自然科学学科发展战略调研报告-力学

1、力学自然科学学科发展战略调研报告前 言 力学具有很强的基础性，又有广泛的应用性。力学的基础研究，不断深化和丰富人类对基本自然规律的认识，不断为其他学科的发展提供认识工具。目前，力学正在突破经典的力学概念和范畴，进入一个新的发展阶段。力学的物理内容在深化，力学在与其他学科交缘处迅速发展。力学从认识论的前沿，跨越自身的一些重大问题和学科的新生长点，直到构筑新技术、高技术的根基。形成一个相当宽阔的研究带。国内外对力学都很重视，学术活动频繁，学术组织林立。美国、日本把力学和材料视为交叉研究领域，俄罗斯把力学当作带头学科，我国则把力学作为七大基础学科之一。随着冷战的结束，随着我国从社会主义计划经济向社会

2、主义市场经济的重大体制转变，力学又面临着新的挑战和新的机遇，力学需要重新规划自已、发展自己。力学发展战略研讨工作，侧重于基础学科方面。在国家自然科学基金委员会的统一部署下，于1990年7月在山东威海召开的学科评审组会议上正式开始。会上，确立了战略研究的总体构思，本着学科发展战略调研报告应具有权威性、预见性和可操作性的精神，成立了以中国科学院郑哲敏院士为组长、黄克智院士、周恒院士和中国工程院黄文虎院士为副组长的研究组。国家自然科学基金委员会副主任、中国力学学会理事长、中国科学院王仁院士光临会议，共同商讨。研究分两个阶段四个方面进行：第一阶段从1991年开始，由黄克智院士率领，对固体力学进行发展战

3、略研究；由周恒院士率领，对流体力学进行发展战略研究；由黄文虎院士率领，对一般力学进行发展战略研究；由郑哲敏院士率领，对力学的交叉学科进行发展战略研究。第二阶段从1994年开始，在上述四个方面的研究基础上，由郑哲敏院士主持形成整个力学学科的发展战略报告的总体构想。第一阶段的工作，是国家自然科学基金委员会的力学发展战略研究组、中国力学学会和中国科学院非线性连续介质力学开放实验室等单位联合组织实施的。在周恒院士的主持下，于1990年10月和1992年2月召开了两次“非线性流体力学研讨会”，先后有35位专家(人次)参加会议。会上的24个邀请报告，收集在现代流体力学进展和现代流体力学进展(II)(科学出

4、版社出版)里。在黄文虎院士的主持下；1993年7月召开了“一般力学(动力学、振动及控制)发展与展望学术讨论会”，由42位专家(人次)提供了25篇专题报告，汇编为一般力学(动力学、振动和控制)的最新进展，由科学出版社1994年出版。在黄克智院士主持下，于1990年11月和1992年12月召开了两次“固体力学发展趋势研讨会”，由36位有关专家分工撰写了综合报告19篇，这些报告汇编为固体力学发展趋势，由北京理工大学出版社1994年出版。由朱兆祥等四位教授负责，于1991年8月召开了“材料和结构的不稳定性研讨会”，邀请了16位专家作了学术报告，汇编为材料和结构的不稳定性论文集，由科学出版社1994年出

5、版。郑哲敏院士主持的力学的交叉学科涉及的内容广泛，尽管有关交叉学科的发展战略报告已经成文，如爆炸力学等，但因各学科多从自身的角度论述，而没有统一在一起，形成正式出版物。第一阶段的学科发展战略研讨工作，通过郑哲敏等四位院士的影响和带动，使力学界相当一部分学术造诣深厚，且在研究第一线工作的专家学者参与研讨，为第二阶段的工作奠定了良好的基础。第二阶段的工作是从1994年7月在哈尔滨召开的学科评审组会议开始。在那次会议上，首先请了周恒院士、黄文虎院士、杨卫教授和唐立民教授等开始对整个力学学科发展战略报告的正式文稿进行起草，会上周恒院士初步完成了“力学发展的回顾”和“流体力学”部分、杨卫教授初步完成了“

6、固体力学”部分、黄文虎院士初步完成了“一般力学”部分的起草工作等。1995年初，研究组又征集了郑泉水教授关于理性力学的材料，谢和平教授关于岩石力学的材料，伍小平教授关于实验力学的材料，大连理工大学关于计算力学的材料等。1995年年底，将上述材料连同原来谈庆明研究员提供的有关爆炸力学的材料，崔季平研究员提供的有关物理力学的材料，柳兆荣教授提供的有关生物力学的材料，徐复和陈允明研究员提供的有关电磁流体力学的材料和李家春研究员提供的有关环境流体力学的材料等，由杨雷高级工程师串在一起，组织打印为“力学学科发展战略调研报告”的初步讨论稿。1996年初，由郑哲敏院士和黄克智院士组织杨卫教授、郑泉水教授、谈

7、庆明研究员、郭文海副研究员等进行初步加工，形成初步的框架。接着召开了研究组全体人员会议，提出了一些原则性的修改意见，并确定由谈庆明研究员为整个报告的统稿人；进行深入细致的进一步加工。之后，郑哲敏院士编写了摘要；又请王仁院士、李家春研究员、朱如曾研究员、陆启韶教授、王文标教授等补充了有关的材料，并按照“调研报告”的出版要求，进行了再加工。在郑哲敏院士的主持下，又召开了几次在京研究组成员会议，进行讨论；并书面征求了京外研究组成员的意见，1996年4月基本定稿。王仁院士首先进行了通篇审读和修改。同年5月送同行专家进行评议，除力学界的同行专家外，还送请数学界、物理界和工程界的专家进行评议。根据同行专家

8、返回的意见，又逐一进行了修改，形成了送专家评审会议的正式书稿。以王仁院士为组长的评审组于1997年4月1718日对“调研报告”进行了认真细致的评审。评审组认为研究组“完成了一份高质量的调研报告。该调研报告从科学技术发展历史的角度，阐明了力学在自然科学中的战略地位，以及它对国民经济和社会发展的巨大推动作用。调研报告对国内外力学研究现状和发展趋势作了深入分析和高度的概括。”“调研报告既有学术深度，又有战略高度。所引用的资料准确，对力学学科未来十年的发展机遇作了比较明确的预测，提出了实现战略目标的相应措施。”“结合我国国情，提出了优先发展领域和中近期发展目标，是一项既有重要学术价值又有很好指导意义的

9、研究成果。”力学学科发展战略调研报告是部分力学工作者在充分调研基础上的集体构思。在此，我们谨对一直关心和支持该项工作的白以龙院士，对曾给予该项工作以支持和帮助的专家和有关单位表示衷心感谢。对书中不足或不当之处，欢迎读者指正。国家自然科学基金委员会数理科学部靳征谟 1997年5月100摘要 本报告指出了力学的科学地位以及它对国民经济和社会发展的紧密作用，论述了力学的战略地位、意义及作用；论述了当前力学发展和研究方法的特点；从四个分支学科方面分析论证了当前国内外力学研究领域的现状和发展趋势，提出了优先发展的领域；结合我国情况建议了中近期的战略目标和应采取的措施。 一、力学学科的战略地位 力的作用与

10、物质的运动是自然界和人类活动中最基本的现象。这正是力学学科研究的对象，从而也奠定了力学在自然科学中的基础地位。力学经过开普勒、伽利略，由牛顿集其大成，成为一门精密的科学。它在定量描述天体动方面起了巨大的作用，并导致了微积分的建立。继而经由欧拉、拉格朗日、哈密顿等将质点系和刚体力学发展成从内容到形式都十分完善的理论体系。与此同时，欧拉、纳维、斯托克斯等建立了描述连续介质变形与运动的弹性力学和流体力学的基本框架。以上这些成就成为精密自然科学发展的典范，极大地推动了数学、天文学和经典物理的进展，至今仍起着重要的作用。在当时，由于受到生产力水平以及实验与计算能力的限制，虽然力学对于工程应用起着基础的作

11、用，然而力学理论的应用价值远远没有得到充分的发挥。20世纪初是近代力学发展的重要时刻。科学界有识之士，特别是在当时的哥廷根大学(现已改名为格丁根大学)，认识到科学对推动工业发展的巨大潜力，竭力促成与工程的结合。本世纪初，力学取得突破性成就，那就是普朗特的边界层理论，它使虽已有基本框架但实际难以应用的理想流体力学理论取得了应用价值，解释了困惑人们多年的难题。以此为契机，20世纪力学进入了以应用力学为重要标志的蓬勃发展的新阶段。力学研究遍及各种工程和许多自然科学领域，出现了多种新的力学分支学科，对科学和技术的进步、社会经济的发展起了难以估量的促进作用。重要的例子有：有的历史学家已经把20世纪初美国

12、从欧洲引进空气动力学家从事航空科学的研究作为当代社会把现代产业建立在科学基础上的首例；核武器离开了冲击波的理论是难以想象的；力学的理论使人们能在地震多发区建造高层建筑；断裂力学从根本上改变了结构和构件的强度设计和安全评定的概念，大大提高了材料使用的效率；力学家和数学家一起创立了有限元法，各种差分方法，形成了计算力学并促进了计算数学和计算机的发展；流体力学家和气象学家、海洋学家一起创立了数值天气预报和地球物理流体力学等等。与此同时，力学的理论也有突出的进展：大变形的几何理论业已完善，并在与近代热力学理论结合上有重要进展；力学的基础正在从宏观向细观和微观延伸，从单一的均匀介质向非均匀、多相介质延伸

13、。力学界多年来一直重视非线性问题的研究，其中包括各种分岔，稳定性问题，非线性振动和非线性波问题，开创了奇异摄动法，为非线性科学的创建作出了十分重要的贡献。混沌现象最初来自被简化了的流体力学方程，后来被证明有普遍性，即由非线性确定性方程可以得出几乎是完全随机性的结果。这不仅从根本上改变了人们对牛顿力学的看法，说明经典力学的内涵远未被充分认识，并且也深深影响了人们的自然观。综上所述，力学学科本世纪取得了巨大的进展，向人们证明它不仅是一门发展中的基础科学，也是一门应用极其广泛的技术科学。实践表明，要使力学蓬勃发展，必须在基础研究上扎得深，同时在应用上与其他学科及工程技术保持十分紧密的联系。二、力学的

14、发展总趋势（一）致力于力学界公认的几个基本力学现象与规律的研究研究这些问题具有普遍和重要的意义，代表着当今力学研究的前沿，其研究进展不仅会加深人们对力学运动规律的认识，包括丰富非线性科学的内容，而且有助于大批实际问题的解决。概括地说，力学在基本理论方面将着重研究：）湍流运动的各种表现与机理以及复杂流场中涡系的生成及演化机理。 ）固体介质的本构、破坏或失效理论。）传统连续介质力学的改造，使之能够正确刻划具有非均匀、多相、多尺度、有宏、微、细多层次结构的天然或人造流体与固体的力学性质与变形、破坏和流动的规律。 返回 （二）将继续以应用基础研究为重点，同时大力发展应用力学相对于工程而言，以往力学界着

15、重于为设计提供概念和方法，着重于研究部件，着重于研究正问题，较少涉及工艺与制造中的理论问题，较少涉及系统(如整个飞机的气动力、结构、控制系统的耦合)，较少涉及像优化那样的反问题。情况之所以会这样，从根本上说是因为在客观上受计算能力的限制。随着计算能力的提高和新需要的出现以及计算力学的发展，这种情况将会逐步得到改善，使各类研究工作达到良好的有机平衡。还可以预期，力学除了将继续在航空、航天、机械、土木、水利、化工、交通运输等传统领域发挥为之提供基础理论与工具的作用外，也将在生命、材料、能源、环境、高技术领域发挥愈来愈大的作用。20世纪中，一些以往限于定性描述、推理和做出判断的自然科学领域，逐步实现

16、了定量化，这是所有科学发展的必由之路。数值天气预报，地震科学(早在19世纪)中的弹性波都是成功的例子。由于这些领域牵涉众多的力学现象，所以力学工作者的参与是有益的，甚至是必需的。在地球科学，环境与生态和防灾、减灾工作中这样的问题很多，可以预期力学界将会在这些领域做出自己应有的贡献。力学界参与天文物理、凝聚态物理、微重力科学等相邻领域的研究工作，也将是有益的。20世纪，力学界大规模参与生物方面研究，形成了现已得到普遍承认的生物力学，并为促成生物医学工程作为一个独立的工程专业，做出了重要的贡献。2l世纪，生物力学将会有更大的发展，并在生物医学工程领域内产生重要的实际效果。总之，力学学科的战略地位，

17、要求它更深入地介入到更多的工程和自然科学领域中去。 （三）21世纪国民经济和社会发展对力学提出的新要求如何解决可持续发展的总问题是世界性问题。这是力学界应该十分重视的问题。我国人口多，人均资源少，经济必须发展，但不能以牺牲生态环境，破坏资源为代价。所以可持续发展对我国来说更为紧迫。解决这个问题要靠科学技术，力学也在其中，而且大有可为，因为不可避免地要同空气、水或其他各式各样的流体的运动(如对流、扩散、减阻)打交道，要同各式各样的固体打交道(譬如说，如何保证结构安全，如何提高切削和成型效率等等)。力学界的目标，不能只限于解决一个个局部性的问题，一定要瞄准可持续发展这个总目标。这里有一个很好的经验

18、可以借鉴。远在本世纪初，就有一批有识之士和力学家把航空作为一件大有前途的事业来抓。这需要远见与勇气，因为在那时谁也不知道超音速飞机能否实现，声障问题、热障问题能否解决，更不用说今天已经实现的航天飞机，宇宙探测器，土星大气层的探测，以及当今航空航天工业的规模了。可以预见，在可持续发展的目标下，不能只看到由于环保需要所引起的成本上涨，而是应当意识到，它意味着新的科学理论，新的技术，新的产业，新兴工业，以及新的就业机会。力学家把这看做是自己的战略任务，像前辈一样，要有超前的意识，介入的意识，敢于承担风险的意识。这样，力学就站到了它应处的一个重要战略地位上了，沿着二三十年代力学界的前辈所开创的道路继续

19、前进。三、分支学科力学学科有许多分支学科，国际上也并无统一的分法。在我国大学的力学或工程力学系中，通常都设一般力学、固体力学和流体力学三个专业。它们是按研究对象分的，一般力学研究的对象是质点系、刚体及离散系统，固体力学和流体力学分别研究有固体变形和流体流动的力学问题。除了以上三门力学分支以外，在一些学校，许多科研机构里，在我国历次学科规划中以及在国外，还有理性力学，岩土力学，地球动力学，空气动力学，高速气体动力学，稀薄气体力学，水动力学，弹性力学，塑性力学，流变力学，结构力学，板壳力学，爆炸力学，物理力学，化学流体力学，生物力学，地震工程力学，电磁流体力学，等离子体动力学，宇宙气体力学，微重力

20、流体力学，计算力学，实验力学等分支学科。在这份报告里为叙述方便，我们将按研究对象归类，而把力学归纳为一般力学、固体力学、流体力学和力学中的交叉学科四类分支学科，考虑到理性力学研究力学中带有共性的基础问题，我们把它放在一般力学门类中；而最后一门突出了力学与其他学科交叉的特点，虽然这并不表示前三个分支与其他学科就没有交叉；计算力学和实验力学的内容将密切结合上述四类分支学科进行叙述。下面就按这四个分支学科介（一）一般力学本节包括一般力学和理性力学两部分的内容。在我国，一般力学指有限自由度质点系或刚体系的动力学。在一些高等学校又称理论力学(theoretical mechanics)以有别于统称为连续

21、介质力学的固体力学和流体力学。前面提到过，一般力学的经典理论体系在上个世纪已臻完善。然而一直到本世纪60年代，人们才认识到一般力学中所讨论的长期被认为是典型确定性的牛顿力学经典问题，即使在很少几个自由度以及在非线性条件下，也可以出现完全不可预计的结果，就像掷硬币那样。这就是所谓混沌，一个现在正在进一步研究的领域非线性科学中的重要组成部分也是一般力学研究的一个新趋势。它的发展扩大了力学研究的领域，丰富了人们对力学运动规律的认识。对哈密顿系统的数学研究，特别在前苏联，十分深入。其主要成就表现在KAM定理，它也是非线性科学的重要组成部分，对非线性动力学的发展具有重大、深远的影响。本世纪一般力学的一个

22、重要应用领域曾经是在自动控制方面。这是因为电路系统(网络)和电机等器件与有限自由度力学系统在数学描述上是一致的，因而一般力学的原理和方法可直接用于解决自动控制中的许多重要问题。我国科学家曾是这一领域的开拓者（工程控制论，钱学森，1955)。我国一般力学工作者中的许多人还从事振动问题的研究，包括振动分析，模式识别，振动控制，故障诊断等。目前，一般力学已经超越了传统意义上的有限自由度的问题，而考虑到与柔性结构及与流体耦合在一起的情况了。这已经进入了与连续介质力学交叉的领域，是今后我国一般力学工作者将要进一步开拓的领域。理性力学是力学中的一个横断的基础分支，它用数学的基本概念和严格的逻辑推理，研究力

23、学中带共性的问题。理性力学在第二次世界大战后的最初20年内，基本上完成了关于连续统经典力学的综合整理和理性重构。60年代以来，理性力学不断发展，用统一的观点和方法研究固体和流体中的力学基础性问题，包括力学与热学、电磁学等耦合的问题，逐渐形成由原始元、基本定律和本构关系三部分组成的热力物质理论。今后的研究重点是和非平衡热力学相结合发展能反映材料内部损伤演化的本构和连续介质力学的框架体系。（二）固体力学这里讲的是广义的固体力学。固体力学是力学的一个重要分支，从事这方面研究工作的人数，在国内外力学界都是最多的。固体力学在20世纪有很大的发展。如果说上个世纪主要限于弹性力学的话，那么这个世纪，其领域有

24、极大的扩展，出现了许多分支学科，这里不一一叙述，只讲一些突出的进展与发展趋势。塑性力学在本世纪上半叶开始有较大的发展，它使结构力学建立在更为科学的基础上，并使金属的机械加工有了坚实的理论基础。 板壳的弹性理论，随着航空、航天工业的发展，已成为一门新的分支学科。它由线性理论发展成非线性理论，扁壳与圆柱壳的非线性稳定性理论，是这个世纪固体力学重大成就之一。它不仅可直接应用于轻型结构的设计，而且提供了一种新的数学分析手段，缺陷敏感的思想是力学家概念上的一个重大的突破，大大增强了力学家分析问题的能力。随着橡皮这样材料的出现，力学家面临大变形的问题。于是在本世纪中叶，出现了理性力学，它的一个重要目标是用

25、严格的数学与物理的原理，用普适的方法建立材料的本构关系。这个目标虽然目前尚未达到，但是理性力学已经为材料大变形的理论提供了相当圆满的几何描述。这种普适性的方法也同样适用于流体和流变体。如果说结构的需求曾是推动固体力学的动力，那么从本世纪上半叶开始，材料研究方面的需求一步步成为主要的动力。航天工业需要高强度材料，但它往往意味着小的韧性，于是材料断裂的问题突出了。为解决这个问题，力学家借鉴于格里菲思(AAGriffith)在玻璃方面的工作和弹塑性力学的成就，建立了断裂力学线弹性理论，并在这一基础上进而考虑塑性的影响。这个理论是力学在本世纪的一大成就，其影响难以估量。从此，带裂缝的材料不仅可以使用而

26、且可以判断它的寿命。这对结构强度设计在概念上带来极大的革新，因为传统的设计是基于完美无暇的材料的，而对其寿命只能按纯经验的方法做出估计。有了断裂力学之后，固体力学的分析不但讨论连续变形，也考虑物体的破坏，于是工程师可以更有把握地根据材料的真实情况设计和使用材料。这样的理论用于有微缺陷的材料(岩石、陶瓷等)，用于大变形，用于不断出现的新的工程材料，如复合材料，用于新出现的微型结构（如电子器件）就出现了更深层次的问题，于是出现了损伤力学这样的提法，出现了用宏、细、微观相结合的研究途径等，深入了解微观和细观层次上物质的性状和演化规律以求阐明宏观的本构特性。这就是当前固体力学(以及物理力学)进一步发展

27、的一个总趋势。结构力学也始终是固体力学研究的另一个大的课题。随着塑性理论、断裂力学和计算机的发展，力学家为工程师提供了十分有效的方法，那就是现在日趋成熟的计算结构力学或计算固体力学。力学家和数学家一齐提出并完善了有限元法，这个方法已经成为工程师们手中的一个随时可用的法宝来解决过去不可想象的复杂结构的应力和变形分析问题。力学家先于有限元法，提出了适应性更强的广义变分原理（胡海昌，1954），它使有限元方法有了更广泛的理论依据和更加灵活的手段。计算结构力学大大扩大了力学解决问题的能力，使之不限于局部的部件，而且能处理整个复杂系统(例如整个建筑物)。现在力学家正在为工程师提供更好的办法，那就是要使所

28、设计的结构达到最优化的程度。这是固体力学研究的另一个重要方面。固体材料和结构在冲击和动载作用下的响应与静载响应是不同的，粘弹塑性波的传播和引起的破坏是无损检测技术的重要理论基础，研究微、细观缺陷或损伤的演化也是研究断裂的发生、传播以及疲劳寿命的依据，已经引起力学界的重视。固体力学的上述发展，同时推动了固体地球物理学的发展，例如断裂力学的成果与概念被广泛应用于研究地震发生的机制与地震预报的研究。除以上提到的广义变分法外，我国力学工作者在固体力学的其他方面也有杰出的贡献，这里特别要指出的是板壳的内禀理论，板壳大挠度的摄动解法，以及薄壳的非线性稳定性理论。（三）流体力学概括起来说，流体力学研究液体和

29、气态物质在各种力作用下的动力学现象与规律，以达到可以定量预测的目的。除了最常见的水和空气，远到星系，近到我们体内的血液，都是流体力学研究的对象，它们有共性，都服从质量守恒、动量守恒和能量守恒的原理，多数可用连续介质模型。它们的个性表现在服从各自特有的本构关系和处于不同的力学环境中。20世纪流体力学研究的对象都是和突出的自然现象、物质生产、国防和生存环境有关的问题。它把本世纪前抽象而不实用的理论流体力学和实用而过分经验化，因而应用范围过于狭窄的水力学统一起来，建立了一门真正的科学。在20世纪里，流体力学家提出了边界层理论，解决了流体中物体所受的升力与阻力问题。空气动力学家建立了从亚声速、跨声速到

30、超声速流动的理论、冲击波理论，从而使喷气技术、火箭技术、超声速飞行、宇宙航行得以实现。边界层理论应用于船舰，连同水波理论，解决了船舰的航行阻力问题。在力学原理指导下，发展了先进的风洞和水洞实验技术，先进的测量技术。流体力学家在NS方程的基础上，建立了气动力声学的严格理论，其重要应用方面的成就之一是把喷气发动机的噪声水平降低了几个数量级。上个世纪末发现的湍流现象在本世纪从实验、解析和数值计算三个方面进行了十分深入研究，发现了充分发展了的湍流边界层的对数律，建立了各向同性均匀湍流的统计理论。在雷诺(平均)方程的基础上，发展了半经验的模式理论，被用来解决多种复杂的流动问题，除计算阻力、传热、传质问题

31、之外，还可以应用于湍流场对电磁波和声波的散射。例如用于化学工业中的反应器时，成倍地提高了化工生产效率。在天文、气象观测以及国防等方面均得到了重要应用。流体力学的理论应用于大气科学和海洋科学，取得了十分显著的成就，形成了一门新的重要交叉学科地球物理流体力学(GFD)。流体力学中奇异摄动法的出现和完善促进了数学的发展。流体力学家在流动稳定性、流场图案多层次演化、水面孤立波方面的研究促成了非线性科学的形成。孤立子理论来源于孤立波，而混沌的发现也始于流体力学的方程。虽然上面的简述还没有反映所有重要进展的全貌，但已经可以看出，流体力学本世纪的发展是巨大的。从发展趋势看，今后lO至20年，流体力学大体上会

32、沿以下方向发展：）在基础理论研究方面，湍流运动的规律将继续是注意的中心。三维流场测量技术，计算机直接数值模拟，理论模型的构筑，包括吸收与混沌运动有关的理论，将会有新的发展，虽然目前还不能指望这个问题能够得到完全令人满意的解决。湍流的应用理论仍会是以模式理论为主。湍流将继续是促进非线性科学发展的一个主要动力。）在传统的应用基础研究方面，大体会保持现有的势头，大多数流体力学家将继续在这些领域里工作，并且可以预期计算流体力学将会得到更为广泛的应用，以解决更大范围内的实际问题。这个大领域内存在一批有重要应用价值，而技术不过关，需要深入研究的问题。突出的例子如：超声速流中高效地使燃料与气流混合并实现稳定

33、燃烧，改进现有多相流理论使之更接近于实际等。）一些新的领域可能有大的发展，由于社会经济可持续发展的需要，环境流体力学将会是一门更加精深、系统、全面的学科。力学家转入与天文、地学、生命科学交叉的领域的势头会有所增强，并将受到鼓励。我国流体力学家曾对世界流体力学的发展做出过突出贡献。在空气动力学方面是系统而杰出的。在湍流方面，为模式理论的建立和发展提供了坚实的基础。（四）力学中的交叉学科由于生产的需要和科学的发展，力学中出现了许多交叉分支学科，它们是力学与其他学科交叉或力学内部主要分支学科交叉的结果。它们可以被看成是力学中的尖兵、触角，常常是很活跃的一部分，变化快、适应性强，有的会逐步成长，甚至独

34、立出去，像地球物理流体力学和宇宙气体力学已经做的那样，又像生物力学在美国已经衍生出生物医学工程而独立于其他工程学科那样，有的则会再回到力学的主要分支学科中去。它们对推动力学和科学技术的发展，常常会有很好的作用。它们又像是苗圃，应给予精心照料。物理力学是我国力学家钱学森于1950年提出，而在1956年在中国实现的。提出这一学科后，既被不少人接受，也有不同看法。但对力学工作者来说这个名称很确切，鲜明地说明它要达到的目的，即将物理中最新的研究成果，经过力学家的必要改造，用以解决工程中急需解决而用别的办法却又很难解决的问题。他当时所考虑的直接应用是计算火箭发动机内部的气动力学问题。到今天，在固体力学和

35、固体物理，以及材料科学方面也提出了同样的要求，提出要宏、细、微观相结合，这正是物理力学的精髓。爆炸力学既是固体力学与流体力学的结合，又是力学与凝聚态物理、等离子体物理、高压物理、化学的结合。它是国内于60年代提出的，在国内外已产生较大影响，并且还有一批重要问题需要研究和解决。我们在这份报告里，还根据我国的具体情况和力学今后发展的趋势，列入了生物力学、地球动力学与环境流体力学，它们突出了力学与生命现象、力学与地学相结合以及力学与社会经济持续发展相结合这样的重要趋势。出于类似的原因，我们还列入了电磁流体和等离子体动力学。在我国，这门学科被力学界用于发展宇宙气体力学；高温气动力学和等离子体工艺力学。

36、四、我国力学的发展与现状、战略目标与措施（一）我国力学的发展与现状力既然和人类生活及生产活动密切相关，在我国古代书籍中早就有关于力、内力、构件的承载能力等论述。东汉的郑玄(公元127200年)对“考工记弘”的注释中论述了力与变形成正比的关系，比西方胡克的发现早1500年。至于我国在高层建筑(高塔)、拱桥、金属管射击火器（西夏的铜炮）、火箭等方面都是居于当时世界前列的，都很巧妙地应用了力学原理。解放前和解放初期，我国的力学教学和科研主要附在工程学科，如几个著名大学的土木、机械、航空系；1926年著名力学家冯卡门曾访问过清华大学，后来介绍他的弟子在南昌为清华研究所建立了风洞（1937年）；茅以升等

37、在结构力学方面已有很深造诣，等等。不过，还没有专门培养力学专业人才的学校和专门研究力学的机构。新中国成立后不久，我国在中国科学院数学研究所建立了力学研究室，在北京大学建立了数学力学系。1956年成立中国科学院力学研究所，在我国的科学技术发展十二年远景规划中力学被正式列为一级学科，不久又设立了中国力学学会，并相继在高等学校中，设立了数学力学或工程力学系。在多数工业部门相继成立了以力学研究为主的研究所或研究室。最初展开研究的分支学科为弹性力学、塑性力学、流体力学和一般力学。力学研究所的成立和全国科技发展规划的制订标志着学科建设的一个重要时期，那时相继开展了振动及流固耦合振动、地震工程力学、空气动力

38、学、激波管技术、物理力学、化学流体力学、水动力学、电磁流体和等离子体动力学等分支学科的研究，建立了相应的研究室(组)，并着手建设实验室。同一时期，传统的结构力学与水力学、泥沙动力学得到新的发展，并在中国科学院和一些工业部门成立了岩土力学、渗流力学等研究机构。60年代，又创立了爆炸力学。从此我国的力学学科有了比较完备的学科体系，而且具有我国的特色，特别是物理力学、化学流体力学、爆炸力学在国际上也是最早或较早开展研究的学科。那时，力学研究的重点主要围绕航天技术，抗震工程，爆炸与抗爆工程，土建与水利建设，并取得一批重要的应用性研究成果。并在国产计算机的基础上发展了计算力学。理论工作的成就主要有胡海昌

39、的广义变分原理，周培源领导的湍流和钱伟长领导的板壳大变形摄动法。60年代到70年代初国内外的学术交流几乎处于完全停顿状态。国外早形成的断裂力学直到1976年力学学会大力提倡之前，只有极少人熟悉。70年代初，经国外学者引导，我国学者才分手研究星系的结构和其他有关宇宙气体力学的问题、孤立波理论，以及生物力学；并且重新开始探讨本来我国科学家就有重要贡献的奇异摄动法，逐步打破了闭关自守的局面。1978年全国力学规划是我国力学学科建设的又一个重要的里程碑。力学再次被确认是一级学科，它既是一门基础科学又是一门应用面极广的技术科学，是许多工程技术与一些其他自然科学的基础。过去已提出的分支学科外，一些新的重要

40、的分支被列入规划，其中包括断裂力学、理性力学、流变学、生物力学、计算力学、实验力学、地球构造动力学和地球流体力学等。全国力学规划提出了十四个重点课题，其中第一个和第二个就是材料的强度理论和湍流理论。现在看来，这是十分具有远见的安排，代表了一种先进的思想，符合当代世界力学发展的总趋势，也充分注意到了既要重视基础研究也要重视它的广泛应用，提出了宏细微观相结合的发展道路。这个规划历时一年，动员了几乎全国所有的力量。从此我国力学学科门类相当齐全，赶上了世界发展的格局。一些新的分支学科得到迅速发展，国际交流增加了，我国学者走上国际舞台。我国在泥沙运动方面的工作是先进的，在计算空气动力学、计算结构力学、实

41、验空气动力学、断裂力学和爆炸力学等研究的某些方面是有特色的。我国在材料力学性质、断裂与损伤研究方面有了较好的开端，在力学与天文、地学、生物结合方面前进了一步，此外力学也进入了一些新的工程应用领域，如海洋工程、环境工程、反应堆工程。从那时以来，力学界的国内外学术交流也很活跃，并在国际学术机构占有一席之地，在取得上述成就的同时，应该指出，虽然在个别点上，我们的工作不亚于甚至超过国外，但是就总体及影响的深远程度来说，与国际先进水平的差距还不小，对此需要有充分的认识。同样是一级学科，力学得到的重视，远不如其他的一级学科。因此这些年来，物质投入极其有限，有如九牛中之一毛，经费来源既少又没有基本的保证，以

42、至形成目前设备落后无力更新，而且新生力量十分匮乏的状况。力学的领域本来是十分广泛的，可以做出许多有益社会经济发展的贡献；但在我国，由于体制与习惯上的原因，部门之间、专业之间、行业之间壁垒森严，自成体系，互不沟通，已经达到十分严重的地步，严重地约束了力学的发展，研究力量分散，低水平，重复劳动，故步自封的现象比较严重，学术交流很难开展，甚至有些重要而有前途的研究领域，力学家应该参加却又无法介入。这些现象也同样存在于力学界内部。上述种种严重阻碍力学发展的现象应当引起有关领导部门的重视，采取切实措施，妥善解决问题。（二）战略目标与措施我们在这里提出近一二十年力学发展的战略目标，目标的提出基于以下考虑。

43、）力学将作为一级学科得到全面深入和规模适当的发展，基础研究与具有重大应用前景的应用研究要均衡地得到发展，并将它们列入自然科学基金支持的项目以内。国家已另有安排的项目，如、超级等以及国家自然科学基金委员会以外的国家部门专项支持的力学的应用不列入基金委自身支持的项目。列入的项目要精选，并保证超前性研究项目占有恰当比例，整个安排要符合稳住一头的要求。所谓“均衡”，指基础研究与应用基础研究投入的恰当比例，在国家自然科学基金委范围内，建议这个比例大体上以4:6为宜。这里所说的“力学的应用”是指应用目标明确，但方法上已成熟或科学上无新意的工作。）基金委的资助仍将分为两类，即面上课题以及重大和重点项目（课题

44、），这里所设的战略目标只涉及后者，而面上的自由选题不受此限制，但其资助原则可供参考。）这个战略目标是为整个基金委的，而不是为基金委内哪一个科学部。现在安排的力学研究项目实际属两个科学部分管，因此两个科学部的沟通是前提之一。进一步说，因为当代力学的研究实际上涉及基金委所有科学部，因此，基金委内部相互畅通、联合、协调是必要的前提。在我国现有基础上，充分考虑到我国情况和国际上的趋势，我们认为，中、近期的战略目标应当是：前五年先设立两个重大项目，分别支持湍流(流体力学)和材料变形与损伤的宏、细、微观机理(固体力学、物理力学、材料变形与损伤科学)，后者要侧重发展观察与测量技术和保证试验材料的供应。后五年

45、建议增设另两个重大项目，分别支持生物力学和有关保证社会可持续发展的力学课题。近、中期内每个五年内要支持不少于30个重点课题。近期可优先考虑：高速空气动力学中的前沿课题；一些有独特现象未得到解释又有很强应用背景的课题，如交叉学科(爆炸力学、岩土力学等)中，有关动态条件下松散或多孔介质变形、破坏与流体渗流的耦合运动规律；固体力学中材料加工与制造中前沿性工艺力学问题的研究；自然与工业灾害中的前沿性力学问题以及能源、环境、交通及大型机械装备中的关键力学问题等。与此同时，建议成立一个力学史研究组，在三年内，写出近百年力学史，作为向大众宣传力学和为力学界选择中、长期课题的一项先行工作，以利于从根本上扭转力

46、学学科当前所处的困难局面。建议以中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放实验室为依托，设立经常性的学术讨论会，并把力学发展战略纳入讨论内容。这样的讨论会应邀请相邻学科的专家和工业界人士参加。总之，我们的战略目标是在今后15年左右，使我国力学研究在主要领域内走上国际前沿，其标志不限于论文数量，而在于发现新现象，建立新理论，在于能提供具有尽可能广泛而先进的应用价值的研究成果。为此，我们认为以下措施是必要的：）提高高等学校中力学的教学质量，在条件较好的大学加强高级科研人才的培养。）创造条件以增加国际交流，吸收在国外工作的华人或外国人到中国从事合作研究。）会同国家有关部门建立研究基地，迅速扭转对力学

47、投入长期不足以致严重影响其发展的局势。这里指的是提供先进的实验条件，高性能的计算机，先进的信息系统，充足的图书期刊与足够好的工作与生活条件。）会同力学学会，采取主动措施逐步打通学科间的壁垒，扩大视野，改变力学界比较封闭的局面，进一步走向开放。从长远看力学界不仅要与工业界建立密切关系，而且要更多地介入与参与天、地、生，数理界的项目，扩大合作范围。1 力学学科的战略地位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

48、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。 1.1 力学发展的回顾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

49、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。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，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

50、组成部分，并促进了数学的发展。力学的大发展开始于本世纪初。最突出的成就是流体力学中边界层理论的提出。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。德国的普朗特 (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

51、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

52、普朗特、冯卡门(T.von Karman)、钱学森为代表的应用力学学派开创了一条工程和力学相结合的道路。他们先后提出和围绕“声障”和“热障”问题，展开了系统的研究，奠定了高速空气动力学和气体动力学的理论基础，从而也为超声速飞机、火箭和导弹的研制、设计和制造赋予严密和完整的基础，人们从此进入了喷气技术的时代，形成了今天的大规模的航空、航天产业。航天技术中一系列问题的解决，形成了高温空气动力学、稀薄气体力学、化学流体力学、物理力学以及断裂力学、损伤力学等一大批新兴力学学科。由于这些学科所取得的成就又被进一步广泛地应用于民用工业，促进了民用工业的发展，例如化学流体力学对化工、冶金，断裂力学对机械、交

53、通和建筑等。力学与工程紧密结合的倾向也在其他工程部门的迅速发展中得到反映，如与水利、采矿、高层建筑、金属加工、造船等工业结合，促进了土力学、岩石力学、塑性力学、水动力学等的发展。原子弹聚爆方案和引爆技术的提出归功于流体力学中的冲击波理论与量纲分析的运用。核武器的研制和发展，则与爆炸力学的形成和发展紧密相联。化学工业的迅速发展有赖于非牛顿流、多相流的力学研究，等等。上述情况充分说明力学与工程相结合的超前研究为新产业的形成起着奠基和催生的作用。20世纪下半叶、航天任务基本实现以后，力学家开始转向新的力学生长点，特别是在天、地、生方面取得丰硕成果。结合天体现象的研究，用磁流体力学研究太阳风的发生和发

54、展规律，用流体力学结合恒星动力学解释星系螺旋结构，用相对论流体力学研究星系的演化等取得了成果。力学家研究了生物的形态和组织，建立了生物力学，从而在定量生理学、临床诊断和检测分析、人工器官的设计和制造等方面取得成就，并业已形成一门新的生物医学工程。力学向地球科学渗透，在板块动力学、构造应力场、地震机制与预报及与之有关的反演等方面取得进展，并进一步推动岩石力学的研究。以上我们着重谈了力学与生产的关系。现在我们再来看看力学与整个科学的关系。力学原是物理学的一个分支。物理科学的建立是从力学开始的。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

55、。当物理学摆脱了这种机械唯物主义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身逻辑进一步演化，逐步从物理学中独立出来。由于各种运动形态往往同时出现，宏观运动与微观运动又有内在联系，力学与物理学存在着特殊的亲缘关系，许多概念、方法和理论都有不少相似之处。力学与数学是整个自然科学中发展得最早的两个学科，他们在发展中始终相互推动，相互促进，这种紧密的联系特别表现在力学理论和微分方程理论的同步发展方面，本世纪内形成的应用数学则在很大程度上是力学和数学结合的交叉学科。应当指出力学有一个重要特点是有别于数学的，它和物理一样，还需要实验作为基础，任何一种力学模型和理论总是源出于实际现象，并在实践和

56、应用中受到检验。力学的发展相对于其他学科有一定的“超前性”，不少在力学中提出的规律、理论和方法，后来发现在其他领域中同样有效。为说明力学与其他科学的关系，应该提到本世纪在对非线性力学现象中所取得的突出成就，它们对当前非线性科学的兴起起到先驱和核心的作用。例如，经典力学在上个世纪就提出的关于物体运动稳定性的理论，不仅在第二次世界大战中，被引用到自动控制理论中，大大缩短了其理论的形成过程；而且这一理论在当前十分热门的混沌理论中又得到了应用。本世纪初在天体力学中发展起来的摄动法，为近代非线性科学中的分岔理论及各种系统的非线性振动理论提供了分析的手段，而两个世纪前在固体力学中提出的压杆失稳理论，则是分

57、岔现象的第一个科学例子。上个世纪末观察到的水中的孤立波，是非线性科学中孤立子理论的先驱。为此提出的KdV方程，至今仍是孤立子理论的典型方程之一，而孤立子理论推动了光学中相应理论的发展，且成为实现现代光通信技术的关键。60年代由气象学中提出的流体力学问题，开创了混沌学的研究，从根本上改变了经典物理中确定性的观点，也深深地影响了人们的自然观，而被认为是20世纪科学最伟大发现之一。还应该提一提科学计算的问题，由于大型、复杂建筑物如摩天大楼结构设计的需要，早在计算机出现之前，力学工作者就提出了若干种分析大型、复杂结构物的计算方法。电子计算机的问世，大大促进了这方面的发展，改变了原来的思路。在50年代，

58、即已出现了后来被称为有限元法的思想并迅速被推广到力学的各个分支及其他科学领域。而航空航天技术中流场计算以及原子弹、氢弹引爆过程和爆炸效应的计算需要，又大大促进有限差分法的发展。为了适应复杂结构及流场等大型计算，提出了各种网格划分、分区计算、分裂算子、并行计算等方法。可以毫不夸大地说，力学计算的需要是现代计算科学的最有力的推动力之一。电子计算机出现后的首批重要科学和工程计算中，力学问题占了相当大的比重。以上我们强调了由于人们能直接感知的只是宏观事物，因此不少科学中的普遍规律（指在各学科中有共性的）往往先在力学现象中被发现和研究，然后渗透到其他学科并得到更大发展。同时我们也应该看到，力学的发展也从其他学科分支中借用或引用了不少成果。例如现代航天技术中的高速高温气流往往伴