力学学科发展介绍

什么是力学？力学研究力与运动的基本规律和实际应用，它是科学进展与重大工程技术的桥梁。（《国家中长期发展规划》，2005）力学是研究力与运动的科学。（《中国基础科学发展报告》，科技部、基金委，2001）力学是研究物质机械运动规律的科学。（《力学》，自然科学学科发展战略调研报告，基金委，1997）力学是研究力及其运动规律的科学，是研究宏观问题的学问。（《国家自然科学基金委员会项目申请指南》，1986）一、力学学科的特点力学是认识自然的一个极其重要的手段，甚至可以说，任何一个重要的宏观自然现象的解释与定量预报，都离不开力学。一、力学学科的特点力学是自然科学和技术科学的先导学科之一，是一门独立的科学，成为七大基础学科之一（数、理、化、天、地、生、力）。（《国家科委基础研究规划》，1987）力学是工程科学的基础（钱学森，1948）。以工程和自然界的真实介质和系统为研究对象，成为技术科学中贡献特别多的一个部门（钱学森，1957）。一、力学学科的特点我国两弹一星的成功研制火箭喷气技术深水结构强度问题弹道导弹核潜艇研制成功载人航天技术造就了以钱学森、周培源、郭永怀、钱伟长为代表的一批杰出的力学家。一、力学学科的特点力学在20世纪有很大的发展，形成了比较完整的学科体系（连续介质力学）—动力学与控制（一般力学）、固体力学、流体力学、力学交叉领域（生物力学、爆炸力学等）。创立了一系列重要概念和方法，成为了近代土木建筑、机械制造、航空航天工业、材料科学与工程等的基本理论基础。动力学与控制（一般力学）分析力学系统动力学多体动力学转子动力学弹道力学飞行力学等等固体力学弹性力学塑性力学疲劳与断裂力学复合材料力学岩体力学和土力学冲击动力学结构力学实验固体力学计算固体力学等等流体力学流动稳定性湍流水动力学空气动力学渗流多相流非牛顿流稀薄气体力学实验流体力学计算流体力学等等力学交叉领域物理力学爆炸力学环境流体力学生物力学电磁流体力学等离子体动力学等等一、力学学科的特点20世纪末和进入21世纪，新兴的科技领域导致力学研究的对象、方法和手段更加复杂化：研究对象尺度的变化—从宏观尺度到微纳米尺度，如纳米科技涉及到了纳米尺度，而生命科学/生物技术已进入蛋白/DNA等大分子量级；物体变形和运动常考虑多场耦合作用，如力、热、电、磁、声、光、化学等的作用；考虑物质的各向异性和非均匀性。一、力学学科的特点因此，力学能否投入到上述新兴的科技领域，研究这些领域中出现的与力学相关，但在许多方面又跨越了传统力学研究范围的新问题，并能对新兴领域的工程应用起到关键作用，是当前力学工作者面临的一个挑战。一、力学学科的特点作为一个经典的学科，力学具有比较完整的理论体系，同时又与许多学科交叉，研究队伍分布广泛。主要特点：1.力学是一个应用性强的基础学科，受学科自身发展和国家需求的双重驱动。从国内现状来看，尤其需要加强结合国家需求背景的基础研究。一、力学学科的特点2.力学与其它学科交叉突出，形成了新的学科生长点，不断地丰富着力学的研究内容和方法，并使力学学科保持着旺盛的生命力。由于力学理论、方法的普适性，以及力学现象遍及自然界和人类活动的各个层面，力学与数学、物理、化学、天文、地学、生物等基础学科和几乎所有的工程学科，相互交叉和渗透，形成了大量的新兴交叉学科，使力学保持着旺盛的生命力。一、力学学科的特点3.机理化、定量化地认识自然与工程。与数学不同：力学以实际事物为出发点和应用对象与物理不同：侧重研究宏观规律，兼顾巨观和微观与工程不同：发掘蕴涵在工程中的基本规律和定量的设计准则一、力学学科的特点同时，在重大力学应用和重大力学问题解决上将有重大进展：虚拟工程、虚拟设计、虚拟制造等手段将使力学以更大的深度和广度介入到工程领域的总体技术；对超高速、超高压、超高温和微重力等超常条件下的力学行为的新认识，将为远离平衡态过程提供新的认识；一、力学学科的特点对湍流、固体强度与破坏、高维非线性系统动力学等基本力学难题的研究将取得新的进展；中国国防与武器装备建设更需要力学的发展。二、力学学科的国际地位和国内特色（一）国际地位（二）国内特色（三）差距及其原因（一）国际地位冷战时期：国际力学界存在以美英法为代表和以前苏联和波兰为代表的两大集团，其中后者曾占相当重要地位。冷战以后：俄罗斯和波兰等在国际力学界的地位迅速下降，而中国力学在国际上的地位呈稳中有升的趋势，影响力日渐增大。（一）国际地位我国学者的一些工作，赢得了世界力学界的尊重。周培源---湍流理论；钱学森---工程控制论、物理力学钱伟长---板壳理论；郭永怀---喷气推进、空气动力学胡海昌---广义变分原理（一）国际地位北京大学王仁院士、大连理工大学程耿东院士曾在IUTAM大会邀请做1小时专题报告，表明我国在地球动力学和拓扑优化领域具有重要国际影响。中国科学院力学研究所郑哲敏院士新当选为国际理论与应用力学联合会（IUTAM）的执委。（一）国际地位原子弹、氢弹的爆炸成功，中远程导弹的发射和洲际导弹技术的掌握，表明我国在爆炸力学、计算空气动力学和实验空气动力学研究的某些方面具有世界先进水平。（二）国内特色—国内相对优势领域国内在固体材料的宏微观力学研究方面有着较好的基础和一定的优势。在材料的宏微观力学方面，如断裂力学理论、固体本构关系、相变力学、非均质力学、应变梯度理论、电致失效力学等，获得了一批达到国际水平的成果。（二）国内特色—国内相对优势领域空气动力学研究是国内流体力学的优势研究领域，队伍和成果集中，应用背景明确。近年来，国内在分离流、旋涡运动、非平衡流动、湍流、流动稳定性等方面取得了具有国际影响的研究成果，为提高我国的国际地位，形成中国特色的研究体系做出了贡献。（二）国内特色—国内相对优势领域计算力学是国内具有一定优势的研究领域。我国学者在结构的微构造优化、结构拓扑优化以及奇异最优解理论、结构形状优化以及灵敏度分析半解析法、结构优化方法与软件应用等方面，都取得了有国际影响的成果。（二）国内特色—薄弱方向及问题与国际计算力学软件相比，我国计算力学软件的发展规模及水平仍然有很大的差距，在整体功能与性能上还无法与国外同类产品竞争。因此，不但重大工业项目中的工程力学计算几乎全靠进口程序，甚至一般中小设计院也被进口程序所控制。（二）国内特色—薄弱方向及问题与计算力学相比，我国实验力学的研究队伍和规模偏小，自主研制实验仪器和设备的能力需要进一步加强。国内力学基础研究队伍国内86个单位的力学基础研究人员的调研结果表明，目前国内拥有5300余人的力学基础研究队伍）。1289(24%)1651(31%)2363(45%)正高级副高级中级正高级：1651人，副高级：2363人，中级：1289人差距及其原因缺少开创性研究工作；缺乏对技术进步起革命性推动作用的工作以跟踪研究为主，敢为人先的精神不够；技术需求牵引不足，缺少基础研究的源泉LeonardodaVinci达•芬奇(1452—1519)研究了鸟类的飞行----设计了飞行机械、直升飞机、降落伞研究了鱼游----设计了潜水艇、双层船壳战舰发明了机关枪、手榴弹、坦克车、起重机等等水利工程,城防工程等等木制流动挖泥船飞行器木制自行车子母炮旋转浮桥救生艇Galilei伽利略(1564—1642)建立落体定律建立匀速运动和匀加速运动定量概念«两门新科学»--材料力学和运动力学虎克(1635-1703)谜语悬赏ceiiinosssttuv1678Uttensiosicvis多大的力多大的伸长Hooke定律----F=kΔL«论弹簧»Fσ（=F/A）ε（=ΔL/L）ΔLF=k•ΔLσ=E•ε真实物体(钢铁合金石头木材…)----连续体--------连续介质变形的描述•应力的描述ijxxyyzzxyyzzxxxyyzzxyyzzxxxijksijksijE弹性力学基本方程的建立˙平衡方程(Navier)˙协调方程(Saint-Venant)˙本构方程(广义Hooke定律)15个方程解15未知量˙边界条件ijijiu流体力学基本方程的建立连续方程动量方程能量方程第四代战斗机RLV天地往返微小尺度先进客机长航时飞机旋翼机无人战斗机高作战性能大型、高经济性动能武器地地导弹地空导弹精确打击深空、高速、高效率深空探测器阻尼器产品应用在中国洞庭湖大桥的悬挂钢索晃动控制中。（风雨中的桥面状况）磁流变阻尼器应用在洞庭湖大桥的悬挂晃动控制中（钢索根部的阻尼器起到了减小晃动幅度的作用)