力學(xué)學(xué)科的戰(zhàn)略地位

第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日目錄

1.1力學(xué)發(fā)展的回顧1.2我國力學(xué)研究的狀況1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向

2第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日力學(xué)是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學(xué)。自然界物質(zhì)有多種層次，從宇觀的宇宙體系、宏觀的天體和常規(guī)物體，細觀的顆粒、纖維、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子。通常理解的力學(xué)以研究天然的或人工的宏觀對象為主。但由于學(xué)科的互相滲透，有時也涉及宇觀或細觀甚至微觀各層次中的對象以及有關(guān)的規(guī)律。機械運動亦即力學(xué)運動是物質(zhì)在時間、空間中的位置變化，它是物質(zhì)在時間、空間中的位置變化，物質(zhì)運動的其他形式還有熱運動、電磁運動、原子及其內(nèi)部的運動和化學(xué)運動等。機械運動并不能脫離其他運動形式獨立存在，只是在研究力學(xué)問題時突出地考慮機械運動這種形式罷了；如果其他運動形式對機械運動有較大影響，或者需要考慮它們之間的相互作用，便會在力學(xué)同其他學(xué)科之間形成交叉學(xué)科或邊緣學(xué)科。力是物質(zhì)間的可以說是力和運動的科學(xué)。力學(xué)學(xué)科的戰(zhàn)略地位3第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日力學(xué)的發(fā)展始終是和人類的生產(chǎn)活動緊密結(jié)合的，3000多年前的墨經(jīng)上就有簡單的杠桿原理。在西方，古希臘的阿基米德對靜力學(xué)就有了一些系統(tǒng)的論述。這都與當(dāng)時的生產(chǎn)水平相適應(yīng)。

17世紀初，歐洲資本主義萌芽，科學(xué)掙脫神學(xué)的束縛而開始復(fù)蘇。

伽利略是進行系統(tǒng)實驗研究的先驅(qū)，提出了加速度的概念和慣性原理。

開普勒根據(jù)天文觀測資料總結(jié)出行星運動的規(guī)律。牛頓繼承和發(fā)揚了

前人的成果，提出了物體運動三定律和萬有引力定律。可見，至牛頓

時代，力學(xué)形成了一門科學(xué)，同時推動了微積分的發(fā)展，其后，隨著

歐洲逐步工業(yè)化，力學(xué)得到了很大的發(fā)展。上個世紀，力學(xué)已經(jīng)有了

不少分支。例如與水利及城市給排水建設(shè)有關(guān)的水力學(xué)，與建筑、橋

梁、道路等有關(guān)的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，與軍事有關(guān)的彈道學(xué)，以及

理論性較強的理想流體力學(xué)，分析力學(xué)和彈性力學(xué)。與此同時，力學(xué)

成了物理學(xué)的重要組成部分，并促進了數(shù)學(xué)的發(fā)展。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧4第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日力學(xué)的大發(fā)展開始于本世紀初。最突出的成就是流體力學(xué)中邊界

層理論的提出。上個世紀水力學(xué)和理想流體力學(xué)得到了很大發(fā)展，前

者緊密地結(jié)合工程實際，但含有不少經(jīng)驗成分；而后者理論很完美，

但不能計算物體在真實流體中運動時所受到的力。德國的普朗特(L.

Prandtl)通過實驗觀察，發(fā)現(xiàn)流體的粘性在緊靠物體表面的一薄層中

不能忽略，但在離物體稍遠處則完全可以忽略。根據(jù)這一思想，他提

出了邊界層理論，圓滿地解決了在計算物體所受阻力和升力中所遇到

的疑難問題，正是在這個基礎(chǔ)上，誕生了現(xiàn)代流體力學(xué)。有意思的是

這種“邊界層”的現(xiàn)象后來發(fā)現(xiàn)在很多其他領(lǐng)域中也存在，同樣可以

應(yīng)用普朗特的思想解決問題。同時這也促成了應(yīng)用數(shù)學(xué)中十分有用的

“漸近匹配法”的發(fā)展。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧5第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日力學(xué)的飛速發(fā)展是伴隨著第一次大戰(zhàn)后航空工業(yè)的發(fā)展而進行的。盡管當(dāng)時幾乎所有的大生產(chǎn)部門都依賴于力學(xué)理論的指導(dǎo)，但只有航空工業(yè)對飛機設(shè)計提出的輕、快、安全的高難度要求，才使得航空工業(yè)離開了力學(xué)寸步難行，從而極大地推動了空氣動力學(xué)，固體力學(xué)中的板、殼理論，結(jié)構(gòu)分析，塑性力學(xué)，疲勞理論的發(fā)展，而反過來，力學(xué)一旦形成一門科學(xué)，就會為完善本身學(xué)科的要求出發(fā)而提出眾多基礎(chǔ)問題。這些基礎(chǔ)研究的儲備，又大大縮短了解決實際問題的時間。從低速飛行到高速飛行的發(fā)展，就是一個極好的例子，一方面可壓縮流體力學(xué)的研究是不可壓流體力學(xué)的自然延伸；而另一方面，以普朗特、馮·卡門(T.vonKarman)、錢學(xué)森為代表的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派開創(chuàng)了一條工程和力學(xué)相結(jié)合的道路。他們先后提出和圍繞“聲障”和“熱障”問題，展開了系統(tǒng)的研究，奠定了高速空氣動力學(xué)和氣體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)，從而也為超聲速飛機、火箭和導(dǎo)彈的研制、設(shè)計和制造賦予嚴密和完整的基礎(chǔ)，人們從此進入了噴氣技術(shù)的時代，形成了今天的大規(guī)模的航空、航天產(chǎn)業(yè)。航天技術(shù)中一系列問題的解決，形成了高溫空氣動力學(xué)、稀薄氣體力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)、物理力學(xué)以及斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等一大批新興力學(xué)學(xué)科。由于這些學(xué)科所取得的成就又被進一步廣泛地應(yīng)用于民用工業(yè)，促進了民用工業(yè)的發(fā)展，例如化學(xué)流體力學(xué)對化工、冶金，斷裂力學(xué)對機械、交通和建筑等。力學(xué)與工程緊密結(jié)合的傾向也在其他工程部門的迅速發(fā)展中得到反映，如與水利、采礦、高層建筑、金屬加工、造船等工業(yè)結(jié)合，促進了土力學(xué)、巖石力學(xué)、塑性力學(xué)、水動力學(xué)等的發(fā)展。原子彈聚爆方案和引爆技術(shù)的提出歸功于流體力學(xué)中的沖擊波理論與量綱分析的運用。核武器的研制和發(fā)展，則與爆炸力學(xué)的形成和發(fā)展緊密相聯(lián)?；瘜W(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展有賴于非牛頓流、多相流的力學(xué)研究，等等。上述情況充分說明力學(xué)與工程相結(jié)合的超前研究為新產(chǎn)業(yè)的形成起著奠基和催生的作用。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧6第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日20世紀下半葉、航天任務(wù)基本實現(xiàn)以后，力學(xué)家開始轉(zhuǎn)向新的力

學(xué)生長點，特別是在天、地、生方面取得豐碩成果。結(jié)合天體現(xiàn)象的

研究，用磁流體力學(xué)研究太陽風(fēng)的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，用流體力學(xué)結(jié)合

恒星動力學(xué)解釋星系螺旋結(jié)構(gòu)，用相對論流體力學(xué)研究星系的演化等

取得了成果。力學(xué)家研究了生物的形態(tài)和組織，建立了生物力學(xué)，從

而在定量生理學(xué)、臨床診斷和檢測分析、人工器官的設(shè)計和制造等方

面取得成就，并業(yè)已形成一門新的生物醫(yī)學(xué)工程。力學(xué)向地球科學(xué)滲

透，在板塊動力學(xué)、構(gòu)造應(yīng)力場、地震機制與預(yù)報及與之有關(guān)的反演

等方面取得進展，并進一步推動巖石力學(xué)的研究。

以上我們著重談了力學(xué)與生產(chǎn)的關(guān)系?，F(xiàn)在我們再來看看力學(xué)與

整個科學(xué)的關(guān)系。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧7第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日力學(xué)原是物理學(xué)的一個分支。物理科學(xué)的建立是從力學(xué)開始的。在物理科學(xué)中，人們曾用純粹力學(xué)理論解釋機械運動以外的各種形式的運動，如熱、電磁、光、分子和原子內(nèi)部的運動等。當(dāng)物理學(xué)擺脫了這種機械唯物主義的自然觀而獲得健康發(fā)展時，力學(xué)則在工程技術(shù)的推動下按自身邏輯進一步演化，逐步從物理學(xué)中獨立出來。由于各種運動形態(tài)往往同時出現(xiàn)，宏觀運動與微觀運動又有內(nèi)在聯(lián)系，力學(xué)與物理學(xué)存在著特殊的親緣關(guān)系，許多概念、方法和理論都有不少相似之處。力學(xué)與數(shù)學(xué)是整個自然科學(xué)中發(fā)展得最早的兩個學(xué)科，他們在發(fā)展中始終相互推動，相互促進，這種緊密的聯(lián)系特別表現(xiàn)在力學(xué)理論和微分方程理論的同步發(fā)展方面，本世紀內(nèi)形成的應(yīng)用數(shù)學(xué)則在很大程度上是力學(xué)和數(shù)學(xué)結(jié)合的交叉學(xué)科。應(yīng)當(dāng)指出力學(xué)有一個重要特點是有別于數(shù)學(xué)的，它和物理一樣，還需要實驗作為基礎(chǔ)，任何一種力學(xué)模型和理論總是源出于實際現(xiàn)象，并在實踐和應(yīng)用中受到檢驗。力學(xué)的發(fā)展相對于其他學(xué)科有一定的“超前性”，不少在力學(xué)中提出的規(guī)律、理論和方法，后來發(fā)現(xiàn)在其他領(lǐng)域中同樣有效。

為說明力學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系，應(yīng)該提到本世紀在對非線性力學(xué)現(xiàn)象中所取得的突出成就，它們對當(dāng)前非線性科學(xué)的興起起到先驅(qū)和核心的作用。例如，經(jīng)典力學(xué)在上個世紀就提出的關(guān)于物體運動穩(wěn)定性的理論，不僅在第二次世界大戰(zhàn)中，被引用到自動控制理論中，大大縮短了其理論的形成過程；而且這一理論在當(dāng)前十分熱門的混沌理論中又得到了應(yīng)用。本世紀初在天體力學(xué)中發(fā)展起來的攝動法，為近代非線性科學(xué)中的分岔理論及各種系統(tǒng)的非線性振動理論提供了分析的手段，而兩個世紀前在固體力學(xué)中提出的壓桿失穩(wěn)理論，則是分岔現(xiàn)象的第一個科學(xué)例子。上個世紀末觀察到的水中的孤立波，是非線性科學(xué)中孤立子理論的先驅(qū)。為此提出的KdV方程，至今仍是孤立子理論的典型方程之一，而孤立子理論推動了光學(xué)中相應(yīng)理論的發(fā)展，且成為實現(xiàn)現(xiàn)代光通信技術(shù)的關(guān)鍵。60年代由氣象學(xué)中提出的流體力學(xué)問題，開創(chuàng)了混沌學(xué)的研究，從根本上改變了經(jīng)典物理中確定性的觀點，也深深地影響了人們的自然觀，而被認為是20世紀科學(xué)最偉大發(fā)現(xiàn)之一。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧8第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日還應(yīng)該提一提科學(xué)計算的問題，由于大型、復(fù)雜建筑物如摩天大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，早在計算機出現(xiàn)之前，力學(xué)工作者就提出了若干種分析大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的計算方法。電子計算機的問世，大大促進了這方面的發(fā)展，改變了原來的思路。在50年代，即已出現(xiàn)了后來被稱為有限元法的思想并迅速被推廣到力學(xué)的各個分支及其他科學(xué)領(lǐng)域。而航空航天技術(shù)中流場計算以及原子彈、氫彈引爆過程和爆炸效應(yīng)的計算需要，又大大促進有限差分法的發(fā)展。為了適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及流場等大型計算，提出了各種網(wǎng)格劃分、分區(qū)計算、分裂算子、并行計算等方法。可以毫不夸大地說，力學(xué)計算的需要是現(xiàn)代計算科學(xué)的最有力的推動力之一。電子計算機出現(xiàn)后的首批重要科學(xué)和工程計算中，力學(xué)問題占了相當(dāng)大的比重。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧9第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日

以上我們強調(diào)了由于人們能直接感知的只是宏觀事物，因此不少

科學(xué)中的普遍規(guī)律（指在各學(xué)科中有共性的）往往先在力學(xué)現(xiàn)象中被

發(fā)現(xiàn)和研究，然后滲透到其他學(xué)科并得到更大發(fā)展。同時我們也應(yīng)該

看到，力學(xué)的發(fā)展也從其他學(xué)科分支中借用或引用了不少成果。例如

現(xiàn)代航天技術(shù)中的高速高溫氣流往往伴有復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，不

用物理、化學(xué)的知識是不行的。近代力學(xué)的多種實驗手段是建立在近

代光學(xué)、電子學(xué)及計算機等學(xué)科的基礎(chǔ)上而不斷發(fā)展的。又如量子力

學(xué)的發(fā)展，大大促進了數(shù)學(xué)物理方法的發(fā)展，力學(xué)從中也受益不小。

因此，力學(xué)工作者也應(yīng)密切注視其他學(xué)科的發(fā)展，從中吸取新思想、

新理論及新方法。

力學(xué)發(fā)展的歷史充分說明：力學(xué)同物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科一樣，是

一門基礎(chǔ)科學(xué)，它所闡明的規(guī)律帶有普遍的性質(zhì)；力學(xué)又是一門技術(shù)

科學(xué)，它是許多工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)，又在廣泛的應(yīng)用過程中不斷得

到發(fā)展。力學(xué)既是基礎(chǔ)科學(xué)又是技術(shù)科學(xué)這種二重性使力學(xué)家感到自

豪，他們?yōu)闇贤ㄈ祟愓J識自然和改造自然兩個方面作出了貢獻。1.1力學(xué)發(fā)展的回顧10第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日中國的力學(xué)家在近代力學(xué)的發(fā)展中曾經(jīng)作出過卓越的貢獻，作為應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的代表人物，錢學(xué)森對空氣動力學(xué)的發(fā)展起了重要作用，推動了航空、航天技術(shù)的發(fā)展，他給出了亞聲速流動的卡門-錢學(xué)森近似，對高速飛行體的表面加熱機制提供了流體力學(xué)分析，他還提出飛機薄殼結(jié)構(gòu)非線性屈曲失穩(wěn)的理論，他在火箭與航天領(lǐng)域提出了若干重要概念，如提出并實現(xiàn)了火箭助推起飛裝置，提出了火箭旅客飛機、核火箭、噴氣式航天飛機等概念的設(shè)想。郭永懷和錢學(xué)森合作在跨聲速流動問題中提出了判斷激波是否出現(xiàn)的上臨界馬赫數(shù)的概念。1.2我國力學(xué)研究的狀況11第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日

郭永懷又將邊界層方法同變形坐標法結(jié)合起來形成有名的PLK方法，發(fā)展了奇異攝動理論。周培源堅持研究湍流理論這個基礎(chǔ)難題達半個世紀之久，奠定了國際上稱為“湍流模式理論”的基礎(chǔ)，也被譽為“現(xiàn)代湍流數(shù)值計算的奠基性工作”。錢偉長提出板殼統(tǒng)一內(nèi)稟理論，并提出了求解薄板大撓度問題的攝動解法。這里也應(yīng)提到華裔科學(xué)家的貢獻。林家翹發(fā)展了流體運動穩(wěn)定性理論，提出湍流相似譜的普遍理論，并且創(chuàng)立星系螺旋結(jié)構(gòu)的密度波理論，促進了星系動力學(xué)的發(fā)展。馮元楨開創(chuàng)了生物力學(xué)，在肌肉的力學(xué)性質(zhì)、微循環(huán)理論和肺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析等方面都做了開創(chuàng)性工作，為當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)工程的出現(xiàn)作出卓越貢獻。1.2我國力學(xué)研究的狀況12第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日建國后不久，我國在中國科學(xué)院數(shù)學(xué)所建立了力學(xué)研究室，在北

京大學(xué)建立了數(shù)學(xué)力學(xué)系。1956年成立中國科學(xué)院力學(xué)研究所，在我

國的科學(xué)技術(shù)發(fā)展十二年遠景規(guī)劃中力學(xué)被正式列為一級學(xué)科，不久

又創(chuàng)建了中國力學(xué)學(xué)會，并相繼在高等學(xué)校中，設(shè)立了數(shù)學(xué)力學(xué)或工

程力學(xué)系。在多數(shù)工業(yè)部門成立了以力學(xué)研究為主的研究所或研究室。

最初展開研究的分支學(xué)科為彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流體力學(xué)和一般力

學(xué)。力學(xué)研究所的成立和全國科技發(fā)展規(guī)劃的制訂標志著學(xué)科建設(shè)的

一個重要時期，那時相繼開展了振動及流固耦合振動、地震工程力學(xué)、

空氣動力學(xué)、激波管技術(shù)、物理力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)、水動力學(xué)、電

磁流體和等離子體動力學(xué)等分支學(xué)科的研究，建立了相應(yīng)的研究室

（組），并著手建設(shè)實驗室。同一時期，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)與水力學(xué)、

泥沙動力學(xué)得到新的發(fā)展，并在中國科學(xué)院和一些工業(yè)部門成立了巖

土力學(xué)、滲流力學(xué)等研究機構(gòu)。60年代，又創(chuàng)立了爆炸力學(xué)。從此我

國的力學(xué)學(xué)科有了比較完備的學(xué)科體系，而且具有我國的特色，特別

是物理力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)、爆炸力學(xué)在國際上也是最早或較早的開

展研究的學(xué)科。1.2我國力學(xué)研究的狀況13第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日那時，力學(xué)研究的重點主要圍繞航天技術(shù)、抗震工程、爆炸與抗爆工程、土建與水利建設(shè)，并取得一批重要的應(yīng)用性研究成果。我們在國內(nèi)自行研制的計算機的基礎(chǔ)上發(fā)展了計算力學(xué)。理論工作的成就主要有錢學(xué)森的工程控制論、周培源領(lǐng)導(dǎo)的湍流、錢偉長領(lǐng)導(dǎo)的板殼大變形攝動法和胡海昌的廣義變分原理。本世紀60年代至70年代初，國內(nèi)、國外的學(xué)術(shù)交流幾乎處于完全停頓狀態(tài)。國外早已形成的斷裂力學(xué)直到1976年力學(xué)學(xué)會大力提倡之前，只有極少人熟悉。70年代初，經(jīng)國外學(xué)者引導(dǎo)，我國學(xué)者才著手研究星系的結(jié)構(gòu)和其他有關(guān)宇宙氣體力學(xué)的問題、孤立波理論和生物力學(xué)，并重新開始探討本來我國科學(xué)家就有重要貢獻的奇異攝動法，逐步打破了閉關(guān)自守的局面。1.2我國力學(xué)研究的狀況14第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日1978年全國力學(xué)規(guī)劃是我國力學(xué)學(xué)科建設(shè)的又一個重要的里程碑。力學(xué)再次被確認是一級學(xué)科，它既是一門基礎(chǔ)科學(xué)又是一門應(yīng)用極廣的技術(shù)科學(xué)，是許多工程技術(shù)與一些其他自然科學(xué)的基礎(chǔ)。除過去已提出的分支學(xué)科外，一些新的重要的分支被列入規(guī)劃，其中包括斷裂力學(xué)、理性力學(xué)、流變學(xué)、生物力學(xué)、計算力學(xué)、實驗力學(xué)、地球構(gòu)造動力學(xué)、地球流體力學(xué)等。全國力學(xué)規(guī)劃提出了14個重點課題，其中第1和第2個就是材料的強度理論和湍流理論。應(yīng)當(dāng)說這樣的安排代表了當(dāng)時的先進的思想，后來的實踐充分說明它是十分有遠見的，符合當(dāng)代力學(xué)發(fā)展的總趨勢。規(guī)劃也充分注意到了既要重視基礎(chǔ)研究也要重視廣泛的應(yīng)用研究，提出了宏、細、微觀相結(jié)合的發(fā)展道路。這個規(guī)劃歷時一年，動員了幾乎全國所有的力量。1.2我國力學(xué)研究的狀況15第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日從此我國力學(xué)學(xué)科門類相當(dāng)齊全，趕上了世界發(fā)展的格局。一些

新的分支學(xué)科得到迅速發(fā)展，國際交流增加了，我國新一代的學(xué)者走

上國際舞臺。我國在泥沙運動方面的工作是先進的，在計算空氣動力

學(xué)，計算結(jié)構(gòu)力學(xué)，實驗空氣動力學(xué)，斷裂力學(xué)，爆炸力學(xué)等研究的

某些方面是有特色的。我國在材料力學(xué)性質(zhì)，斷裂與損傷研究方面有

了較好的開端，在力學(xué)與天文，地學(xué)，生物結(jié)合方面都有所前進，此

外力學(xué)也進入了一些新的工作應(yīng)用領(lǐng)域，如海洋工程，環(huán)境工程，反

應(yīng)堆工程。

從那時以來，力學(xué)界的國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流變得很活躍，在國際學(xué)術(shù)

機構(gòu)占有一席之地，在取得上述成就的同時，應(yīng)該指出，雖然在個別

點上，我們的工作不亞于甚至超過國外，但是就總體及影響的深遠程

度來說，與國際先進水平的差距還不小，對此需要有充分的認識。同

樣是一級學(xué)科，力學(xué)得到的重視不如其他的一級學(xué)科。這些年來，物

質(zhì)投入不足，新生力量匱乏，嚴重約束了力學(xué)的發(fā)展，造成力量難于

集中、高水平成果較少，學(xué)科間的交流不暢，這些嚴重阻礙力學(xué)發(fā)展

的因素應(yīng)當(dāng)引起重視。1.2我國力學(xué)研究的狀況16第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日從前面對力學(xué)發(fā)展過程的回顧可以清楚地看到，力學(xué)是隨著人類認識自然現(xiàn)象和解決工程技術(shù)問題的需要而發(fā)展起來的；力學(xué)又的確對認識自然和解決工程技術(shù)問題起著極為重要甚至是關(guān)鍵的作用。當(dāng)前，人類面臨一系列重大問題需要解決，其中有些問題對于我國說來更顯緊迫，諸如：糧食不足，水、土資源短缺，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，能源短缺、利用效率低，交通運輸緊張，氣象和地震等自然災(zāi)害的預(yù)報及防治等，繼續(xù)不斷提出新的力學(xué)問題，有賴于力學(xué)的新發(fā)展去解決。在許多重要高技術(shù)領(lǐng)域與國際先進水平差距日益增大，同樣需要力學(xué)界作出努力。1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向17第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日我國人均耕地面積較小，水源不足，水土流失嚴重，工業(yè)發(fā)展不

注意生態(tài)環(huán)境的保護，這方面存在眾多力學(xué)問題要求解決。影響農(nóng)作

物的生長的一個關(guān)鍵因素是體液的輸送，闡明水自根到葉而糖份從葉

到全身的輸運機制，及各部分在生長各階段對液體的需要，對內(nèi)因和

外因各參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)節(jié)，可以達到消耗最少而收獲最多的目的。

需要把植物和它生長的環(huán)境，即土壤、空氣和陽光看作一個系統(tǒng)，統(tǒng)

一研究這一系統(tǒng)的質(zhì)量和能量的轉(zhuǎn)換和傳輸，有助于改善區(qū)域種植的

管理和發(fā)展。要加強對水源、土壤和空氣中污染物質(zhì)輸運及對污染源

控制的規(guī)律的研究。要研究植物在一般和特殊環(huán)境下的強度。如果我

們能作好以上幾項研究，可以設(shè)想在不久的將來我們將會有一個更為

經(jīng)濟、健康的綠色產(chǎn)業(yè)(包括綠色農(nóng)業(yè)和綠色工業(yè))和生態(tài)環(huán)境，既提

供我們足夠的農(nóng)產(chǎn)品，也為我們創(chuàng)造一個衛(wèi)生和優(yōu)美的生存環(huán)境。1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向18第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日解決能源危機的根本途徑是尋求和開發(fā)干凈的再生能源，并應(yīng)千

方百計地降低能耗，包括可控?zé)岷朔磻?yīng)、太陽能、地?zé)?、生物質(zhì)能、

風(fēng)能、潮汐能等。在煤的清潔燃燒和利用，可控?zé)岷朔磻?yīng)作為未來能

源的工業(yè)化等主要領(lǐng)域里，力學(xué)特別是流體力學(xué)可以大有作為。開發(fā)

太陽能和地?zé)岬囊粋€關(guān)鍵是提高集熱、隔熱材料性能和循環(huán)系統(tǒng)的傳

熱、傳質(zhì)性能，研究生物發(fā)酵，氣化中的反應(yīng)、擴散及氣化過程是加

速實現(xiàn)開發(fā)生物質(zhì)能的中心課題，建筑行業(yè)中需要高效的保溫材料和

傳熱系統(tǒng)，其中也存在諸多力學(xué)問題。

近年來，復(fù)合材料(包括陶瓷、聚合物和金屬)、納米材料、功能

材料等新型工程材料不斷被開發(fā)出來。材料的合成和制備或材料的變

形、破壞、壽命等性能涉及眾多的宏觀與細觀的力學(xué)過程及其與熱學(xué)，

甚至還與電學(xué)過程相結(jié)合的研究課題，這里需要力學(xué)界提出創(chuàng)新的概

念，以最終達到設(shè)計新型優(yōu)質(zhì)材料并且提出新的加工制造方案。1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向19第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日交通運輸是阻礙我國經(jīng)濟高速發(fā)展的一大“瓶頸”，為在短期內(nèi)

趕上發(fā)達國家的水平，急需研制和建設(shè)大型超聲速客機、高速列車、

新型船艦及水面效應(yīng)飛行器、高速公路、大型橋梁和隧道等。這些大

型工程中存在一系列流體力學(xué)、固體力學(xué)及流固耦合的問題，需要新

構(gòu)思和新途徑，提出科學(xué)和優(yōu)化的設(shè)計和制作方案。

我國地域遼闊，每年自然災(zāi)害頻發(fā)，為了改進天氣預(yù)報，了解地

震發(fā)生機制，掌握泥沙和風(fēng)沙遷移、土壤侵蝕以及泥石流和滑坡等的

規(guī)律，需要針對氣象與地學(xué)特點，推動力學(xué)與大氣和海洋科學(xué)以及與

地學(xué)的進一步結(jié)合，構(gòu)筑新的模型和理論。

力學(xué)與高技術(shù)的發(fā)展始終緊密相連，過去力學(xué)研究在發(fā)展以兩彈

為代表的尖端技術(shù)中發(fā)揮了極其重要的作用。當(dāng)前，在發(fā)展高性能飛

機、高能束流武器、動能武器、微重力科學(xué)技術(shù)、微型機械、超聲速

燃燒技術(shù)、空間垃圾的防治等，力學(xué)仍要發(fā)揮舉足輕重的作用。1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向20第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日隨著科學(xué)與社會的飛速進步，各國政府均把提高人民健康和生活

質(zhì)量提到前所未有的高度，在執(zhí)行這一光榮的歷史使命中，發(fā)展生物

力學(xué)具有重要的意義。一方面這關(guān)系到前面談到的興建綠色產(chǎn)業(yè)和創(chuàng)

造衛(wèi)生而優(yōu)美的生存環(huán)境；另一方面，可以直接服務(wù)于生物醫(yī)學(xué)工程，

為人類健康做出貢獻。

力學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，在學(xué)科的發(fā)展中提出了一系列具有根本性

和共性的問題。這些問題的研究和解決不只是為了解決當(dāng)前局部的工

程技術(shù)問題，而是為了更全面徹底地解決眾多工程技術(shù)和自然科學(xué)中

的根本問題，而且必將為推動科學(xué)技術(shù)全面發(fā)展創(chuàng)造條件。眾所周知，

最突出和最普遍的兩大基礎(chǔ)難題是湍流機制以及固體的本構(gòu)關(guān)系和破

壞機制。1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向21第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日

絕大多數(shù)的流動取湍流的形態(tài)，目前計算這類問題都帶有經(jīng)驗的

成分，方法帶有局限性和盲目性而缺乏預(yù)測能力，因為湍流直接關(guān)系

到航空、航天、水運、天氣預(yù)報、海流預(yù)報、化學(xué)反應(yīng)器、水利、環(huán)

境以至天體和宇宙中的流動等等眾多領(lǐng)域，湍流研究的任何進展都有

全局意義，都會在廣闊范圍內(nèi)得到好處。近年來圍繞實驗中發(fā)現(xiàn)的相

干結(jié)構(gòu)展開了理論研究，直接數(shù)值模擬也有很大的進展。確定性問題

中混沌現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究給人們帶來新的啟迪，有可能從探討時空混

沌的演化的角度推動湍流研究的進展。

固體材料的實際強度和目前的理論強度相差一至二個數(shù)量級。這

個矛盾曾推動位錯、裂紋等重要物理、力學(xué)理論的建立，然而至今這

個根本矛盾依然存在。需要應(yīng)用宏、細觀相結(jié)合的方法研究變形局部

化、損傷乃至斷裂的演化機制，進一步的問題是如何將不同性能和功

能的材料配置在一起，形成多種物理和力學(xué)性能和功能的優(yōu)化組合，

促成材料設(shè)計科學(xué)的形成與發(fā)展。同時，研究材料加工工藝過程中的

力學(xué)機理，逐步達到運用計算機精密控制材料制備和構(gòu)件精細加工制

作的目的。1.3力學(xué)發(fā)展的趨勢和重要方向22第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期日一般力學(xué)中的重要基礎(chǔ)問題是非線性動力系統(tǒng)理論，它是目前方

興未艾的非線性科學(xué)的重要組成部分，在分析運動穩(wěn)定性、分岔、非

線性振動、混沌等方面對整個力學(xué)的發(fā)展以及其他很多學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)

生影響，也會推動復(fù)雜的運動機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機器人技術(shù)等的

進步。

學(xué)科的交叉與滲透對科學(xué)和技術(shù)的推動起巨大的作用，如物理力

學(xué)說明極端條件下的材料性質(zhì)及新材料設(shè)計原則；等離子體力學(xué)指導(dǎo)

托卡馬克及說明天體現(xiàn)象；爆炸力學(xué)除了揭示材料和結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形

和破壞規(guī)律，一個新方向是研究松散或多孔介質(zhì)的動態(tài)變形破壞和流

動耦合的運動規(guī)律。展望21世紀，這種學(xué)科的交叉必將進一步加強。

這里特別要強調(diào)注意發(fā)展三個交叉領(lǐng)域，它們是力學(xué)與生命科學(xué)的交

叉、力學(xué)與地學(xué)的交叉以及物理力學(xué)，我們認為這三個方面將在21世

紀有重要發(fā)展和重大影響。

力學(xué)與地學(xué)結(jié)合的研究重點是：①地球動力學(xué)，中心問題有：板

塊運動的驅(qū)動力來源，地幔對流理論，地震機制；②環(huán)境與災(zāi)害力學(xué)，

包括污染物的運移、氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機制和預(yù)報；③土巖

的變形、流