21世纪初的力学发展趋势.doc

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;mercialuse21世纪初的力学发展趋势郑哲敏周恒中国科学院力学研究所,天津大学张涵信黄克智中国空气动力研究与发展中心,清华大学白以龙中国科学院力学研究所,北京100080摘要回顾力学发展史,阐明在科技发展过程中力学对于认识自然规律和解决工程技术问题中的地位和作用;提出在固体力学、流体力学、一般力学以及有关力学的若干交叉学科领域中的一些重要研究课题;展望21世纪(特别是21世纪前期)的力学发展趋势。关键词力学史,21世纪,力学展望,固体力学,流体力学,一般力学,交叉学科力学是力与运动的科学,它研究的对象主要是物质的宏观机械运动,它既是基础科学,又是众多应用科学特别是工程技术的基础。它过去建立在牛顿定律和经典热力学的基础上,现在则扩大到量子力学描述的微观层次。力学和天文学、微积分学几乎同时诞生,曾在经典物理的发展中起关键作用。20世纪力学在推动地球科学,如大气物理、海洋科学等的定量化方面,作出了重大贡献。近年来还在材料科学、生物学、医学等科学分支中起着越来越重要的作用。由研究弦、杆、板振动而形成的数学物理方法中的谱理论,很自然地被移用到量子力学。由力学现象中首先发现的分叉(可追溯到200多年前Euler对压杆稳定性的研究)、孤立波(约100年前)、混沌(30年前)等现象以及相应的理论方法,是被称为20世纪自然科学最重要发展之一的非线性科学的核心部分。由于力学本质上是研究物体宏观运动的,而宏观运动是人类唯一可以直接感知,因而更易理解的运动,所以由力学中首先发现的带有规律性的现象,后来被发现具有超出宏观运动意义的这种人类认识自然的无穷尽的过程,今后仍将继续不断。力学又是为数极多的工程技术的基础学科。在20世纪,出于工程技术发展的需要(顺便提一句,工程可以说无一例外地是宏观的),应用力学有空前的发展。在力学理论的指导或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。最突出的有:以人类登月、建立空间站、航天飞机等为代表的航天技术;以速度超过5倍声速的军用飞机、起飞重量超过300t、尺寸达大半个足球场的民航机为代表的航空技术;以单机功率达百万千瓦的汽轮机组为代表的***,可以在大风浪下安全作业的单台价值超过10亿美元的海上采油平台;以排水量达5×105t的超大型运输船和航速可达30多节、深潜达几百米的潜艇为代表的船舶工业;可以安全运行的原子能反应堆;在地震多发区建造高层建筑;正在陆上运输中起着越来越重要作用的高速列车,等等,甚至如两弹引爆的核心技术,也都是典型的力学问题。力学在解决众多的新的工程技术问题及向其它学科渗透中,大大丰富了力学学科本身。在传统的理论力学、材料力学、流体力学等学科外形成了空气动力学、水动力学、渗流力学、物理化学流体力学、弹塑性力学、断裂与损伤力学、岩土力学、振动学、生物力学、结构力学、爆炸力学、等离子体动力学、物理力学、细观固体力学等分支。在有些方面,解决了过去不能解决的问题,如高速空气动力学之对于航空、航天技术。有些方面,则大大改变了传统的概念,如断裂、损伤力学的成果深刻地改变了强度设计的观点。又如,由于结构动力学的发展及对地震波的研究,打破了过去在地震多发区不能盖高层建筑的禁区。由于解决科学和工程技术问题需要计算,力学工作者在电子计算机出现之前就已经提出了不少有效的数学工具和计算方法。由边界层研究发展起来的奇异摄动法已经形成普遍使用的数学手段。有些方法,如Galerkin法,松弛法等,至今仍是计算数学的基本方法之一。在高速电子计算机出现后,力学的计算更是如虎添翼,新的计算方法迅速出现,如从结构力学中发展起来的有限元法,现在已是各种科学问题(远不限于力学)的基本算法之一。由于流体力学计算的需要,极大地推动了有限差分法的发展。现在,计算力学已是整个计算科学中最重要的支柱之一。从以上对力学发展过程的回顾可以清楚地看到,力学是随着人类认识自然现象和解决工程技术问题的需要而发展起来的。力学又的确对认识自然和解决工程技术问题起着极为重要、在很多时候是关键的作用。环绕我们的自然界,如今还有众多的关系到人类生存和生活质量的宏观现象,远没有被认识清。如全球的气候问题、环境问题、海洋问题、自然灾害(如台风等)问题等,将会继续不断提出新的力学问题。更不用说,21世纪将出现的更新、更大、更复杂的工程技术问题有赖于力学的新发展去解决。只要承认人类永远生活在宏观环境中,就不难理解力学的发展对人类生存和社会进步是永远不可少的。目前在科学的研究上,正在采用对同一问题在不同尺度上进行研究的方法,力学也不例外,例如为了更好地理解材料的力学性能,既需要在宏观层次上,又需要在细观、甚至微观层次上进行研究,但是如何将不同层次的现象联系起来,无论对哪一学科都还是难题。证诸科学发展的历史,有