力学

制作：徐鸿/
版本：2006.4
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目
前 言 摘 要 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 2 力学学科发展的状况与趋势 2.1 一般力学 2.1.1 一般力学 2.1.2 理性力学 2.2 固体力学 2.2.1 固体力学的发展状况 2.2.2 固体力学的发展趋势 2.2.3 中近期建议着重研究的领域 2.3 流体力学 2.3.1 概述 2.3.2 流体力学的发展状况 2.3.3 中近期建议着重研究的领域
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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。
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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年出版。 ─5─
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2.4 力学中的交叉学科 2.4.1 物理力学 2.4.2 电磁流体力学和等离子体动力学 2.4.3 爆炸力学 2.4.4 环境流体力学 2.4.5 地球力学 2.4.6 生物力学 3 战略目标及措施 3.1 战略目标 3.2 措 施 参考文献
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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。 ─3─
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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“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。 ─7─
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一、力学学科的战略地位
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。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。
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一、力学学科的战略地位
力的作用与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用，然 而力学理论的应用价值远远没有得到充分的发挥。
二、力学的发展总趋势
（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： １）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。 ２）固体介质的本构、破坏或失效理论。 ３）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。
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二、力学的发展总趋势
（二）将继续以应用基础研究为重点，同时大力发展应用力学
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相对于工程而言，以往力学界着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。

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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。 ─4─
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一、力学学科的战略地位 二、力学的发展总趋势
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（一）致力于力学界公认的几个基本力学现象与规律的研究 （二）将继续以应用基础研究为重点，同时大力发展应用力学 （三）21世纪国民经济和社会发展对力学提出的新要求
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三、分支学科
（一）一般力学 （二）固体力学 （三）流体力学 （四）力学中的交叉学科 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
（二）战略目标与措施
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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。
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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。
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以王仁院士为组长的评审组于1997年4月17—18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研究成 果。”
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一、力学学科的战略地位
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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。
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