力学交叉学科发展报告

力学中的交叉学科

力学中的交叉学科基本上可以分为两类：第一类由力学学科内部不同分支学科交叉组成; 第二类由力学与其它学科交叉组成。

内部的交叉学科最典型的是由流体力学与固体力学交叉组成的学科，它们有：

1）流体弹性力学，研究流体和固体的运动和相互作用发生耦合效应的问题；

2）流体弹塑性体力学，研究兼有固体和流体的双重特征的物体的变形和运动；

3）含有流体的多孔介质或散体的动力学，研究的客体本身就由多相组成，而骨架的变形和破坏与体内流体的状态和运动发生相互制约。这方面的实例有地下渗流、地基、边坡和断层的稳定性、泥石流、雪崩等。

物质的运动形式多种多样，除了机械运动这一最基础的形式以外，还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和分子及原子层次的化学运动等。机械运动往往不能脱离其他运动形式独立存在，在需要和可能研究其他运动形式对机械运动有较大影响或者考虑它们之间的相互作用及内在联系的情况下，便会在力学同其他学科之间形成交叉学科或边缘学科的生长点。

力学是研究物质机械运动规律的科学。随着人类观测手段的进步和对各种形式运动认识的深入和提高，特别是20世纪物理学各个分支和数学的飞速发展，加上计算机科学和技术的突飞猛进，人们对于伴随有其他运动的机械运动的认识也随之提高。今天，我们对自然界各种层次的物质，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、基本粒子已经有了较为广

深的认识。这样就为研究多种形式同时存在的复杂运动提供了有利条件，从而产生了力学中多种多样的交叉学科，如物理力学、电磁流体和等离子体力学、物理化学力学、爆炸力学等。

此外，自然科学发展到今天，已经形成了一些传统的一级学科，如天文学、地学和生物学等。这些学科和力学的研究内容和范围历来存在着重大的相交和重叠。对于天体、地球和生物这样一些重大类别的物体来说，机械运动形式也是他们的基本运动形式，研究他们的结构和运动变化的规律也是力

学学科的内容。今天，天体力学和天体物理实际上超出了刚体和多体动力学的范围，增添了连续介质力学、物

理化学流体力学以及电磁流体和等离子体力学的内容；地学的研究对象则超出了地球表面现象的范围而拓宽到大气、海洋以至地球内部的力学过程；而生物力学则方兴未艾，从基因、细胞、组织和器官四个层次全面展开系统的研究。

交叉学科的形成不仅有利于发展新学科并促进源学科的发展，而且对推动科学、技术和工农业的发展起着巨大的作用。下面将分别探讨物理力学、电磁流体和等离子体力学、爆炸力学、环境流体力学、地球动力学和生物力学今后一个时期的发展方向与建议着重研究的领域。我们估计在下一世纪这些交叉学科，特别是物理力学、地球动力学、生物力学和环境流体力学等学科将会有长足的进步，并将有力地促进人类和社会的进步和发展；而力学与其它学科的交叉必将得到进一步的扩大和加强。

物理力学

物理力学是研究力学运动规律的微观理论的一个力学分支。

传统力学采用连续介质模型，对介质的微观结构不做假设与追究，采用从经验得到的描述介质力学性状的本构关系，运用牛顿运动定律和热力学定律来描述介质的力学运动。

到了本世纪中叶，面临着航空、航天与原子能等技术中高温、高压和强射线作用下材料介质的性质问题，再不能靠传统经验方法来解决。从物质的深层次来研究和解决问题就成为必由之路。事实上，物质本是由原子和分子组成的，是有微观结构的。物质的宏观性质是由其微观结构及其运动规律所决定的。自本世纪以来，物理学和化学对物质微观运动规律的研究已经取得了成功。物理力学的任务就是要沟

通微观与宏观之间的中间过渡领域。以微观运动的理论为基础探求中间层次的规律性，以求阐明和预测介质材料的宏观力学性质，为未来的材料设计提供理论依据。

50年代早期的物理力学多采用简化模型方法，研究内容多局限于热力学平衡和偏离平衡很小的准平衡性质，以气相和简单凝聚相介质为主。近20年来由于计算技术的发展，出现了像分子动力学等一些新的理论方法，增进了对凝聚态内部微观过程的了解，使之可以达到探求介质内部高度非线性不可

逆过程行为的程度。对材料细观层次的了解，特别是对材料的非均匀性、微缺陷及其运动和演化规律的了解有

所加深。所有这些为建立材料形变与强度的统计理论，进而为完善从微观到宏观的过渡带来了希望。

面对当前高新技术的需要，建议今后要着重研究以下四个方面的问题:

1）超高压、超高温与强辐射场作用等极端条件下的材料力学性质；

2）固体塑性变形与破坏的微观机理与统计理论的研究；

3）以原子分子理论为基础的新型材料力学性能与其微观结构的关系，以及对其力学性能的理论预测；

4）有化学反应参与的气相或等离子体相的材料沉积微观过程的研究。电磁流体力学和等离子体动力学

这个力学分支包括了以下三个分支学科:

1）电流体力学。研究单极性流体或极化流体与电场的相互作用。

2）磁流体力学。研究导电流体与磁场的相互作用。

3）等离子体动力学。研究低温等离子体各种运动状态，非平衡过程以及低温等离子体电与磁场的相互作用。

这个力学分支是流体力学、电动力学和热力学相结合的边缘学科，也是等离子体物理学中的宏观理论部分。

下面重点讨论磁流体力学。

导电流体通常指等离子体、液态金属、水和血液等。等离子体被称作是物质的第四态，包括自然界等离子体与实验室等离子体。液态金属包括自然界的水银，地核物质等，以及工业应用中的熔化金属。

1832年法拉第最早提出的磁流体力学问题是: 泰晤士河水切割地磁磁力线产生电动势，能否通过测量两岸的电位差来估算河水的流速结果未获成功。以后，工程师们提出过电磁泵的想法。地球物理学家提出过“发电机作用”

来解释地球磁场的起源。天体物理学家Cowling，Ferraro开始探讨磁流体力学理论，Hartmann进行过简单的磁流体力学实验。1942年，瑞典工程师和天体物理学家H。Alfven提出了Magneto-hydrodynamics（MHD）这个学科名，以及提出“磁冻结”概念，讨论“磁冻结”流动特点，发现Alfven波，这些标志着这门学科的建立。

近几十年，磁流体力学这门学科的迅猛发展是和以下三个领域的发展密切相关的。

1）地球物理，日地空间物理和天体物理。

在地球大气层以外到处是等离子体，磁场也普遍存在。因此，到处存在磁流体力学问题。第二次世界大战以后射电天文学的兴起，出现了以等离子体理论为基础的天体物理学，大大改变了长期以来以光学望远镜观测为主的，以原子理论为基础的天体物理学。1957年人造卫星上天以后，用卫星、飞船带上观测仪器对日地空间、太阳、宇宙的考察，发现了很多新现象，形成了很多新学科。其中磁流体力学内容占有很大比重。如日冕物理、太阳风物理、地核内的流体运动和磁层物理就是如此。

2）受控核聚变反应。