中国力学的发展

本文回顾了力学学科的历史,从古至今的重要发展,特别是20世纪初的边界层理论和航空航天技术对力学的推动。力学在航空、航天、生物力学、环境工程等多个领域发挥了关键作用。中国力学研究在钱学森等科学家的贡献下取得显著成就,但与国际先进水平仍有差距。未来,力学将在解决粮食、能源、环境等问题以及生物力学、新材料开发等领域发挥更大作用。

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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 力学学科的战略地位            1.1 力学发展的回顾      1.2 我国力学研究的状况      1.3 力学发展的趋势和重要方向------------------------------------------------------[size=4]    1.1 力学发展的回顾[/size]            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。[B]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,[/B]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20世纪初。[B]最突出的成就是流体力学中边界层理论的提出[/B]。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[B]普朗特[/B] (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[B]普朗特、冯·卡门(T.von K

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