力學(xué)交叉學(xué)科發(fā)展報告

1、2.4力學(xué)中的交叉學(xué)科 力學(xué)中的交叉學(xué)科基本上可以分為兩類：第一類由力學(xué)學(xué)科內(nèi)部不 同分支學(xué)科交叉組成；第二類由力學(xué)與其它學(xué)科交叉組成。 內(nèi)部的交叉學(xué)科最典型的是由流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉組成的學(xué) 科，它們有: 1）流體彈性力學(xué)，研究流體和固體的運動和相互作用發(fā)生耦合效 應(yīng)的問題; 2）流體彈塑性體力學(xué)，研究兼有固體和流體的雙重特征的物體的 變形和運動; 3）含有流體的多孔介質(zhì)或散體的動力學(xué)，研究的客體本身就由多 相組成，而骨架的變形和破壞與體內(nèi)流體的狀態(tài)和運動發(fā)生相互制約。 這方面的實例有地下滲流、地基、邊坡和斷層的穩(wěn)定性、泥石流、雪崩 等。 物質(zhì)的運動形式多種多樣，除了機械運動這一最基礎(chǔ)的形

2、式以外, 還有熱運動、電磁運動、原子及其內(nèi)部的運動和分子及原子層次的化學(xué) 運動等。機械運動往往不能脫離其他運動形式獨立存在，在需要和可能 研究其他運動形式對機械運動有較大影響或者考慮它們之間的相互作 用及內(nèi)在聯(lián)系的情況下，便會在力學(xué)同其他學(xué)科之間形成交叉學(xué)科或邊 緣學(xué)科的生長點。 力學(xué)是研究物質(zhì)機械運動規(guī)律的科學(xué)。隨著人類觀測手段的進步和 對各種形式運動認識的深入和提高，特別是20世紀物理學(xué)各個分支和 數(shù)學(xué)的飛速發(fā)展，加上計算機科學(xué)和技術(shù)的突飛猛進，人們對于伴隨有 其他運動的機械運動的認識也隨之提高。今天，我們對自然界各種層次 的物質(zhì)，從宇觀的宇宙體系，宏觀的天體和常規(guī)物體，細觀的顆粒、纖 維

3、、晶體，到微觀的分子、原子、基本粒子已經(jīng)有了較為廣 深的認識。這樣就為研究多種形式同時存在的復(fù)雜運動提供了有利條 件，從而產(chǎn)生了力學(xué)中多種多樣的交叉學(xué)科，如物理力學(xué)、電磁流體和 等離子體力學(xué)、物理化學(xué)力學(xué)、爆炸力學(xué)等。 此外，自然科學(xué)發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了一些傳統(tǒng)的一級學(xué)科，如 天文學(xué)、地學(xué)和生物學(xué)等。這些學(xué)科和力學(xué)的研究內(nèi)容和范圍歷來存在 著重大的相交和重疊。對于天體、地球和生物這樣一些重大類別的物體 來說，機械運動形式也是他們的基本運動形式，研究他們的結(jié)構(gòu)和運動 變化的規(guī)律也是力學(xué)學(xué)科的內(nèi)容。今天，天體力學(xué)和天體物理實際上超 出了剛體和多體動力學(xué)的范圍，增添了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、物 理化學(xué)流體力

4、學(xué)以及電磁流體和等離子體力學(xué)的內(nèi)容；地學(xué)的研究對象 則超出了地球表面現(xiàn)象的范圍而拓寬到大氣 、海洋以至地球內(nèi)部的力學(xué) 過程；而生物力學(xué)則方興未艾，從基因、細胞、組織和器官四個層次全 面展開系統(tǒng)的研究。 交叉學(xué)科的形成不僅有利于發(fā)展新學(xué)科并促進源學(xué)科的發(fā)展，而且 對推動科學(xué)、技術(shù)和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著巨大的作用。下面將分別探討物 理力學(xué)、電磁流體和等離子體力學(xué)、爆炸力學(xué)、環(huán)境流體力學(xué)、地球動 。我們 力學(xué)和生物力學(xué)今后一個時期的發(fā)展方向與建議著重研究的領(lǐng)域 估計在下一世紀這些交叉學(xué)科，特別是物理力學(xué)、地球動力學(xué)、生物力 學(xué)和環(huán)境流體力學(xué)等學(xué)科將會有長足的進步，并將有力地促進人類和社 會的進步和發(fā)展；

5、而力學(xué)與其它學(xué)科的交叉必將得到進一步的擴大和加 強。 2.4.1 物理力學(xué) 2.4.2電磁流體力學(xué)和等離子體動力學(xué) 2.4.3爆炸力學(xué) 2.4.4環(huán)境流體力學(xué) 2.4.5 地球動力學(xué) 2.4.6 生物力學(xué) 2.4.1物理力學(xué) 物理力學(xué)是研究力學(xué)運動規(guī)律的微觀理論的一個力學(xué)分支。 傳統(tǒng)力學(xué)采用連續(xù)介質(zhì)模型，對介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)不做假設(shè)與追究, 采用從經(jīng)驗得到的描述介質(zhì)力學(xué)性狀的本構(gòu)關(guān)系，運用牛頓運動定律和 熱力學(xué)定律來描述介質(zhì)的力學(xué)運動。 到了本世紀中葉，面臨著航空、航天與原子能等技術(shù)中高溫、高壓 和強射線作用下材料介質(zhì)的性質(zhì)問題，再不能靠傳統(tǒng)經(jīng)驗方法來解決。 從物質(zhì)的深層次來研究和解決問題就成為必

6、由之路。事實上，物質(zhì)本是 由原子和分子組成的，是有微觀結(jié)構(gòu)的。物質(zhì)的宏觀性質(zhì)是由其微觀結(jié) 構(gòu)及其運動規(guī)律所決定的。自本世紀以來，物理學(xué)和化學(xué)對物質(zhì)微觀運 動規(guī)律的研究已經(jīng)取得了成功。物理力學(xué)的任務(wù)就是要溝 通微觀與宏觀之間的中間過渡領(lǐng)域。以微觀運動的理論為基礎(chǔ)探求中間 層次的規(guī)律性，以求闡明和預(yù)測介質(zhì)材料的宏觀力學(xué)性質(zhì)，為未來的材 料設(shè)計提供理論依據(jù)。 50年代早期的物理力學(xué)多采用簡化模型方法，研究內(nèi)容多局限于 熱力學(xué)平衡和偏離平衡很小的準平衡性質(zhì)，以氣相和簡單凝聚相介質(zhì)為 主。近20年來由于計算技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了像分子動力學(xué)等一些新的 理論方法，增進了對凝聚態(tài)內(nèi)部微觀過程的了解，使之可以達到

7、探求介 質(zhì)內(nèi)部高度非線性不可逆過程行為的程度。對材料細觀層次的了解，特 別是對材料的非均勻性、微缺陷及其運動和演化規(guī)律的了解有 所加深。所有這些為建立材料形變與強度的統(tǒng)計理論，進而為完善從微 觀到宏觀的過渡帶來了希望。 面對當前高新技術(shù)的需要，建議今后要著重研究以下四個方面的問 1）超高壓、超高溫與強輻射場作用等極端條件下的材料力學(xué)性質(zhì); 2）固體塑性變形與破壞的微觀機理與統(tǒng)計理論的研究; 3）以原子分子理論為基礎(chǔ)的新型材料力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān) 系， 以及對其力學(xué)性能的理論預(yù)測; 4）有化學(xué)反應(yīng)參與的氣相或等離子體相的材料沉積微觀過程的研 究。 2.4.2電磁流體力學(xué)和等離子體動力學(xué) 這個

8、力學(xué)分支包括了以下三個分支學(xué)科 1）電流體力學(xué)。研究單極性流體或極化流體與電場的相互作用。 2）磁流體力學(xué)。研究導(dǎo)電流體與磁場的相互作用。 3 ）等離子體動力學(xué)。研究低溫等離子體各種運動狀態(tài)，非平衡過 程以及低溫等離子體電與磁場的相互作用。 這個力學(xué)分支是流體力學(xué)、電動力學(xué)和熱力學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科, 也是等離子體物理學(xué)中的宏觀理論部分。 F面重點討論磁流體力學(xué)。 導(dǎo)電流體通常指等離子體、液態(tài)金屬、水和血液等。等離子體被稱 作是物質(zhì)的第四態(tài)，包括自然界等離子體與實驗室等離子體。液態(tài)金屬 包括自然界的水銀，地核物質(zhì)等，以及工業(yè)應(yīng)用中的熔化金屬。 1832年法拉第最早提出的磁流體力學(xué)問題是:泰晤士河

9、水切割地 磁磁力線產(chǎn)生電動勢，能否通過測量兩岸的電位差來估算河水的流速結(jié) 果未獲成功。以后，工程師們提出過電磁泵的想法。地球物理學(xué)家提出 過發(fā)電機作用”來解釋地球磁場的起源。天體物理學(xué)家Cowling， Ferraro開始探討磁流體力學(xué)理論，Hartmann進行過簡單的磁流體力學(xué) 實驗。1942年，瑞典工程師和天體物理學(xué)家H。Alfven提出了 Mag neto-hydrody namics （ MHD） 這個學(xué)科名，以及提出 磁凍結(jié)”概 念，討論磁凍結(jié)”流動特點，發(fā)現(xiàn)Alfven波，這些標志著這門學(xué)科的建 立。 近幾十年，磁流體力學(xué)這門學(xué)科的迅猛發(fā)展是和以下三個領(lǐng)域的發(fā) 展密切相關(guān)的。 1

10、）地球物理，日地空間物理和天體物理。 在地球大氣層以外到處是等離子體，磁場也普遍存在。因此，到處 存在磁流體力學(xué)問題。第二次世界大戰(zhàn)以后射電天文學(xué)的興起，出現(xiàn)了 以等離子體理論為基礎(chǔ)的天體物理學(xué)，大大改變了長期以來以光學(xué)望遠 鏡觀測為主的，以原子理論為基礎(chǔ)的天體物理學(xué)。1957年人造衛(wèi)星上 天以后，用衛(wèi)星、飛船帶上觀測儀器對日地空間、太陽、宇宙的考察, 發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象，形成了很多新學(xué)科。其中磁流體力學(xué)內(nèi)容占有很大 比重。如日冕物理、太陽風(fēng)物理、地核內(nèi)的流體運動和磁層物理就是如 此。 2）受控核聚變反應(yīng)。 50年代初，美國、前蘇聯(lián)開始探索新能源。人們很快發(fā)現(xiàn)，幾乎 所有磁約束裝置都有一個共同難

11、題:磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性。幾十年后的 今天，在被認為研究得最充分的磁約束裝置環(huán)流器上，破裂不穩(wěn)定性仍 未最后弄清楚，盡管人們可以采取一系列措施來大大減少破裂的發(fā)生。 其余的問題見后。 3）等離子體技術(shù)，冶金工業(yè)等工程技術(shù)。 以冶金工業(yè)為例。在連續(xù)鑄造中用電磁力對熔化金屬進行攪拌，可 以提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前，電磁攪拌器這項新技術(shù)已被廣泛采用；而電磁 攪拌器的研究內(nèi)容是標準的磁流體力學(xué)問題。 建議今后著重研究以下磁流體力學(xué)問題 1 ）導(dǎo)電流體的流動穩(wěn)定性與湍流，特別是強磁場下流動穩(wěn)定性與 二維湍流的研究。 2）非線性有限電阻不穩(wěn)定性，特別是破裂不穩(wěn)定性與磁場重聯(lián)的 研究。 3）發(fā)電機理論的進一步研究，

12、如過程中R-T不穩(wěn)定性的研究，含 氣泡物質(zhì)上升與水平散開動力學(xué)過程的研究。 4）磁流體力學(xué)激波結(jié)構(gòu)，進化性與穩(wěn)定性。 5）聚變堆和混合堆的研究，強磁場下 MHD管道流減小電磁阻力 與增強傳熱的研究，MHD液態(tài)金屬自由面流動的研究，MHD直接發(fā)電 等。 6 ）冶金技術(shù)的研究。磁懸浮冶煉，電磁結(jié)晶器，用電磁力控制流 量，粉末冶金中電磁霧化等。 243爆炸力學(xué) 爆炸力學(xué)是研究爆炸的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律以及爆炸的力學(xué)效應(yīng)的利 用和防護的學(xué)科。 我國早在8世紀中唐時期已有火藥配方，10世紀宋初即已制作火 箭火炮，17世紀明代宋應(yīng)星闡明火藥爆炸形成沖擊波的現(xiàn)象。1867年 諾貝爾發(fā)明硝化甘油，19世紀末和20世

13、紀初建立了描述沖擊波躍變的 Rankine-Hugoniot關(guān)系以及描述自持爆轟的 Chapman-Jouget理論, 第二次世界大戰(zhàn)期間， G.I. Taylor , J. von Neumann ,川.M. Ce 等ob 結(jié)合常規(guī)武器和原子武器的研制在高速沖擊力學(xué)、爆炸產(chǎn)物狀態(tài)方程、 爆轟理論、空中和水下爆炸理論、點源強爆炸理論等方面取得重要進 展，初步形成了爆炸力學(xué)這門學(xué)科。戰(zhàn)后，動武器、核武器和激光武器 的效應(yīng)和防護的研究，固體中擊波合成新材料，慣性約束聚變，爆炸加 工，爆破技術(shù)等方面的研究進一步推動爆炸力學(xué)的發(fā)展，成為由下面三 個密切相關(guān)的部分 構(gòu)成的體系，即（1 ）具有基礎(chǔ)性質(zhì)的爆

14、轟學(xué)、擊波 物理、擊波化學(xué)、材料動力學(xué)、擊波理論、應(yīng)力波理論; （2）具有應(yīng)用性質(zhì)的空中爆炸、水下爆炸和土巖中爆炸的力學(xué)、高速 沖擊動力學(xué)、粒子束或激光束的高能密度動力學(xué)、爆破工程力學(xué)、爆炸 工藝力學(xué)、爆炸結(jié)構(gòu)力學(xué)；（3 ）具有工具和技術(shù)手段性質(zhì)的計算爆炸 力學(xué)、瞬態(tài)測量技術(shù)、模擬技術(shù)等研究領(lǐng)域。 我國的有關(guān)研究工作是在 50年代末期開始的，中國科學(xué)院開展了 爆破和爆炸加工技術(shù)的研究，軍工部門開展了原子彈研制和爆轟的研 究。60年代初錢學(xué)森認為我國爆炸現(xiàn)象的研究已經(jīng)具備初步基礎(chǔ), 門新興技術(shù)科學(xué)已經(jīng)涌現(xiàn)，遂命名為爆炸力學(xué)” 30年來我國在爆炸力 學(xué)方面展開了廣泛深入的研究，特別應(yīng)該提到的是60

15、年代鄭哲敏等獨 立提出了流體彈塑性體模型，隨后以這一模型為基礎(chǔ)解決了一系列與核 爆炸效應(yīng)、高速沖擊以及爆炸加工有關(guān)的問題。 今后爆炸力學(xué)的研究應(yīng)側(cè)重基礎(chǔ)，側(cè)重民用，建議著重研究以下幾 個問題: 1）爆炸載荷作用下材料的本構(gòu)特性的研究; 擊波化學(xué)和起爆機制的研究; 激光輻照下材料變形和變性的研究; 含有流體的多孔介質(zhì)和散體的動力學(xué)研究; 爆炸和沖擊作用下的結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究。 244環(huán)境流體力學(xué) 環(huán)境流體力學(xué)是研究同人類生存環(huán)境及其變遷有關(guān)的流動問題的 力學(xué)分支，也是環(huán)境科學(xué)的重要組成部分。 環(huán)境流體力學(xué)著重研究地球表面，包括大氣圈、水圈、冰雪圈、土 壤巖石圈、生物圈中的介質(zhì)（如大氣、水、溶質(zhì)、氣溶

16、膠、污染物、微 量氣體） 的動量、能量、物質(zhì)輸運規(guī)律及其對人類環(huán)境的影響；同時 研究與保護環(huán)境有關(guān)的綠色產(chǎn)業(yè)中的流動問題。 人類為了生存和棲息，從刀耕火種時代起就同自然界作斗爭，同時 也無意識地破壞了自己的生存環(huán)境。第二次世界大戰(zhàn)以來，因人口劇 增，資源利用不當，導(dǎo)致一系列嚴重環(huán)境污染事件（如煙霧事件、水俁 事件）發(fā)生，人類開始認識到治理環(huán)境的重要性。近20年來，因氣候 變暖、臭氧空洞、厄爾尼諾、土地沙漠化等各種全球性環(huán)境問題正在威 脅著人類，人們普遍認識到保護地球的緊迫性，并把環(huán)境和發(fā)展結(jié)合起 來。這就是環(huán)境流體力學(xué)產(chǎn)生和發(fā)展的背景。我國幅員遼闊，人口眾多, 水資源緊缺，水土流失，泥沙沉積，

17、土地沙漠化、鹽堿化，環(huán)境污染嚴 重，更迫切需要研究和治理。 五六十年代環(huán)境流體力學(xué)主要研究污染問題，目前逐步趨于研究多 尺度、多學(xué)科的綜合性問題，包括氣候、生態(tài)、污染、災(zāi)害諸多方面。 國際上大型合作科研項目，如國際地圈生物圈計劃（IGBP ）、國際減 輕自然災(zāi)害（IDND ）十年計劃正在實施。我國在解放以后，水利、氣 象、海洋、地理等部門積累了大量豐富的觀測資料，環(huán)境流體力學(xué)的研 究可在環(huán)境科學(xué)從定性或統(tǒng)計描述轉(zhuǎn)向動力學(xué)描述方面發(fā)揮重要作 用?？删C合應(yīng)用流體力學(xué)、地球科學(xué)、生物、化學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科中的 基本原理，分析現(xiàn)場觀測（包括衛(wèi)星觀測）的資料，建立模型，揭示機 理，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進行預(yù)報，并提

18、出防治措施。 在未來的世紀，我們要結(jié)合環(huán)境科學(xué)的發(fā)展趨勢，根據(jù)我國經(jīng)濟與 社會可持續(xù)發(fā)展的需要與研究現(xiàn)狀，建議重點開展如下幾方面的研究 微氣象和陸氣、海氣界面的湍流交換。 兩相環(huán)境（泥沙、風(fēng)沙、泥石流、土壤侵蝕等）流體動力學(xué)。 大城市環(huán)境中的流動問題（地面沉降、污染、廢棄物處理）。 綠色節(jié)水農(nóng)業(yè)中的流動問題。 高效清潔燃燒器的原理。 245地球動力學(xué) 地球動力學(xué)是研究地球的整體運動、地球的內(nèi)部運動及其與地表結(jié) 構(gòu)的相互作用和地表大型構(gòu)造變形的力學(xué)分支學(xué)科。 地球動力學(xué)是近代力學(xué)與固體地球構(gòu)造變形研究相結(jié)合的重要領(lǐng) 域。弄清地球的整體、內(nèi)部和地表的結(jié)構(gòu)和運動不但有重要的科學(xué)意 義，而且對于了解環(huán)

19、境變化、尋找資源和能源、防止和減輕自然災(zāi)害等 都有重要價值。 牛頓最早用簡單的力學(xué)分析論證旋轉(zhuǎn)地球的橢球率。泊松1828年 曾分析彈性固體球的自由徑向振動，后來1960年智利大地震證實地球 有自由振蕩。地球動力學(xué)的名稱是勒夫（A.E.H. Love ）在1911年正式 提出的，勒夫所提出的勒夫波和勒夫數(shù)分別在地震波研究和潮汐理論中 發(fā)揮作用。在我國，李四光早在 1946年所提倡的地質(zhì)力學(xué)就是想用力 學(xué)知識來研究地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)律。國際上在70年代提出的地球動力學(xué)十 年計劃明確希望求得地球構(gòu)造運動的力學(xué)過程，1982年國際上出版了 3 本有關(guān)專著，作了一定總結(jié)。 地球動力學(xué)問題的復(fù)雜性在于:（1 ）

20、時空尺度跨越十多個數(shù)量級, 介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的特性和運動紛繁復(fù)雜；2）地球內(nèi)部的不可入性，主要靠 地表接受的地震波，磁電和重力等信號進行反演；（3）問題的非線性 及反演解的不唯一。近年來，由于地震波理論的發(fā)展、高溫高壓巖石實 驗的成就、地球化學(xué)的深入研究、高速計算機的飛速進步和應(yīng)用空間技 術(shù)的大地測量等新成就，地球科學(xué)得到很大發(fā)展，對地球內(nèi)部的復(fù)雜性 和不均一性取得更加深入的認識，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論來探索地球構(gòu)造 及其驅(qū)動機制的條件漸趨成熟。 還應(yīng)指出，地震發(fā)生的機理也是地球動力學(xué)面臨的難題之一。地震 是構(gòu)造變形達到破裂的結(jié)果，研究構(gòu)造運動的驅(qū)動機制和介質(zhì)的破裂機 理是地震研究和預(yù)報的基礎(chǔ)。我國的力

21、學(xué)工作者正從巖石介質(zhì)破裂發(fā)展 過程進行微、細、宏觀相結(jié)合的角度進行研究，并試用非線性科學(xué)中的 分形特征加以聯(lián)系。 現(xiàn)代地球科學(xué)與太陽系中其他行星的研究有較密切的聯(lián)系，小行星 的撞擊是一研究熱點，它是一個典型的力學(xué)問題，撞擊和火山噴發(fā)一樣 造成環(huán)境和氣候的變化。 要重視空間技術(shù)的運用，特別是對地表現(xiàn)代運動的觀測，這有助于 地球動力學(xué)的研究，還可能發(fā)展為地震預(yù)報的一個重要手段。因此應(yīng)該 加強與天文界的聯(lián)系和合作。 為了更準確地了解地殼的組成，地學(xué)界進行地殼的深鉆，企圖直接 獲取地幔中的物質(zhì)。但鉆到深處遇到困難，存在許多待解決的力學(xué)問題。 今后一個時期建議著重研究下面幾個問題 1 ）板塊運動的驅(qū)動機制; 2 ）板塊運動與地幔運動的耦合以及區(qū)域性構(gòu)造演化的關(guān)系; 地震機制和它引起的地表運動; 地球介質(zhì)中流體運動及其與成礦的關(guān)系; 地球介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系和破壞準則; 構(gòu)造分析的非線性反演和解的優(yōu)化準則; 地幔以及地核中的流動。 246生物力學(xué) 生物力學(xué)研究生命現(xiàn)象中的力學(xué)問題，是力學(xué)與生命科學(xué)的交叉領(lǐng) 域。 生命現(xiàn)象中力學(xué)問題的研究可追溯到伽利略、牛頓時代。Young、 Euler等研究過血管的彈性及血流脈動；Poiseuille的血流阻力實驗推動 了粘性流體力學(xué)的發(fā)展；Hill因骨骼肌收縮力學(xué)模型的研究獲得了諾貝 爾獎。但是，作為一門