力学交叉学科发展报告

力学交叉学科发展报告

力学中的交叉学科差不多上能够分为两类：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咨询题；

2）流体弹塑性体力学，研究兼有固体和流体的双重特点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、边坡和断层的稳固性、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阻碍或者考虑它们之间的相互作用及内在联系的情形下，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升，专门是20世纪物理学各个分支和数学的飞速进展，加上运算机科学和技术的突飞猛进，人们关于相伴有其他运动的机械运动的认识也随之提升。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、差不多粒子差不多有了较为广

深的认识。如此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，自然科学进展到今天，差不多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畴历来存在着重大的相交和重叠。关于天体、地球和生物如此一些重大类别的物体来讲，机械运动形式也是他们的差不多运动形式，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畴，增加了连续介质力学、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畴而拓宽到大气、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进展新学科并促进源学科的进展，而且对推动科学、技术和工农业的进展起着庞大的作用。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进展方向与建议着重研究的领域。我们估量在下一世纪这些交叉学科，专门是物理力学、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进展；而力学与其它学科的交叉必将得到进一步的扩大和加大。

2.4.1 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。

传统力学采纳连续介质模型，对介质的微观结构不做假设与追究，采纳从体会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咨询题，再不能靠传统体会方法来解决。从物质的深层次来研究和解决咨询题就成为必由之路。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差不多取得了成功。物理力学的任务确实是要沟

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，以求阐明和推测介质材料的宏观力学性质，为以后的材料设计提供理论依据。

50年代早期的物理力学多采纳简化模型方法，研究内容多局限于热力学平稳和偏离平稳专门小的准平稳性质，以气相和简单凝聚相介质为主。近20年来由于运算技术的进展，显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，使之能够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，专门是对材料的非平均性、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期望。

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咨询题:

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推测；

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。

2.4.2 电磁流体力学和等离子体动力学

那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，非平稳过程以及低温等离子体电与磁场的相互作用。

那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咨询题是: 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方法。地球物理学家提出过“发电机作用”来讲明地球磁场的起源。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（M HD）那个学科名，以及提出“磁冻结”概念，讨论“磁冻结”流淌特点，发觉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进展是和以下三个领域的进展紧密有关的。

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咨询题。第二次世界大战以后射电天文学的兴起，显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，发觉了专门多新现象，形成了专门多新学科。其中磁流体力学内容占有专门大比重。如日冕物理、太阳风物理、地核内的流体运动和磁层物理确实是如此。

2）受控核聚变反应。

50年代初，美国、前苏联开始探究新能源。人们专门快发觉，几乎所有磁约束装置都有一个共同难题: 磁流体力学不稳固性。几十年后的今天，在被认为研究得最充分的磁约束装置环流器上，破裂不稳固性仍未最后弄清晰，尽管人们能够采取一系列措施来大大减少破裂的发生。其余的咨询题见后。

3）等离子体技术，冶金工业等工程技术。

以冶金工业为例。在连续铸造中用电磁力对熔化金属进行搅拌，能够