后，水利、氣象、海洋、地理等部門積

17、累 了大量豐富的觀測(cè)資料，環(huán)境流體力學(xué)的研究可在環(huán)境科學(xué)從定性或統(tǒng)計(jì)描 述轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)描述方面發(fā)揮重要作用?？删C合應(yīng)用流體力學(xué)、地球科學(xué)、生 物、化學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科中的基本原理，分析現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)（包括衛(wèi)星觀測(cè)）的 資料，建立模型，揭示機(jī)理，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)行預(yù)報(bào)，并提出防治措施。在未來的世紀(jì)，我們要結(jié)合環(huán)境科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)我國經(jīng)濟(jì)與社會(huì) 可持續(xù)發(fā)展的需要與研究現(xiàn)狀，建議重點(diǎn)開展如下幾方面的研究1）微氣象和陸氣、海氣界面的湍流交換。2）兩相環(huán)境（泥沙、風(fēng)沙、泥石流、土壤侵蝕等）流體動(dòng)力學(xué)。3）大城市環(huán)境中的流動(dòng)問題（地面沉降、污染、廢棄物處理）。4）綠色節(jié)水農(nóng)業(yè)中的流動(dòng)問題。5）高效清潔燃燒器的原理。

18、地球動(dòng)力學(xué)生物力學(xué)生物力學(xué)研究生命現(xiàn)象中的力學(xué)問題，是力學(xué)與生命科學(xué)的交叉領(lǐng)域。生命現(xiàn)象中力學(xué)問題的研究可追溯到伽利略、牛頓時(shí)代。Young、Euler等研究過血管的彈性及血流脈動(dòng)；Poiseuille 的血流阻力實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了粘性流體力學(xué)的發(fā)展；Hill因骨骼肌收縮力學(xué)模型的研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。但是，作為一門獨(dú)立的學(xué)科，生物力學(xué)興起于本世紀(jì)60年代，六七十年代是生物力學(xué)的開創(chuàng)階段，將力學(xué)方法和生理學(xué)、解剖學(xué)方法結(jié)合起來研究組織和器官 層次上的力學(xué)問題，建立了獨(dú)特的方法論體系。90年代以來，生物力學(xué)開始進(jìn)入細(xì)胞、基因?qū)哟?，并與生化過程相聯(lián)系。生物力學(xué)在以下幾方面作出了 貢獻(xiàn)：揭示心血管系統(tǒng)中血液的流動(dòng)規(guī)律，認(rèn)識(shí)機(jī)體的正常和病理生理過程 的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，軟組織本構(gòu)關(guān)系和肺血循環(huán)的研究等，為診斷和治療方法提 供理論和技術(shù)基礎(chǔ)，如心血管動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分析和檢測(cè)、超聲圖像分析、臨 床血液流變技術(shù)、步態(tài)分析、腎透析技術(shù)等；人工心瓣和人工關(guān)節(jié)等的設(shè)計(jì) 和制造；以及為改進(jìn)體育運(yùn)動(dòng)方法和勞動(dòng)環(huán)境的生物力學(xué)設(shè)計(jì)等?？傊?，生 物力學(xué)的研究將對(duì)未來生物科學(xué)、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、生物化 學(xué)工程的發(fā)展以及人民的保健發(fā)揮重要作用。我國的生物力學(xué)起步于70年代末。美國科學(xué)院馮元楨起了重要的推動(dòng) 作用。目前我國已形成了一支有梯隊(duì)結(jié)構(gòu)的隊(duì)伍 ，建立了