力学交叉学科发展报告

2.4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。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地球动力学2.4.6生物力学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。2.4.2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。50年代初，美国、前苏联开始探索新能源。人们很快发现，几乎所有磁约束装置都有一个共同难题:磁流体力学不稳定性。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，破裂不稳定性仍未最后弄清楚，尽管人们可以采取一系列措施来大大减少破裂的发生。其余的问题见后。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，可以提高产品质量。目前，电磁搅拌器这项新技术已被广泛采用；而电磁搅拌器的研究内容是标准的磁流体力学问题。建议今后着重研究以下磁流体力学问题:1）导电流体的流动稳定性与湍流，特别是强磁场下流动稳定性与二维湍流的研究。2）非线性有限电阻不稳定性，特别是破裂不稳定性与磁场重联的研究。3）发电机理论的进一步研究，如过程中R-T不稳定性的研究，含气泡物质上升与水平散开动力学过程的研究。4）磁流体力学激波结构，进化性与稳定性。5）聚变堆和混合堆的研究，强磁场下MHD管道流减小电磁阻力与增强传热的研究，MHD液态金属自由面流动的研究，MHD直接发电等。6）冶金技术的研究。磁悬浮冶炼，电磁结晶器，用电磁力控制流量，粉末冶金中电磁雾化等。2.4.3爆炸力学爆炸力学是研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科。我国早在8世纪中唐时期已有火药配方，10世纪宋初即已制作火箭火炮，17世纪明代宋应星阐明火药爆炸形成冲击波的现象。1867年诺贝尔发明硝化甘油，19世纪末和20世纪初建立了描述冲击波跃变的Rankine-Hugoniot关系以及描述自持爆轰的Chapman-Jouget理论，第二次世界大战期间，G.I.Taylor，J.vonNeumann，Л.И.Седов等结合常规武器和原子武器的研制在高速冲击力学、爆炸产物状态方程、爆轰理论、空中和水下爆炸理论、点源强爆炸理论等方面取得重要进展，初步形成了爆炸力学这门学科。战后，动武器、核武器和激光武器的效应和防护的研究，固体中击波合成新材料，惯性约束聚变，爆炸加工，爆破技术等方面的研究进一步推动爆炸力学的发展，成为由下面三个密切相关的部分构成的体系，即（1）具有基础性质的爆轰学、击波物理、击波化学、材料动力学、击波理论、应力波理论；（2）具有应用性质的空中爆炸、水下爆炸和土岩中爆炸的力学、高速冲击动力学、粒子束或激光束的高能密度动力学、爆破工程力学、爆炸工艺力学、爆炸结构力学；（3）具有工具和技术手段性质的计算爆炸力学、瞬态测量技术、模拟技术等研究领域。我国的有关研究工作是在50年代末期开始的，中国科学院开展了爆破和爆炸加工技术的研究，军工部门开展了原子弹研制和爆轰的研究。60年代初钱学森认为我国爆炸现象的研究已经具备初步基础，一门新兴技术科学已经涌现，遂命名为“爆炸力学”。30年来我国在爆炸力学方面展开了广泛深入的研究，特别应该提到的是60年代郑哲敏等独立提出了流体弹塑性体模型，随后以这一模型为基础解决了一系列与核爆炸效应、高速冲击以及爆炸加工有关的问题。今后爆炸力学的研究应侧重基础，侧重民用，建议着重研究以下几个问题:1）爆炸载荷作用下材料的本构特性的研究；2）击波化学和起爆机制的研究；3）激光辐照下材料变形和变性的研究；4）含有流体的多孔介质和散体的动力学研究；5）爆炸和冲击作用下的结构动力学研究。2.4.4环境流体力学环境流体力学是研究同人类生存环境及其变迁有关的流动问题的力学分支，也是环境科学的重要组成部分。环境流体力学着重研究地球表面，包括大气圈、水圈、冰雪圈、土壤岩石圈、生物圈中的介质（如大气、水、溶质、气溶胶、污染物、微量气体）的动量、能量、物质输运规律及其对人类环境的影响；同时研究与保护环境有关的绿色产业中的流动问题。人类为了生存和栖息，从刀耕火种时代起就同自然界作斗争，同时也无意识地破坏了自己的生存环境。第二次世界大战以来，因人口剧增，资源利用不当，导致一系列严重环境污染事件（如烟雾事件、水俣事件）发生，人类开始认识到治理环境的重要性。近20年来，因气候变暖、臭氧空洞、厄尔尼诺、土地沙漠化等各种全球性环境问题正在威胁着人类，人们普遍认识到保护地球的紧迫性，并把环境和发展结合起来。这就是环境流体力学产生和发展的背景。我国幅员辽阔，人口众多，水资源紧缺，水土流失，泥沙沉积，土地沙漠化、盐碱化，环境污染严重，更迫切需要研究和治理。五六十年代环境流体力学主要研究污染问题，目前逐步趋于研究多尺度、多学科的综合性问题，包括气候、生态、污染、灾害诸多方面。国际上大型合作科研项目，如国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际减轻自然灾害（IDND）十年计划正在实施。我国在解放以后，水利、气象、海洋、地理等部门积累了大量丰富的观测资料，环境流体力学的研究可在环境科学从定性或统计描述转向动力学描述方面发挥重要作用。可综合应用流体力学、地球科学、生物、化学、生态学等学科中的基本原理，分析现场观测（包括卫星观测）的资料，建立模型，揭示机理，发现规律，进行预报，并提出防治措施。在未来的世纪，我们要结合环境科学的发展趋势，根据我国经济与社会可持续发展的需要与研究现状，建议重点开展如下几方面的研究:1）微气象和陆气、海气界面的湍流交换。2）两相环境（泥沙、风沙、泥石流、土壤侵