文史百科力学史的近代力学

Posted 2022-12-19 力学

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20世纪上半叶，物理学发生巨大变化。

狭义相对论、广义相对论以及量子力学的相继建立，冲击了经典物理学。

前两个世纪中以力学模型来解释一切物理现象的观点（即唯力学论，旧译机械论）不得不退出历史舞台。

经典力学的适用范围被明确为宏观物体的远低于光速的机械运动，力学进一步从物理学分离出来成为独立的学科。

这半个多世纪中力学的主要推动力来自以航空事业为代表的近代工程技术。

1903年莱特兄弟飞行成功，飞机很快成为交通工具。

1957年人造地球卫星发射成功，标志着航天事业的开端。

力学解决了飞机、航天器等各种飞行器的空气动力学性能问题、推进器的叶栅动力学问题、飞行稳定性和操纵性问题以及结构和材料强度等问题。

在航空和航天事业的发展过程中，人们清楚地看到力学研究对于工业的先导作用。

超声速飞行和航天飞行器返回地面关键问题，都是仰仗力学研究才得到解决。

1945年第一次核爆炸成功，标志着核技术时代的开始。

力学解决了对猛烈炸药爆轰的精密控制，材料在高压下的冲击绝热性能，强爆炸波的传播，反应堆的热应力等问题。

此外，新型材料出现如混凝土在建筑中的应用，合成橡胶和塑料的制成，都向力学提出了新的课题。

力学实验规模日益扩大，有些实验研究已不是少数人所能完成的，如作流体力学实验用的风洞、激波管、水洞、水池，作动态强度试验用的振动台、离心机、轻气炮等就需要复杂的机器设备和精密的控制测量仪表，有的还需要巨大的能源，因而需要多种技术人员协同工作。

在力学内部，一个重要的特点是19世纪中叶开始的理论研究和应用研究脱节的倾向开始发生变化。

19世纪中叶侧重理论研究的水动力学和弹性力学，往往应用较深的数学而不很关心工程师们的实际运用，侧重应用研究的水力学和材料力学常用经验的或半经验的公式而不大关心力学现象的内在机理。

而到了1904年在德国格丁根大学数学教授F.克莱因的倡导下成立了应用力学研究所，力求把当时称为“数学理论”的水动力学和弹性力学应用于工程实际。

一个典型的例子就是L.普朗特为解决飞行阻力这一实际问题而创立了边界层理论。

此后格丁根应用力学学派的影响遍及世界各国。

近代力学的代表人物有德国学者普朗特，美籍匈牙利学者T.von卡门，英国学者G.I.泰勒，苏联学者Л.И.谢多夫和中国学者钱学森，他们善于从错综复杂的自然现象、科学实验结果和工程技术实践中抓住事物的本质，提炼成力学模型，采用合理的数学工具，从而掌握自然现象的规律或者进而提出解决工程技术问题的方案，最后再和观察结果反复校核直到接近实际为止。

他们这一套工作方法逐渐形成应用力学的特殊风格。

由古老的材料力学、19世纪发展起来的弹性力学和结构力学、20世纪前期建立理论体系的塑性力学和粘弹性力学融合而成。

这个时期，由于地震研究的需要，弹性动力学获得迅速的发展。

以兰姆命名的在地表脉冲载荷作用下的弹性波传播问题（1904），在1939年由L.卡尼阿特用积分变换法加以处理和推广，解释了侧面波现象，这一方法成为现代弹性动力学的重要基础。

层状介质中弹性波传播问题得到了周详的研究，H.杰弗里斯解释了层间折射震相现象。

用地震波来探明地球的内部构造和地层分布，需解决困难的反演问题，即从地表观测数据来反推介质性质和震源机制。

在弹性静力学方面，解决了有重要意义的孔附近的应力集中问题（G.基尔施，1898；Г.В.科洛索夫，1910），并据此发展出用复变函数处理弹性力学的一般方法。

航空工程要求解决轻质蒙皮结构的强度、颤振、疲劳和稳定性问题，板壳理论得到空前的发展。

卡门提出了薄板大挠度问题（1910），他又和钱学森一起导出非线性的球壳和柱壳的方程，解决了长期存在的线性屈曲理论和实际不符问题，开创了非线性屈曲理论（1939，1941）。

后来W.T.科伊特系统地发展了非线性弹性稳定性理论（1945）。

J.L.辛格和钱伟长应用张量分析建立了极为普遍的板壳理论，根据量级分析把板壳理论按近似程度分成几十种类型，这是迄今最周详的分析（1940）。

钱伟长还提出了用摄动法解决薄板大挠度一类非线性方程的求解问题（1947）。

为了寻求难于得出精确解的大量问题的近似解，发展出著名的瑞利－里兹法和伽辽金法。

在这个背景上发展了各种变分原理，如赫林格-赖斯纳变分原理（1914，1950）和胡海昌-鹫津久一郎变分原理（1954,1955）。

在结构力学方面，由于桁架的出现而发展了A.本迪克森的转角位移法（1914）。

H.克罗斯提出了巧妙的逐步数值解法──力矩分配法（1932），引出了应用较广的松弛法，最后导致有限元法的建立，从而使弹性力学的求解方法出现了重大突破。

在有限变形理论方面，M.赖纳在1945年用各向同性张量函数给出了非线性弹性的本构关系，R.S.里夫林给出非线性弹性普遍方程的一些精确解，解释了开尔文效应、坡印亭效应等重要的非线性现象，为后来理性力学学派的复兴作了先导。

塑性力学的建立是力学在20世纪的大事。

普朗特和A.罗伊斯建立了增量形式的塑性本构关系，H.亨奇等建立了全量形式的塑性本构关系，R.希尔对塑性理论的总结（50年代），德鲁克公设（1952）和以后的伊柳辛公设（1961）为塑性理论的建立奠定了理论基础。

60年代塑性力学解决了金属压延和结构强度等大量问题。

极限设计理论的提出显示出塑性力学在节约材料中的重大作用。

襄雷指出，塑性屈曲中的丧失唯一性和丧失稳定性属于不同的概念，这是塑性屈曲研究的一个里程碑。

在第二次世界大战期间，卡门、G.I.泰勒和X.A.拉赫马图林各自独立地建立了塑性波理论，开辟了塑性动力学的新领域。

应变率对于塑性性能的影响被发现了，从В.В.索科洛夫斯基（1948），L.E.马尔文（1951）起开始探索粘塑性理论。

在航空、航天事业的推动下，20世纪上半叶流体力学的发展主要在空气动力学方面。

空气动力学最早是由解释和计算机翼举力开始的。

F.W.兰彻斯特的《空气动力学》（1907）和《空气翱翔学》（1908）两书中，已经包含他1894年提出的举力环流理论。

以后M.W.库塔和儒科夫斯基也认识到环流和举力的关系，儒科夫斯基还给出可用的计算举力的定理和这个定理的各种应用，解决了有关二元机翼即无限翼展机翼的问题。

为现代机翼理论创立实用数学形式的是普朗特。

普朗特提出有限翼展的举力线理论（1918），其中把工程师们所关心的举力分布计算归结为一个积分方程，它的解对设计工作提供重要根据。

这一理论成为一切中等速度飞机设计的基础。

机翼的阻力计算也在19世纪所积累的经验和普朗特边界层理论的基础上得到不同程度的解决。

当飞机速度提高时，提出了超声速飞行和跨声速空气动力学问题。

E.马赫在19世纪末关于弹丸超声速运动的开拓性研究得到重视和发展。

J.阿克莱特（1925）建立了二元线性化机翼的超声速举力和阻力理论。

这个理论后来由普朗特（1930）、钱学森（1939）、卡门（1940）等作过修正。

当马赫数接近1，即飞行速度接近声速时，翼面上有些点的当地速度超过声速，对于这种跨声速的流场，阿克莱特的理论及其修正都不适用了。

阿克莱特（1946）、H.W.李普曼（1946）、钱学森和郭永怀（1946）分析了流场中出现的边界层和冲击波的相互作用，成功地解决了跨声速飞行中的空气动力学理论问题。

力学上有关理论的建立和工程上后掠机翼的采用，使跨声速飞行成为现实。

力学对突破航空中的声障起了关键作用。

到了50年代，洲际导弹、航天技术又提出了飞行器再入大气时的加热问题。

空气动力学又成功地解决了这问题，产生了当前通用的烧蚀防热办法。

除航空、航天技术外，核爆炸技术也提出许多空气动力学问题，对其中的强爆炸问题G.I.泰勒（1946，1950）和谢多夫（1946）分别用力学中量纲分析的方法提出自模拟理论，该理论和以后的发展是核爆炸技术中计算冲击波强度的主要理论根据。

边界层理论的提出和分析机翼阻力有关，但它的意义不限于空气动力学。

普朗特所开创的这一理论，经过卡门（1921）和K.波尔豪森（1921）对边界层方程所作的简化和提出的近似计算方法后，一直是流体力学中令人瞩目的课题。

它不仅在力学方面的各种问题，如高速边界层、层流边界层、湍流边界层中有不少发展，而且从中提出的数学方法还逐渐形成了奇异摄动法，这种方法适用范围甚至超出力学。

雷诺在19世纪末提出流体运动稳定性问题和湍流理论也是流体力学中的重要课题。

20世纪以来在热对流的稳定性、平行流动稳定性、同轴两转动圆筒间的流动稳定性的研究方面，都有重要的进展。

特别是对最后一种稳定性问题，1923年G.I.泰勒得到失稳的临界参数值。

湍流理论在20年代主要是半经验性的，如普朗特考虑到动量传递而提出的混合长度理论。

30年代开始的各种理论模型出现，其提出者有G.I.泰勒（1935）、周培源（1937起）、卡门（1938），以及物理学家W.K.海森伯（1947）等。

但湍流理论至今尚不够完善。

电子计算机自1946年问世以后，计算速度、存储容量和运算能力不断提高，过去力学工作中大量复杂、困难而使人不敢问津的问题，因此有了解决的门路。

计算机改变了力学的面貌，也改变了力学家的思想方法。

有限差分方法很早被用于强爆炸冲击波计算，还随着出现了人工粘性、激波装配等克服间断性困难的办法。

1963年J.E.弗罗姆和F.H.哈洛成功地计算了长方形柱体的绕流问题，给出柱体尾流涡街的形成和随时间的演变过程，并以《流体力学中的计算机实验》为题作了介绍，这一事件被看作是Link title计算流体力学兴起的标志。

弹塑性动力学问题也用差分法作了有效的计算。

在计算的实践中还创立了很多新概念，从运用传统的拉格朗日方法和欧拉方法等算法，发展到在差分格子里讨论质量、动量和能量的输运和均衡，建立了所谓离散力学。

最令人鼓舞和惊叹的还是60年代有限元法的兴起。

有限元法发源于结构力学。

一个连续体结构经离散化为杆件（有限元）的组合后，计算机可以轻巧地对这种复杂杆件系统作出计算。

有限元法一出现就显示出无比的优越性，它迅速的占领了整个弹性静力学。

经过一段关于有限元法的数学基础和收敛性问题的深入讨论之后，认清了有限元法和变分原理的关系。

力学家们自觉地以各种变分原理为基础建立了不同形式的杆元、板元、壳元、夹层板元、三维应力元、半无限元、奇异元、杂交元等，发挥了有限元法的巨大威力。

随后它又冲出弹性静力学的范围，被广泛应用于弹性动力学、瞬态分析、塑性力学、流场分析，并向传热学、电磁场等非力学领域渗透，显示了极为光辉的前途。

孤立子和混沌现象的发现是计算机给力学以深刻影响的两个突出的例子。

非线性波的研究在水波、气体和等离子体中的冲击波和弹塑性波等领域中受到重视。

1965年N.J.扎布斯基和K.D.克鲁斯卡尔利用计算机对浅水波的KdV方程进行数值积分，发现在直线上行进的孤立波碰撞前后的形状相同，具有粒子的性质。

这一发现和后继的研究使非线性波理论焕然一新，应用范围遍及大气、洋流、晶格力学，以至非线性光学和粒子物理学等。

混沌现象的最早例子是E.N.洛伦茨1963年在研究大气对流问题时通过数值计算发现的，这件事说明在确定性系统中也可出现类似随机的过程，这是有序向无序的一种演化过程，是非线性动力学中一个令人惊异的现象。

混沌和有关的奇怪吸引子理论的一些结果冲击了数学、物理学的许多分支。

例如湍流问题是流体力学中长斯存在的难题，分岔和混沌模型结合在实验中发现的拟序结构，使这个难题的解决似乎有了新的希望。

计算机惊人的运算能力和对介质的力学性能不甚清楚之间的矛盾，推动了对材料本构关系的深入研究。

计算机又使力学实验方法现代化，实验数据的采集整理可以借助微型计算机自动实现。

计算机甚至可部分地代替某些常规实验。

航天工程开辟了人们的视野，现代力学以远远超过牛顿时代的水平再度向天文学渗透。

人们用磁流体力学研究太阳风在地球磁场中形成的冲击波，用流体力学结合恒星动力学研究密度波，以解释旋涡星系的螺旋结构，以至用相对论流体力学来研究星系的演化。

航天任务基本实现之后，60年代起许多力学家开始转向新的力学生长点。

由冯元桢等奠基创建的生物力学就是一个科学渗透的显著例子。

多年来的研究使人们认识到：“没有生物力学，就不能很好地了解生理学。

”生物力学在考虑生物的形态和组织的基础上，测定生物材料的力学性质，确定本构关系，再结合力学基本原理解决边值问题，这些已在定量生理学、心血管系统临床问题和生物医学工程方面取得不少成就。

现代力学又向地球科学渗透，在板块动力学、构造应力场、地震预报以及用反演法阐明震源机制、地层结构和地质材料性质方面进行新的探索，并推动岩石力学的研究。

在工程技术方面，如能源开发、环境保护、材料科学、海洋工程、安全防护等综合技术都提出多种多样力学新课题。

因此现代力学都必须和别的学科相结合，发展边缘学科解决这些问题。

在机器人控制和卫星姿态控制研究中的多刚体系统动力学问题就需要用由力学和控制反馈理论相结合的方法进行研究。

力学向外渗透的同时，在力学内部也出现了综合的倾向。

从19世纪力学分为三大支以后，每个分支到20世纪又进一步分化，积累了大量资料，因而提出了概括和提高的任务，需要在统一的基础上把各个分支学科综合起来。

在50年代出现了以C.特鲁斯德尔为代表的理性力学学派，他们重新检核了连续介质力学和热力学的基础，在1958年由W.诺尔提出以确定性原理、局部作用原理和材料的标架无关性原理作为三条公理，按照过去达朗伯关于理性的力学必须建立在显然的公理上的思想，运用演绎的方法推导出弹性和粘性等简单物质的本构关系。

在60～70年代，公理系统续有扩大，经统一处理的理想材料包括粘弹性和塑性等记忆材料，具有微结构的有向材料，非局部作用模型、混合材料以及热－力耦合材料等。

在统一处理材料本构关系的同时，理性力学学派还综合讨论了各种介质应共同遵守的通有原理和共有的现象和方法如波动、稳定性、变分方法等。

钱学森指出，理性力学就是连续介质力学的基础理论，它的任务是审核复杂物性物质或材料的基本方程是否和热力学、力学基本原理相容，因而有重要的实际意义。

从构成物质的微观粒子（如分子、原子、电子）或者细观结构（如晶粒、分子链）的性质及其相互作用出发来确定材料的宏观性质（如本构关系中的弹性系数、松弛函数、热导率、比热），或者解释变形或破坏的机制等等，从40年代到50年代已积累了大量结果。

用统计力学方法处理气体的平衡问题已较成熟，但对液体和固体的问题，以及非平衡过程方面的问题则很差。

在40年代用统计力学处理高分子材料的分子网络，得到的贮能函数和用非线性弹性理论所得到的非常接近。

这个结果令人鼓舞，但限于弹性范围。

1936年G.I.泰勒提出的金属中的位错假说，50年代已被实验证实，并在60年代发展成位错动力学。

用位错参数表达的奥罗万应变率公式已经通过“内变量”的桥梁进入宏观的本构关系，沟通了宏观和微观的关系。

材料中往往存在大量裂纹、损伤或裂隙，使连续介质发生间断并影响其力学性能。

位错理论和断裂力学分别从微观和宏观的角度突出了缺陷材料性能的重要性，两者之间有密切联系。

断裂力学在60年代迅速发展，改变了对强度安全设计和材料评价的传统看法。

宏观和微观的沟通还表现在某些观点上。

19世纪统计力学建立以来，经典力学中的确定论和统计力学中的随机论一直是截然不同的两种观点。

60～70年代力学和物理学中对混沌现象的研究说明，经典力学系统自身具有内在的随机性。

人们又得重新估计经典力学和统计力学之间的联系。

几千年来人类对物质机械运动即力学规律的认识，经历了由浅入深、由表及里的过程。

科学的发展总的说来是既有综合又有分析，但在特定的阶段可能有所侧重。

自然科学最早是统一的无所不包的自然哲学，以后物理学从其中分出来，力学又从物理学中分出来，后来力学出现分支学科，再派生出新的分支学科，与此同时还出现综合的倾向。

有一种观点认为，当代自然科学的总趋势是由交叉学科、边缘学科发展成为综合性更强的科学。

如果真是这样，力学未来的面目也许很不同于今天。

然而有一点则是肯定的，人们对物质世界的认识总是在原先积累的基础上进一步深化。

无数相对真理的总和，就是绝对真理。

参考书目

清华大学自然辩证法教研组编：《科学技术史讲义》，清华大学出版社，北京，1982。

S.P.铁木生可著，常振檝译：《材料力学史》，上海科学技术出版社，上海，1961。

（S.P.Timoshenko,History of Strengthof　Materials,McGraw-Hill,New York,1953.)

钱学森：现代力学，《力学与实践》，第1期，第4～9页，1979。

卡尔曼著，江可宗译：《空气动力学的发展》，上海科学技术出版社，上海，1959。

（T.vonKármán,Aerodynamics:Selected Topics in the Light of Their Historical Development,Cornell Univ.Press,Ithaca,1954.)

S. Goldstein,Fluid　Mechanics　in　the　First Half of this　Century,Annual Reviews of　Fluid Mechanics,Vol.1,pp.1～28,1969.

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