力学与工程概论知识

1、力学与工程概论本课程的教学内容大家所最关心的问题力学的发展简史力学在各方面的应用21世纪力学发展趋势教学计划安排了那些力学课程期 望2本专业毕业能干什么？ 力学是基础科学，又是技术科学，其发展横跨理工，与各行业的结合是非常密切的。与力学相关的基础学科有数学、物理、化学、天文、地球科学及生命科学等，与力学相关的工程学科有机械、土木、航空航天、交通、能源、化工、材料、环境、船舶与海洋等等。 3本专业毕业能干什么？ 随着力学学科的发展，在本世纪将产生一些新的学科结合点， 如生物医学工程、环境与资源、数字化信息等。 经典力学与纳米科技一起孕育了微纳米力学； 将力学知识应用于生物领域产生了生物力学和仿生

2、力学； 可以预料，随着社会的发展，力学学科与环境和人居工程等专业的学科交叉也将会进一步加强。 这些都是近年来力学学科发展的亮点。5 1920年以前力学发展史中的100篇重要文献 20世纪理论与应用力学的十大进展力学发展简史7力学发展简史 亚里斯多德(Aristotle)在公元前350年完成论天(On the heavens)中阐述了落体加速度与重量成正比的论断。 阿基米德(Archimedes，287BC-212BC)在论浮体(On floating bodies)中讨论了流体重物体的平衡问题。在论平面图形的平衡(On the equilibrium of planes)中讨论了杠杆原理与平面

3、图形物体的重心。摘引自武际可教授1920年前力学史中100篇重要文献也可参考他的力学史一书8 帕普斯(Pappus Alexandrinus，300-350)在数学汇编第八卷(Mathematical Collec-tion Book 8)中汇集了古希腊对力学研究的成果。1022 约旦努(Jordanus de Nemore,1220)在重物的论述(Liber de ponderibus)中讨论了物体的平衡问题，包含了虚功原理的萌芽。1533力学发展简史 哥白尼(Nicholas Copernicus,1473-1543)在天体运行论(De revolutionibus orbium cele

4、stium)中提出了太阳系的哥白尼系统。154310 开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)在宇宙的和谐(Harmonice mindi)中总结了行星运行的三大定律。1619 斯梯芬(Semon Stevin,1548-1620)的静力学原理(Staticae elementis)是静力学体系标志性著作。1586力学发展简史 默森(Marin Mersenne,1588-1648)在宇宙的和谐(Traite de lHarmonie Universelle)是最早关于声音、音乐和乐器的著作。162711 托里拆利(Evangelista Torrielli，1608-16

5、47)在论重物的运动(De motu gravium)中证明了孔口出流的速度与液高的平方根成比例(即托里拆利定理)，还指出位置最低时平衡得好，是平衡稳定性的最早提法。1644力学发展简史 波义耳(Boyle, Hobert,1627-1691)在关于空气的弹性及其效果的物理力学新实验(New experiments physico-mechanicall, tou-ching the spring of the air and its effects)中以系统的实验论证了气体的弹性。166013 帕斯卡(Blaise Pascal,1623-1662)在论液体平衡和空气的重量(Traites

6、de lequilibre des liqueurs et de la pesenteur de la masse de lair)中总结和提出帕斯卡原理，并总结了关于其压的一系列实验。1663力学发展简史 马略特(Edme Mariotte,1620-1684)在论物体的撞击与碰撞(Tratite de la percussion ou chocq des corps)中总结了前人碰撞问题的实验，得到了动量守恒定律。167114在论水和其他流体的运动(Traite du mou-vement des eaux et des autres corps fluides )中研究了流体的阻力，得到

7、流体阻力与速度的平方成比例的结论。1686力学发展简史 惠更斯(Christian Huygens,1629-1695)在摆钟论(Horologium oscillatorium)中讨论了约束在圆上的质点运动规律，论证了摆的等时性，提出了等时摆的概念。1673 胡克(Robert Hooke,1635-1703)在论弹簧(Lectures of springs)中研究了物体的弹性。167815 莱布尼兹(Isaac Newton,1616-1716)在笛卡尔的一个出名错误的简短证明(Brevis demonstratio erroris memorabilis Cartesii)中提出活力，即

8、动能守恒定律。1686 牛顿(Isaac Newton,1642-1727)在自然哲学的数学原理(Philosophia naturalis prin-cipia mathe-matica)中总结了经典力学体系，证明了万有引力下行星运动服从开普勒三定律。1687力学发展简史16 欧拉(Leounard Euler,1707-1783)在力学(Mecha-nics)中汇集了他对质点和质点系力学系统的研究成果。1736在刚体运动理论(Theoria motus corporum solidorum)中提出刚体运动的一般方程并解决了一种可积情形。1765力学发展简史 达朗贝尔(Jean le Ron

9、d dAlembert,1717-1783)在论动力学(Traite de dynamique)中提出和总结了达朗贝尔原理和虚功原理。1743流体的阻力(Essai dune nouvelle theorie de la resistance des fluides)中理想流体中没有阻力的矛盾。175218 莫培督(Pierre de Maupertuis,1698-1759)在宇宙论(Essai de cosmologie)中最早陈述了。最小作用原理。1750 玻素(Charles Bossut,1730-1814)在流体阻力的新实验(Nouvelles Experiences sur la

10、 resista-nce des fluides)中总结了船体阻力的实验规律，开辟了船池实验新领域。1777力学发展简史 拉格朗日(J. L. Lagrange,1736-1813)在分析力学(Mecanique analytique)是分析力学的奠基性文章。178819 库仑(Charles Augustin Coulomb,1736-1806)在论简单机械(Therorie des machines simp-les)中最早给出了摩擦力所遵从的规律。1781 班锁(Louis Poinsot,1777-1859)在静力学原理(Elements de statique)中引进了力偶的概念、系

11、统讨论了力系的简化，提出刚体平衡的条件。1803力学发展简史 托马斯.杨(Thomas Young,1773-1829)在自然哲学讲义(A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts)中提出了杨氏模量，最早提出能量概的念。180720 拉普拉斯(Pierre Simmon Laplace,1749-1827)在天体力学(Mecanique celeste)中系统发展了围绕天体力学的一套数学方法，如势论、摄动法等等。1798-1825 凯利(George Cayley,1773-1858)在论空中航行(On A

12、erial Navigation)中开辟了从空气动力学来探讨飞行的道路。1809-1810力学发展简史 泊松(S. D. Poisson,1781-1840)在力学教程(Traite de macanique)是影响深远的一套理论力学教材。181121在弹性体的平衡与运动(Memeorire sur lequi-libre et le mouvment des corps elasti-ques)中最早提出弹性体变形的泊松系数。1829 纳维(C. L. M. H. Navier,1785-1836)在论弹性体的平衡与运动(Sur les lois de lequilibre et du mo

13、uvement des corps solides elastiques)中最早提出弹性体运动的一般方程。1821在流体的运动法则(Memoire sur les du mou-vement des fluides)中最早提出黏性流体的运动方程。1823力学发展简史22 卡诺(Sadi Carnot,1796-1832)在论火的故事(Reflexions sur la puissance mortise du feu)是热力学第二定律研究的开始。1824 柯西(Augustin louis Cauchy,1789-1857)在弹性或非弹性固体的运动方程(Sur les equations qu

14、i experiment interieur dun coe-ps solide, elastique ou non elastique)中总结了从1822年以后所做的研究成果，建立了弹性力学平衡与运动的普遍方程。1828力学发展简史24 格里奥利(Gustave Gaspard Coriolis,1792-1843)在力学应用于机械(Cours de mecani-que ap-pliquee aux machines)中对旋转系统提出了一种由相对速度诱导的加速度，即科氏加速度，由他产生科氏力。1835力学发展简史 格林(George Green,1793-1841)在论在晶体介质中光的传播

15、(On the Propagation of Light in Crystalized Media)中论证了各向异性弹性介质的弹性常数最多有21个。183925 泊萧叶(Jean Louis Marie Poiseuille,1729-1829)在流体通过细管运动的实验研究(Recher-ches experimentales sur le mouvement des li-qnides dans les tubes de tres petits diametres)中根据实验总结出管流中的流动规律，被称为哈根-泊萧叶流。1841力学发展简史 焦耳(James Prescott Joule,1

16、818-1889)在论电磁的热效应和热的机械值(On the Calo-rific Effects of Magneto-Electricity and on the Mechanical Value of Heat)中最早给出了热功当量。184326 雅科比(Carl Guastav Jacob Jacobi,1804-1851)在动力学讲义(Vorlesungen uber dunamik)中包含了将Hamilton方程变换到一阶偏微分方程的变换，即Hamilton-Jacobi方程。1842-1843的讲义力学发展简史 罗素(John Scott Russell,1808-1882)在关

17、于波浪的报告(Report on Waves)中首次提出运河在开闭闸门时形成的浅水波可以不变形的传播很远，引入了孤立波这一科学家广泛感兴趣的名词。1844 斯托克斯(George Gabriel Stokes,1819-1903)在流体运动的内摩擦与弹性固体的运动与平衡(On the theories of the internal friction of fluid in motion, and of the equilibrium and motion)中与纳维不同的方法到出了黏性流体运动方程，被称为N-S方程。184527 汤姆森(Sir William Thomson又名Lord Ke

18、lvin, 1824-1907)在关于弹性体平衡方程积分的注记(Note on the integration of the equation of an elastic soild)中给出了各向同性无限弹性介质在集中力作用下的解，被称为基本解或开尔文解。1848力学发展简史 基尔荷夫或克希荷夫(Gustav Robert Kirch-hoff.1824-1887)在弹性板的平衡与运动(Uber das glei-chewicht und die bewegung einer elastischen scheibe)中提出了直法线假设下的弹性薄板问题与边界条件的准确提法。185028 麦克斯韦

19、耳(James Clerk Maxwell,1831-1879)在弹性固体的平衡(On the equilibrium of ela-stic solids)中开创了用偏阵光进行弹性应力测量的方法。1850摘要，1853全文 拉梅(Gabriel Lame,1795-1870)在数学弹性理论(Traite de la Theirie mathematique de lelasticite)是第一本系统陈述弹性力学的专著。1852在曲线坐标及其应用(Lecons sur les coordo-nnees curvilignes et leurs diverses applications)中系统

20、讨论了曲线坐标、介绍了它在弹性力学、热传导等中的应用，给出了弹性球壳变形解答。1859力学发展简史29 兰金(William Macquorn John Rankine, 1820-1872)在应用力学手册(A Manual of Applied Mechanics)中总结了固体强度方面的实验及理论结果，提出以拉伸应力作为判据的强度理论，最早把能量与势能区分开来。1858力学发展简史 克莱博什(Rudolf Friedrich Alfred Cleb-sch,1833-1872)在弹性体理论(Theorie der Elastizitat Fester Korper)，后经圣维南翻译注释使原书

21、扩大了三倍，书中讨论了杆的振动问题，其中初始参数法被称为克莱博什方法，后来发展成传递矩阵法。186330 亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Hel-mholtz,1821-1894)在论力的守恒(On the Conser-vation of Force)中总结了能量守恒定律的一般形式。1863 特雷斯卡(Henri Edouard Tresca,1814-1885)在关于固体的流动(Memoire us lecoulement des corps solides)中最早提出固体按照最大剪切应力的屈服条件，即特雷斯卡条件。1864力学发展简史 达西(Henry

22、 Philibert Gaspard Darcy,1803-1858)在蒂间城市公共自来水，附注D(Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon. Note D)是关于渗流的达西定律的原始文献。186531 克劳休斯(Rudolf Julius Emmanuel Clausius, 1822-1888)热的机械理论基本方程的若干方便形式(Uber Verschiedene fur die Anwendung Warmetheorir)中提出了熵的概念，总结出热力学第一和第二定律。1865德文，1867英文 波尔兹曼(Ludwig Boltzmann,

23、1844-1906)在气体分子热力学的新研究(Weitere Studien uber das Warmegleichgewicht unter Gasmole-kulen)中从经典力学的观点解释热力学第二定律，开辟了解决不同层次物理现象之间关系的新途径。1872力学发展简史32 傅科(Jean-Bertrand-Leon Foucault,1819- 1868)在傅科科学论文集(Recueil des Tra-vaux Scientiques de Leon Foucault)包含了傅科摆与陀螺仪、光速测量的重要论文。1878整理 卡斯提也诺(Carlo Alberto Castiglian

24、o, 1847-1884)在论弹性系统(Intorno ai sis-temi elastici)中包含了广泛用于结构分析的卡斯提也诺变分原理。1873力学发展简史 兰姆(Horace Lamb,1849-1934)在流体动力学(Hydro-dynamics)是一本流体力学的百科全书。187933 科瓦列夫斯卡娅( Ko , 1850-1891)在刚体绕固定点旋转的一个问题(Sur le probleme de la rotation corps solide autour dun point fixe)中解决了刚体绕定点运动的一种情况。1888力学发展简史 瑞利(Lord Rayleigh,

25、1842-1919)在声的理论(Theory of Sound)中总结了弹性体振动的成果，发展了计算固有频率的方法。1877第一版，1894第二版 雷诺(Osborne Reynolds,1842-1912)在平行渠道阻力的实验研究情况(An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels)中提出雷诺数，标

26、志湍流研究的开始。188334 马赫(Ernst Mach,1838-1916)在力学史评(Die Me-chanik in Lhrer Entwicklung Historisch-Kriti-sch Dargestellt)中对经典力学的绝对时空进行了认真的批评，被爱因斯坦称为广义相对论的先驱。1883,生前出版6版在通过空气投影的照相(Photographische Fixierung der durch Projektile in der Luft eingeleiten Vorgange)中给出了通过纹影照相的到的超音速流动的相片和研究结果，是最早对超音速流动的研究。1887力学发展

27、简史35 赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)在关于弹性体的接触(Uber die beruhrung fester elastische korper)中提出并解决了两个弹性体接触的变形与应力分布问题，被称为赫兹接触问题。1882力学发展简史 布西内斯克(Valentin Joseph Boussinesq, 1842-1929)在应用势论研究弹性体的平衡与运动(Application des po-tentiels a letude de lequilibre et du mouvements des soildes elas-tiques)是继圣维南柱体

28、扭转后弹性力学方面最重要的文献，用势论解决了半平面受集中力的问题、半无限杆的振动问题等。188536 开尔文(Sir William Thomson又名Lord Kelvin, 1824-1907)和台特(Petter Guthrie Tait,1831-1901)在自然哲学教程(Treatise on natural philosophy)中总结了从牛顿到当时的力学成果，对能量守恒给予了关注。1888力学发展简史 阿贝尔(Paul Appell,1855-1930)在理论力学教程(Traite de mecanique rationnelle)共5卷1920年前(1893,1896,1903

29、)出版三卷，前3卷中介绍了质点的静、动力学；分析力学；连续体力学。是一套影响很大的力学教材。37 乐甫(Augustus Edward Hough Love,1863-1940)在弹性的数学理论教程(A Treatise on Mathematical Theory of Elasticity)中总结了弹性力学的成就，发展了薄壳理论。1882-1883分两卷在地球动力学的若干问题(Some Problems of Geodynamics)中总结了从弹性力学来研究地球的一系列成果，成为地球物理研究的基础。1911力学发展简史 庞加莱(Henrl Poincare,1854-1912)在天体力学的

30、新方法(Les Methodes Nouvelles de la Mecanique Celeste)中含有他发展的周期解问题、定性方法，还包含动力系统混沌的早期思想。1892, 1893,1899分三卷出版38 李亚普诺夫( , 1857 -1918)在运动的一般稳定性(俄文发表)中给出了运动稳定性的严格定义，并给出了两种判别稳定性的方法。 科尔泰沃赫(Diederik Johannes Korteweg, 1848-1941)和德弗里斯(de Vries,1866-1934)在论长波形状的变化(On the change of form of long waves adva-ncing i

31、n a rectangular canal and on a new type of long stationary wave)中提出了一种非线性波动方程，被称为科尔沃赫-德弗里斯方程。1895力学发展简史39 贝纳尔(Henri Benard,1880-1939)在加热薄层液体持续对流的漩涡胞(Les tourbillons cellulaires dans une nappe liquide transpor-tant de la chaleur par convection en regime perma-nent)中总结了由实验发现的底部加热薄层流体对流产生的漩涡胞，被称为贝纳尔胞。1

32、901力学发展简史 恰普霍金( ,1869-1942)在论气体射流(俄文)，中发展了亚音速气体射流流动理论。190240 齐奥尔科夫斯基( , 1857-1935)在利用喷气工具研究宇宙空间(俄文)中开始了火箭理论与变质量力学的研究。1903 普朗特(Ludwing Prandtl,1875-1953)在关于非常小摩擦下的流动(Uber Flussigkeit-sbewegung bei sehr kleiner Reibung)开创了黏性流体的边界层理论。1904力学发展简史 巴金汉(Edgar Buckingham,1867-1940)在论物理上的相似系统(On physically Si

33、milar Systems: Illus-trations of the Use of Dimensional Analysis)中给出了定律，奠定了量纲分析与模型相似率的理论基础。191441 爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)论运动物体的电动力学(Zur elektrodynamik bewegter)中提出了狭义相对论。1905在广义相对论基础(Die grundlage der all-gemeinen relativitatstheorie)是完整阐述广义相对论的最早论文。1916 儒可夫斯基( , 1847-1921)在关于附属的漩涡(俄文)中建立了二维

34、机翼的升力理论。1906力学发展简史42 科恩(A. Korn)在关于弹性理论与转轴弯曲的不等式(Uber einige ungleichungen welche in der theorie der elastoschen und elektrischen schwingungen eine rolle spoelen)中给出了弹性力学能量正定性的不等式。1909 索维菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)在对流动转变为湍流的解释(Ein beitrag zur hydrodynamichen erklaung der turbulent flus-sigkeit-sb

35、ewegungen)是对层流稳定性的较早研究，得到了非自共轭的Orr-Sommerfeld偏微分方程。1909力学发展简史43 卡拉索夫( ,1867-1936)在复变函数在平面弹性的数学理论中的应用(俄文)中开创了平面弹性力学问题的复变函数解法。1909力学发展简史 冯.卡门(Theodore von Karman,1881-1963)在机械制造中的强度问题(Festigkeits probleme in Maschinenbau)给出了较早的薄板大挠度方程。1910在关于流体中动体的力学实验(德文)中首次证明了在流动中圆柱体后的尾涡以交替排列时是稳定的，被后人把这种尾涡称为卡门涡街。191

36、244 冯.米赛斯(Richard von Mises,1883-1953)在塑性变形固体的力学(Mechanik der fes-ten korper in plastisch deformablen)中提出固体在一定应力状态下的一种屈服条件，被称为米赛斯条件。1913力学发展简史 伽辽金( , 1871-1945)在在某些杆与板平衡问题中的级数(俄文)中提出一种直接离散的近似方法，被称为伽辽金(Galerkin)方法。191545 诺特(Emmy Noether,1882-1935)在变分问题的不变量(Invariante Variations prob-leme)中给出了两个关于动力系统

37、的不变量定理，对20世纪力学和物理的发展产生了深刻的影响。1918力学发展简史 格里菲斯(Alan Arnold Griffith,1893-1963)在固体的流动与断裂现象(The phenomena of Rupture and Flow in Solids)是断裂力学的最早文献。192046 从上述简单介绍中可以看到以下结论：力学发展简史 16世纪以前力学发展较慢； 中国虽然有很多水利、桥梁、土木等等的伟大工程，却没有发表过力学方面的文献； 一辈子能为后人留下有用的宝贵知识并不容易。49力学发展简史 断裂力学： 1921年Griffith提出能量释放率理论，认为脆性材料低应力断裂是因为微

38、小裂纹失稳扩展造成。指出一旦含裂纹物体的能量释放率等于表面能,就将导致低应力脆断。 1948年Irwin,Orowan,Mott各自独立地提出修正的Gri-ffith理论，指出将裂纹尖端塑性功计入耗散能，就可将该理论应用于金属材料。1956年Irwin提出应力强度因子和断裂韧性观念，奠定了线弹性断裂力学理论基础。 1962年Dugdale提出窄带屈服区模型，Paris提出疲劳裂纹扩展公式，开辟了疲劳寿命预测研究领域。50力学发展简史 断裂力学： 1968年Rice建立了J 积分原理，Hutchinson,Rice和Rosengren独立地提出了弹塑性材料裂纹尖端HRR奇异场，为弹塑性断裂力学奠

39、定了理论基础。 断裂力学是20世纪固体力学的重大成就之一，是工程材料与构件强度估算和寿命预测的理论基础。在它的指导下，“损伤容限设计”成为航空航天结构设计的重要原理，“缺陷评定规范”和“先泄漏原理”已用于压力容器和管道的结构设计。 断裂力学还必将激发细观和微观断裂理论的发展。51力学发展简史 生物力学的创立： 生物力学创立于20世纪60年代，研究不同层次生命体结构-功能的定量关系。 30余年的发展推动了相关领域：例如定量解剖学、定量形态学、系统生理学、血管生理学等的形成。将推动生命科学的进步，将赋予力学以新的生命。 1969年冯元桢(Y. C. Fung)关于肺微循环的研究，提出了生物力学方法

40、学原则，是生物力学作为独立学科的标志。1983年提出的冯元桢假设(应力-生长关系)则是生物力学活的灵魂。52力学发展简史 稳定、分岔和混沌理论： 稳定、分岔和混沌在20世纪都有长足的进展，李亚普诺夫方法在力学中有了广泛地应用。40年代，美籍华人林家翘建立了流动稳定性理论，von Karman、钱学森、Koiter等开展了板壳等结构的稳定性研究，为连续介质力学的稳定性分析奠定了基础。 60年代Thom、Zeeman和Arnold创立了动力系统的分岔理论，成为研究动力系统失稳后行为的基础。 分岔是非线性动力学的一个重要内容，它建立了对力学稳定性的全面认识，提供了力学稳定性理论和应用的解析和数值的方

41、法。53力学发展简史 稳定、分岔和混沌理论： 混沌是指非线性确定性系统中对初值敏感而出现的貌似随机的运动。 60年代以后，非保守和保守系统中混沌理论及应用研究有了很大发展，认识到混沌往往在参数空间一系列分岔之后出现。混沌理论揭示了牛顿力学中确定性和随机性之间的辩证关系，反映了自然现象的复杂性。 1963年Lorenz在气象预报研究中引出的一类非保守系统力发现了混沌现象。19541962间，Kolmogorov、Arnold、Moser从数学上证明的KAM理论，解释了保守力学系统里出现的混沌现象。54力学发展简史 边界层理论： 1904年普朗特根据实验观察提出，大雷诺数(小黏性）流体运动边界层的

42、概念，层内黏性流体运动方程可以简化为边界层方程，层外可以用理想无黏性流体来处理，从而解决了平板边界层问题。他还研究了逆压梯度下边界层的分离，一旦分离，边界层便会形成包住尾涡的涡面，改变流动的拓扑结构。 普朗特的边界层理论不仅解决了小黏性流体黏性如何处理问题，还给出了计算物体在流体中运动时阻力的近似方法，极大地促进了航空、航天工业的发展，它还是匹配渐进展开法的原型和物理基础。55力学发展简史 塑性力学和位错理论： 1951年Drucker提出了德鲁克公设，认为对一类稳定材料，附加应力在应力循环上所做的功总是非负的。从而导出：屈服面光滑点处屈服面必是凸的；塑性应变增量方向必与屈服面外法线方向一致。

43、 1954年他进一步任何材料如果不满足这个公设，就将是不稳定的。这个公设为塑性力学奠定了基础。 1961年以留申在应变空间提出如下公设：材料微元在任意应变闭循环中，应力所做的功总是非负的。该公设既适用于稳定材料，也适用于非稳定材料。由该公设可推出正交性法则。56力学发展简史 塑性力学和位错理论： 1923年Taylor提出晶体变形滑移机制，1934年Oro-wan,Polanyi,Taylor各自独立提出了刃型位错新概念，解释了金属屈服应力远低于理论强度的物理机制。这些理论预测，被50年代的实验所验证。 1953年建立了Schmid定律，指出作用于滑移系的分解剪应力达临界滑移值时，滑移系就会开

44、动。1954年Kro-ner提出位错连续统塑性理论，将位错密度张量与变性非协调联系起来。1955年Kondo,Bilby等建立了位错连续统一般理论，将非黎曼几何与变性非协调联系起来。60 -70年代Hill,Mandel发展和完善了晶体和多晶体塑性理论。57力学发展简史 塑性力学和位错理论： 塑性力学是20世纪固体力学重大成就之一，是金属材料与构件强度估算和塑性成型理论的基础。 位错理论是20世纪固体物理重大成就之一，为晶体微观力学奠定了基础。58力学发展简史 湍流统计理论： 自从雷诺实验发现湍流并建立雷诺方程后，如何描述脉动量的无规则性，是20世纪力学、物理、数学家面临的重要课题。 1921

45、年G. I. Taylor首先提出脉动速度关联函数的概念,在30年代和von Kaman等一起开创了湍流统计理论。1938年Taylor进一步提出了湍流能谱的研究设想。 1941年科尔莫哥洛夫首先提出脉动速度结构函数的概念，导出了均匀各向同性湍流的相似性理论，得到了具有普适意义的惯性区-5/3次能谱幂次标度律，1962年他又再次修正开创了湍流结构函数普适标度律研究的先河,是20世纪湍流研究最重大的成果之一。59力学发展简史 湍流统计理论： 如何求解不封闭的雷诺方程是湍流研究又一难题。20世纪40年代初，周培源首先提出同时求解平均速度和脉动速度的动力学方程组，给出了具有奠基性的雷诺应力所满足的方

46、程。50年代他又提出先求解、后平均的旋涡结构湍流统计理论，为现代湍流模式理论奠定了基础。 50年代初Rotta和Davidov进一步阐明了湍流模式理论的研究方向。 70年代后，随着计算机技术的发展，湍流模式理论得到了迅速发展。湍流模式理论是湍流统计理论和实际工程应用之间的桥梁。60力学发展简史 奇异摄动理论： 该理论指的是：获得在时间或空间域上一致有效摄动解的理论和方法。19世纪在研究水波、天体运动时解决了奇异摄动的个例。 20世纪发现在边界层理论、升力线理论、圆锥体超音速绕流、圆板弯曲、非线性振动等等问题中都存在摄动解。根据奇异性产生的原因，发展了处理边界层效应的匹配渐近展开法和处理出现长期

47、项的PLK(Poincare-Ligh-thill-Kuo)法。 前苏联学派独树一帜，发展了基于平均设想的奇异摄动理论。61力学发展简史 奇异摄动理论： 60年代后人们用多尺度观点来认识奇异摄动问题，提出了多重尺度法，形成了奇异摄动的系统理论。中国或华裔科学家郭永怀、钱伟长、林家翘、丁汝等在该领域有较大贡献。 美国斯坦福大学M. Van Dyke将摄动级数延拓，应用于众多流动问题，是理论和计算结合的范例。 迄今，奇异摄动理论仍是力学、声学、大气、海洋和工程中解决弱非线性问题的有效理论方法。62力学发展简史 力学的公理化体系： 力学的公理化是德国数学家Hilbert(1900)年提出的，即实现D

48、lambert(1743)的设想：“力学必须象几何学那样，建立在显然正确的公理上，且其结论要有严格的数学证明”。 20世纪50年代，一些杰出的力学数学家开始了公理化体系研究。具有里程碑性的工作有：J. G. Oldroyd(1950)提出本构关系必须具有确定不变性的原理；W. Noll(1958)提出“确定性公理、局部作用公理和客观性公理”，都是构造本构理论的基础，确定了力学公理化结构的雏形；63力学发展简史 力学的公理化体系：Trusedell和Noll(1965)的名著“力学的非线性场论”，总结了关于力学公理化体系的主要研究成果，使连续介质的基础理论进入崭新时代；A. C. Eringen

49、(1975)的专著“连续统物理，Vol.14”明确提出“因果公理、确定性公理、等存在公理、客观性公理、相容性公理”等八条公理是构造简单物质本构理论的基础，随后添加了坐标不变性和对因次(单位)系统不变性公理，并逐一阐明每个公理的内涵。Eringen的工作成为工程理论学派的理论基石，奠定了现代连续介质力学体系的基础。为20世纪整个力学的发展作出了卓越的重大贡献。64力学发展简史 克服声障、热障的力学理论： 声障一词出现于20世纪40年代，二战中战斗机平飞速度已达声速一半，俯冲时可达声速0.7倍。这时飞机阻力随马赫数微小上升急剧增大，飞机会突然受到很大的“低头”力矩并产生剧烈抖振，导致当时人们认为声

50、速是不可逾越的，也即存在声障。 随着空气动力学的研究深入，搞清了产生声障现象的原因，通过使用小展弦比、后掠的薄翼和大推动力发动机，成功地实现了超声速飞行，使声障成为了历史名词。65力学发展简史 克服声障、热障的力学理论： 热障是指飞行器高超声速飞行时其表面产生高温，特别是在飞船、航天飞机返回大气层时高温达10000K，不加防护飞行器必将烧毁。 声障和热障的克服都是力学研究的成果，是各国科学家共同努力的结果。 通过空气动力学的深入研究，用碳酚醛高硅氧、碳石英等高分子材料做飞行器表面层，利用烧蚀法、发汗冷却法等克服了飞行器返回大气层的高温问题，实现了人类航天的梦想。66力学在土木工程中的应用力学在

51、机械工程中的应用力学在水利工程中的应用力学在航空航天工程中的应用力学在船舶海洋工程中的应用力学在新材料研制中的应用力学在化学工业中的应用力学在生物医学中的应用力学的工程应用(录像)67 固体力学方面：21世纪力学发展趋势 经典的连续介质力学的模型和体系可能被突破，它们可能将包括某些对宏观力学行为起敏感作用的细观和微观因素，以及它们的演化，从而使复合材料的强化、韧化和功能化立足于科学的认识之上。 固体力学将融汇力-热-电-磁等效应，机械力与热、电、磁等效应的转换和控制，从而解决微机械、微工艺、微控制等方面急需解决的问题。 固体力学中非线性动力学、非平衡统计和热力学的概念和方法将大大丰富起来。20

52、世纪末，力学进展曾组织专家发表过“21世纪初力学发展趋势”一文，现摘引如下6821世纪力学发展趋势 固体力学方面： 随着计算机的飞速发展，分子动力学等微观模拟方法、复杂结构的仿真分析将更大规模更迅速地在固体力学和工程设计中得到应用和发展。 固体力学的上述发展，必将推动科学和工程技术的巨大进步。6921世纪力学发展趋势 流体力学方面： 船舶向更大、更快方向发展，新型船舶(如既能贴近水面航行、也可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇)研制等，均亟需解决表面边界非线性，波浪的随机性水表层为湍流，以及流体和船舶运动的相互作用等问题。 为改善收集全球气象数据的广度和精度，急需解决风浪相互作用机制。此外，亟需

53、开辟传统波浪理论未涉及的有旋流对波浪影响这一新领域。7021世纪力学发展趋势 流体力学方面： 为了尽可能多地开采地下油气，需要深入研究渗流机理并定量化。它的研究还有助于了解各种新陈代谢的宏观机制。 化工流程的设计，很大程度上归结为流体运动的计算问题。由于流动的复杂性，针对若干典型化工设备进行深入的研究，将为化工设计和生物技术产业化等提供新方法和基础。而复杂流场计算需要各种计算方法和理论，必须发展新的计算机软硬件，这就必须在计算流体力学上投入更大的力量。7121世纪力学发展趋势 一般力学方面： 随着技术的发展，诸如机器人、人造卫星和高速列车等等领域的发展，亟需解决多体系统的运动和控制、大尺度柔性部件和液体的运动