21世紀(jì)初的力學(xué)發(fā)展趨勢

1、21世紀(jì)初的力學(xué)發(fā)展趨勢鄭哲敏周恒中國科學(xué)院力學(xué)研究所，天津大學(xué)張涵信黃克智中國空氣動力研究與發(fā)展中心，清華大學(xué)白以龍中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100080摘要 冋顧力學(xué)發(fā)展史，闡明在科技發(fā)展過程中力學(xué)對于認(rèn)識自然規(guī)律和解 決工程技術(shù)問題中的地位和作用；提岀在固體力學(xué)、流體力學(xué)、一般力學(xué)以及有 關(guān)力學(xué)的若干交義學(xué)科領(lǐng)域屮的一些重耍研究課題；展望21世紀(jì)（特別是21 世紀(jì)前期）的力學(xué)發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞力學(xué)史，21世紀(jì)，力學(xué)展望，固體力學(xué)， 流體力學(xué)，一般力學(xué)，交叉學(xué)科力學(xué)是力與運動的科學(xué)，它研究的對象主要是物質(zhì)的宏觀機(jī)械運動，它既是基礎(chǔ)科學(xué)，又是眾多應(yīng)用科學(xué)特別是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。它過去建立在牛頓定

2、律 和經(jīng)典熱力學(xué)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在則擴(kuò)大到量子力學(xué)描述的微觀層次。力學(xué)和天文 學(xué)、微積分學(xué)幾乎同時誕生，曾在經(jīng)典物理的發(fā)展中起關(guān)鍵作用。20世紀(jì)力學(xué)在推動地球科學(xué)，如大氣物理、海洋科學(xué)等的定量化方面，作出了重人貢獻(xiàn)。近年來還在材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等科學(xué)分支中起著越來越重 耍的作用。由研究弦、桿、板振動而形成的數(shù)學(xué)物理方法中的譜理論，很自然地 被移用到量子力學(xué)。由力學(xué)現(xiàn)象中首先發(fā)現(xiàn)的分叉（可追溯到200多年前euler 對壓桿穩(wěn)定性的研究）、孤立波（約100年前）、混沌（30年前）等現(xiàn)象以及相應(yīng)的 理論方法，是被稱為20吐紀(jì)自然科學(xué)最重要發(fā)展之一的非線性科學(xué)的核心部分。 由于力學(xué)本質(zhì)上是研究物體宏

3、觀運動的，而宏觀運動是人類唯一可以直接感知， 因而更易理解的運動，所以由力學(xué)中首先發(fā)現(xiàn)的帶有規(guī)律性的現(xiàn)象，后來被發(fā)現(xiàn) 具有超出宏觀運動意義的這種人類認(rèn)識自然的無窮盡的過程，今后仍將繼續(xù)不 斷。力學(xué)又是為數(shù)極多的工程技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科。在20 iii：紀(jì)，出于工程技術(shù)發(fā)展 的需要（順便提一句，工程可以說無一例外地是宏觀的），應(yīng)用力學(xué)有空前的發(fā)展。 在力學(xué)理論的指導(dǎo)或支持下取得的工程技術(shù)成就不勝枚舉。最突出的有：以人類 登月、建立空間站、航天飛機(jī)等為代表的航天技術(shù)；以速度超過5倍聲速的軍 用飛機(jī)、起飛重量超過300t、尺寸達(dá)大半個足球場的民航機(jī)為代表的航空技術(shù); 以單機(jī)功率達(dá)百萬千瓦的汽輪機(jī)組為代表的

4、機(jī)械工業(yè)，可以在大風(fēng)浪下安全作 業(yè)的單臺價值超過10億美元的海上采油平臺；以排水量達(dá)5xl05t的超大型運 輸船和航速可達(dá)30多節(jié)、深潛達(dá)幾百米的潛艇為代表的船舶工業(yè)；可以安全運 行的原子能反應(yīng)堆；在地震多發(fā)區(qū)建造高層建筑；正在陸上運輸中起著越來越 重要作用的高速列車，等等，甚至如兩彈引爆的核心技術(shù)，也都是典型的力學(xué) 回虹力學(xué)在解決眾多的新的工程技術(shù)問題及向其它學(xué)科滲透中，大大豐富了力 學(xué)學(xué)科本身。在傳統(tǒng)的理論力學(xué)、材料力學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科外形成了空氣動力 學(xué)、水動力學(xué)、滲流力學(xué)、物理化學(xué)流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂與損傷力學(xué)、 巖土力學(xué)、振動學(xué)、生物力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、爆炸力學(xué)、等離子體動力學(xué)、物

5、理力 學(xué)、細(xì)觀固體力學(xué)等分支。在有些方面，解決了過去不能解決的問題，如高速空 氣動力學(xué)之對于航空、航天技術(shù)。有些方面，則大大改變了傳統(tǒng)的概念，如斷裂、 損傷力學(xué)的成果深刻地改變了強(qiáng)度設(shè)計的觀點。又如，由于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的發(fā)展及 對地震波的研究，打破了過去在地震多發(fā)區(qū)不能蓋高層建筑的禁區(qū)。由于解決科 學(xué)和工程技術(shù)問題需要計算，力學(xué)工作者在電子計算機(jī)出現(xiàn)之前就己經(jīng)提出了不 少有效的數(shù)學(xué)工具和計算方法。由邊界層研究發(fā)展起來的奇異攝動法已經(jīng)形成普 遍使用的數(shù)學(xué)手段。有些方法，如galcrkin法，松弛法等，至今仍是計算數(shù)學(xué) 的基本方法之一。在高速電子計算機(jī)出現(xiàn)后，力學(xué)的計算更是如虎添翼，新的計 算方法迅速

6、出現(xiàn)，如從結(jié)構(gòu)力學(xué)中發(fā)展起來的有限元法，現(xiàn)在已是各種科學(xué)問題 （遠(yuǎn)不限于力學(xué)）的基木算法之一。由于流體力學(xué)計算的需要，極大地推動了有限 差分法的發(fā)展?，F(xiàn)在，計算力學(xué)已是整個計算科學(xué)中最重要的支柱之一。從以上 對力學(xué)發(fā)展過程的回顧可以清楚地看到，力學(xué)是隨著人類認(rèn)識門然現(xiàn)象和解決工 程技術(shù)問題的需要而發(fā)展起來的。力學(xué)乂的確對認(rèn)識自然和解決t程技術(shù)問題起 著極為重要、在很多時候是關(guān)鍵的作用。環(huán)繞我們的自然界，如今還有眾多的關(guān)系到人類生存和生活質(zhì)量的宏觀現(xiàn) 象，遠(yuǎn)沒有被認(rèn)識清。如全球的氣候問題、環(huán)境問題、海洋問題、自然災(zāi)害（如 臺風(fēng)等）問題等，將會繼續(xù)不斷提出新的力學(xué)問題。更不用說，21世紀(jì)將出現(xiàn) 的

7、更新、更大、更復(fù)雜的工程技術(shù)問題有賴于力學(xué)的新發(fā)展去解決。只要承認(rèn)人 類永遠(yuǎn)生活在宏觀環(huán)境中，就不難理解力學(xué)的發(fā)展對人類生存和社會進(jìn)步是永遠(yuǎn) 不可少的。目前在科學(xué)的研究上,正在采用對同一問題在不同尺度上進(jìn)行研究 的方法，力學(xué)也不例外，例如為了更好地理解材料的力學(xué)性能，既需要在宏觀 層次上，又需要在細(xì)觀、甚至微觀層次上進(jìn)行研究，但是如何將不同層次的現(xiàn) 象聯(lián)系起來，無論對哪一學(xué)科都還是難題。證諸科學(xué)發(fā)展的歷史，有理出和信首 先突破這一難點的有極大可能是力學(xué)，具方法論的意義因而也將是巨大的。以下 就力學(xué)幾大方面的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做一簡述。1、固體力學(xué)固體力學(xué)是研究固態(tài)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）受力而發(fā)生的變形

8、、流動和破壞的一 門學(xué)科。固態(tài)物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的多樣性，使其受力后的響應(yīng)豐富多彩。如彈性、塑性、 蠕變、斷裂、疲勞等。而眾多自然現(xiàn)象（如地震）和關(guān)鍵t程問題（如飛機(jī)強(qiáng)度）， 則是固體力學(xué)研究對象的實例。固體力學(xué)在過去的年代，創(chuàng)立了一系列重要概念 和方法，如連續(xù)介質(zhì)、應(yīng)力、應(yīng)變、分叉、斷裂韌性、有限元法等，這些輝煌成 就不但造就了近代土木建筑工業(yè)，機(jī)械制造工業(yè)和航空航天工業(yè)，而且為廣泛的 自然科學(xué)如偏微分方程、非線性科學(xué)、固體地球物理學(xué)等提供了范例或基本理論 基礎(chǔ)。盡管固體力學(xué)中的彈性力學(xué)是一門定量化程度很高的精確學(xué)科，但是現(xiàn)代 固體力學(xué)由于其涉及對象的復(fù)雜性，提出了一系列處于科學(xué)前沿的挑戰(zhàn)性問題。

9、例如：工程材料實際強(qiáng)度和忖前的理論強(qiáng)度相差一至二個數(shù)量級。這個矛盾曾推 動位錯、裂紋等的重要物理、力學(xué)理論的建立。然而，至今這個根本矛盾依然存 在。固體力學(xué)如今不僅限于計算微小應(yīng)變和應(yīng)力，而月.要求判斷變形局部化、損 傷、壽命乃至斷裂。更進(jìn)一步的問題是如何將不同性能和功能的材料合理地配置 在一起，形成某種特定的復(fù)合材料，以實現(xiàn)實用所要求的某種考慮如比重、剛度、 強(qiáng)度、韌性、功能乃至價格等多種因素的優(yōu)化組合，并促成材料設(shè)計科學(xué)。再進(jìn) 一步是將各種特定的制備和加工技術(shù)，如塑性成形、粒子束加工等工藝，也達(dá)到 機(jī)理性的認(rèn)識和優(yōu)化控制。到那時，整個材料和制造業(yè)，將從所謂的“廚房中的 化學(xué)”變?yōu)楣?jié)省資源，

10、節(jié)省能源，優(yōu)化合理的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在的各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，包描 橋梁、飛機(jī)，到人工器官的設(shè)計，還是不夠科學(xué)的、優(yōu)化的。帶來的問題是火箭、 e機(jī)屢有失事；多數(shù)結(jié)構(gòu)依靠過大的安全系數(shù)（如飛機(jī)為15）來換取安全，不必 要地耗費了許多材料。即使如此，橋梁等建筑物的坍塌仍時有發(fā)生。如何優(yōu)化設(shè) 計各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如高速運輸工具），使其在各類載荷環(huán)境（沖擊、循環(huán)載荷、潮 濕、低溫等）卜可靠、舒適地運行，既是十分實際的工程問題，也屬復(fù)朵系統(tǒng)響 應(yīng)這類前沿科學(xué)問題。地震是怎樣發(fā)生的，泥石流和滑坡能否預(yù)測預(yù)報，作為人 型土木工程（水壩，建筑物）基礎(chǔ)的巖石和土在長時受載下的流變等一系列地質(zhì)力 學(xué)和巖土力學(xué)問題，僅靠日前的連續(xù)介質(zhì)

11、力學(xué)也是難以解決的，必須針對地學(xué)特 點構(gòu)筑新的力學(xué)模型，以作為地球動力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)。所以，展望下世 紀(jì)初固體力學(xué)的發(fā)展，可以呈現(xiàn)如下趨勢:經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)將可能會被突破。 新的力學(xué)模型和體系，將會概括某些對宏觀力學(xué)行為起嫩感作用的細(xì)觀和微觀因 素，以及這些因素的演化，從而使復(fù)合材料（包括陶瓷、聚合物和金屬）的強(qiáng)化、 韌化和功能化立足于科學(xué)的認(rèn)識之上。固體力學(xué)將融匯力-熱-電-磁等效應(yīng)。機(jī) 械力與熱、電、磁等效應(yīng)的相互轉(zhuǎn)化和控制，冃前大都述限于測量和控制元件上, 但這些效應(yīng)的結(jié)合孕育著極有前途的新機(jī)會。近來出現(xiàn)的數(shù)百層疊合膜“摩天大 廈“式的微屯子元器件，已迫切要求對這類力-熱-電耦合

12、效應(yīng)做深入的研究。以 “mechanics”為代表的微機(jī)械、微工藝、微控制等方面的發(fā)展，將會極大地推 動對力-熱-電-磁耦合效應(yīng)的研究。固體力學(xué)中壓桿變形的分義，曾是促進(jìn)非線 性動力學(xué)近代大發(fā)展的個核心概念。隨著固體力學(xué)把固體和結(jié)構(gòu)視為含多個物 質(zhì)層次的復(fù)雜系統(tǒng)，并研究它在外載荷下的演化過程，可以預(yù)期菲線性動力學(xué)， 非平衡統(tǒng)計和熱力學(xué)的概念和方法將會大大豐富起來。分子動力學(xué)等微觀模擬方 法和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿真將會隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，更大規(guī)模地、更迅速地在固體 力學(xué)和工程設(shè)計中得到應(yīng)用與發(fā)展。fl前工程界廣泛應(yīng)用的有限元法，就是計算 機(jī)技術(shù)與固體力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它曾極大地推動了木世紀(jì)工程科學(xué)的發(fā)

13、展。過 去，限于計算機(jī)的速度和容量，許多非線性問題不能很好解決。分子動力學(xué)模擬 目前離實用還有很大距離。但下枇紀(jì)初，這種局面勢必會有很大變化。固體力學(xué) 的上述發(fā)展，無疑會推動科學(xué)和t程技術(shù)的巨大進(jìn)步。2流體力學(xué)現(xiàn)代意義下的流體力學(xué)形成于木世紀(jì)初，它是通過prandtl的邊界層理論完 成的。但在此以前的不少理想流體研究的成果，至今仍有意義，如水波的基本理 論。prandtl的邊界層理論述導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)學(xué)屮有名的漸近匹配法的形成，并迅 速在其它學(xué)科中找到了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。上個世紀(jì)在運河河道中發(fā)現(xiàn)的孤立波在 60年代得到了徹底的解決，既推動了力學(xué)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，也迅速導(dǎo)致在其它學(xué) 科如光學(xué)、聲學(xué)中發(fā)現(xiàn)類

14、似的現(xiàn)象。現(xiàn)在孤立波（光學(xué)中稱孤立子）己成了光通信 的基石。本世紀(jì)60年代，為探索為何基于流體力學(xué)方程的數(shù)值天氣預(yù)報只能準(zhǔn) 確到很少幾天，通過簡化這組方程之后，得到了現(xiàn)在已十分著名的lorenz方程。 數(shù)值計算表明，它的解對初值十分敏感，以致一定時間之后，其值變得兒乎完全 不可預(yù)測的了。這一發(fā)現(xiàn)開辟了混沌研究新領(lǐng)域，奠定了非線性科學(xué)的基礎(chǔ)。這 一事實還說明，流體力學(xué)方程（ns方程）的內(nèi)涵十分深邃，對它的了解還遠(yuǎn)不是 充分的。水波中各種波的非線性作用的研究，也豐富了非線性科學(xué)的內(nèi)容。凡此 種種，顯示出了本世紀(jì)流體力學(xué)在科學(xué)發(fā)展屮的作用。流體力學(xué)在工程技術(shù)屮的 作用，更是有h共睹的。飛機(jī)的飛行速度

15、得以超過聲速，是空氣動力學(xué)發(fā)展的結(jié) 果。人類登月的成功，大型火箭和航天飛機(jī)的實現(xiàn)，需要解決成千上萬個前所未 有的難題，而力學(xué)問題往往首當(dāng)其沖。為此形成了高超蘆速氣動力學(xué)，物理化學(xué) 流體力學(xué)，稀薄氣體力學(xué)等一系列新的分支學(xué)科，并極大地推動了計算科學(xué)的發(fā) 展。為解決噴氣機(jī)的噪聲問題，提出了流體噪聲理論，它完全不同于經(jīng)典的聲學(xué) 理論。各種高速、高機(jī)動性和高皺捷性的軍用飛機(jī)和安全、舒適的人型民航機(jī)的 研制成功，同樣需要流體力學(xué)提供的新思想和新成果。70年代興起的海上采油 工業(yè)，若沒有流體力學(xué)的研究成果為依據(jù)，設(shè)計、建造單臺價值超過10億美元 的海上采油平臺是不可能的。巨型船舶、高性能潛艇及各種新型船舶

16、的研制中， 流體力學(xué)問題仍是首先要加以解決的。其它如地下油氣開釆也得益于流體力學(xué)的 指導(dǎo)。人型水利樞紐的設(shè)計和建造，離開了水力學(xué)是不可能的。各種人型建筑物, 如火電站的冷卻塔和大跨度橋梁等遭風(fēng)載破壞的教訓(xùn)，引起了力學(xué)和工程界的密 切關(guān)注，形成了風(fēng)工程這門新的學(xué)科。大型汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及渦噴發(fā)動機(jī)等現(xiàn) 代動力機(jī)械的研制，提出了許多新的流體力學(xué)問題，形成了獨特的翼柵及內(nèi)流理 論，其中還伴有高溫、化學(xué)反應(yīng)、多相等復(fù)雜因素，總而言之，沒有流體力學(xué)的 發(fā)展，木世紀(jì)的許多工程技術(shù)，特別是高新技術(shù)的發(fā)展是不可能的。流體力學(xué)在 取得巨大進(jìn)展的同時，也留下了一些仍待解決的問題。不盡快地將它們解決，必 然對科學(xué)及

17、工程技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來困難。同時，技術(shù)的發(fā)展是無止境的。僅 就交通運輸為例，無論是空中、水上水下，還是陸地上的交通工具都在朝著更人、 更快、更安全、更舒適的方向發(fā)展，新問題將層出不窮。第一個大問題是湍流。 經(jīng)過幾代人的努力，對這一問題的認(rèn)識已大為深化，這才有上述各項成就。絕大 多數(shù)情況下，流體運動都處于湍流狀態(tài)?？谇坝嬎氵@類問題的辦法都帶有經(jīng)驗的 成分，因此計算結(jié)果不十分有把握，各種辦法的普適性和預(yù)測能力均差，特別是 對于超聲速、高超聲速流中的湍流，情況尤具如此。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn) 過去的經(jīng)驗局限性太大，因而亟待在湍流的研究上有所突破。各種物體如飛機(jī)、 船舶等航行器在流體屮運動特別是在

18、作非定常運動時，會產(chǎn)生十分復(fù)雜的流場。 其核心問題是各種渦系的生成、消長和流動分離的產(chǎn)生。有關(guān)機(jī)理的許多問題尚 未弄清，因為其中包含復(fù)朵的非線性因素。這方面的研究成果將對未來空中及水 中航行器的研制產(chǎn)生重大影響。下世紀(jì)初，空天飛機(jī)和新一代的超聲速民航機(jī)的 成功研制將首先取決于流體力學(xué)的進(jìn)展。在有關(guān)的高溫空氣動力學(xué)屮必須放棄原 先的熱力學(xué)平衡的假定。吸氣式發(fā)動機(jī)中h2, 02在超聲速流動狀態(tài)下的混合、 點火等，都是過去的理論和實踐未能解決的難題。超聲速流邊界層的控制、減阻 以及降噪控制等也帶來一系列新問題。船舶除了向更大、更快的方向發(fā)展外，還 提出了許多新型船舶，包括貼近水面航行、必耍時可升空飛

19、行或降在水面上的大 型沖翼艇。這時計算各種航態(tài)和海況卜-的波載荷，將遇到極人的困難。由于波載 計算不準(zhǔn)而導(dǎo)致在惡劣海況下失事，即使對現(xiàn)代的常規(guī)船舶也仍是屢見不鮮的。80年代末至今已有10余艘船在北海失事。從流體力學(xué)的角度看，沖翼艇的困難 主要在于有事先未定的口出表面，表面邊界條件的非線性，波浪的隨機(jī)性，水表 層為湍流，以及流體與船舶運動相耦合等。風(fēng)浪相互作用機(jī)制，至今尚未弄清， 而它是天氣預(yù)報這類全球性問題的重耍環(huán)節(jié)，也是近年來正在探索的通過遙測水 面波參數(shù)以測量近水面風(fēng)速這一新技術(shù)的基礎(chǔ)，這個問題的突破將大人改進(jìn)收集 全球氣彖數(shù)據(jù)的廣度和精度。海面波浪參數(shù)的遙測數(shù)據(jù)還有可能用以探測潛航的 潛

20、艇及海流，但這要開辟傳統(tǒng)波浪理論未涉及的有旋流對波浪的影響這-新的領(lǐng) 域。為了盡可能多地開采地下油氣，需要深入研究滲流機(jī)理并將具定量化。滲流 的研究還有助于了解植物休內(nèi)液休的運動規(guī)律，進(jìn)而了解各種新陳代謝的宏觀機(jī) 制。化工流程的設(shè)計，在相當(dāng)大的程度上可歸結(jié)為流體運動的計算問題，包拾多 相流及非牛頓流。由于流動的復(fù)雜性，不少重要化工裝置的設(shè)計帶有很多經(jīng)驗因 素，以致不能發(fā)揮最大效益。因而針對若干典型化工裝置進(jìn)行深入研究，將為化 工設(shè)計提供新方法，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在未來生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的過程中，會 遇到類似或更復(fù)雜的情況，因而這方而的研究是真正形成生物技術(shù)t業(yè)不可缺少 的基礎(chǔ)。出于復(fù)雜流場計算的

21、需要，各種計算方法和理論還需大大發(fā)展，以期能 精確捕捉激波和分辨旋渦運動、能夠處理非線性自由表面及湍流問題等。由于計 算量特別巨人，必須發(fā)展新的計算機(jī)硬件和軟件，特別是并行機(jī)及其軟件，并行 計算軟件的發(fā)展，也必須結(jié)合具體計算對象來研制。因而計算流體力學(xué)的發(fā)展， 既是解決具體問題所需，也將對計算科學(xué)作出重要貢獻(xiàn)。3 般力學(xué)一般力學(xué)的對彖主要是有限自由度系統(tǒng)的運動及其控制，有時它包含一個或 多個無限自由度子系統(tǒng)。它包括運動穩(wěn)定性理論、振動理論、動力系統(tǒng)理論、多 體系統(tǒng)力學(xué)、機(jī)械動力學(xué)等，其中運動穩(wěn)定性理論源出于對天體的形狀及軌道穩(wěn) 定性問題的研究。lyapunov的工作是經(jīng)典之作，本世紀(jì)中葉;1|

22、現(xiàn)的自動控制理 論深得具益，其思想及方法至今仍在許多學(xué)科中被引用。振動理論及機(jī)械動力學(xué) 為機(jī)械工業(yè)（廣義的）的發(fā)展解決了眾多的問題。動力系統(tǒng)理論則已成為目前方 興未艾的菲線性科學(xué)的重要組成部分。為分析運動穩(wěn)定性及動力系統(tǒng)行為而形成 的攝動法、分叉理論、非線性振動分析方法等不僅影響到力學(xué)其他分支，也影響 到很多其它學(xué)科。在機(jī)械動力學(xué)中，系統(tǒng)地研究了轉(zhuǎn)了系統(tǒng)的動力學(xué)，使得冃前 極為廣泛使用的齊種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計制造成為可能。振動理論為消除各種機(jī)械的 有害振動和噪聲提供了理論指導(dǎo)，否則諸如消除潛艇的噪聲和設(shè)計制造岀噪聲很 低乘坐舒適的現(xiàn)代轎車是不可能的。另一方面，各種利用有利振動的工程機(jī)械也 被廣泛使

23、用。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，新問題仍層出不窮。隨著各種機(jī)器人的h 益廣泛采用，不僅需要研究組成機(jī)器人的多體系統(tǒng)的運動和控制，而且還?？紤] 某些部件的彈性，否則不能保證其定位精度。人造衛(wèi)星往往帶有尺寸很大的柔性 部件和液體。為保證英穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的運動穩(wěn)定性理論己不能解決問題，需要有 能分析這類既有剛體，又有可人變形的柔體及液體的系統(tǒng)的理論和方法。高速列 車的速度越來越快，車輛（包括單車和列車）運行時的平穩(wěn)性是必須保證的。現(xiàn)有 的理論在這里再一次顯得不夠，因為有必要把車輛和軌道作為一個系統(tǒng)來考慮。 要考慮輪軌接觸的彈性變形及輪軌之間單邊接觸這類強(qiáng)非線性問題。近年來我國 多次發(fā)生人型汽輪發(fā)電機(jī)組的事故

24、，說叨在越來越人和越來越復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng) 中，仍有不少重耍力學(xué)問題沒有被認(rèn)識。大并不是小的簡單放大，復(fù)雜也不是若 干部分的簡單相加。在有些復(fù)朵系統(tǒng)中，采取先分析單個零部件而后綜合分析的 辦法往往并不很有效。這時有可能要對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行直接建模，但遇到非線性系 統(tǒng)，由于其行為的復(fù)雜性，例如分叉、混沌等的出現(xiàn)，給系統(tǒng)建模和求解帶來了 很多新的困難問題，具中包括理論的、實驗的及計算方面的。各種參數(shù)對系統(tǒng)行 為的影響尤其復(fù)雜。不解決這類問題，未來的大型空間站的設(shè)計、建造及運行將 不可能實現(xiàn)，因為大型空間站正是由很多部件，包括剛性的、彈性的、柔性的（大 變形體），液體的，以及在其中工作、生活的人所組成的大型

25、復(fù)雜系統(tǒng)。在現(xiàn)代 及未來大氣中飛行器運動的分析及控制問題中，建模時已著手同時考慮飛行體及 氣動力的耦合。例如，在現(xiàn)代大型民航機(jī)上已經(jīng)采用了電子主動控制，使原本不 穩(wěn)定的機(jī)翼不僅能保持穩(wěn)定，而且減輕了重星，增加了飛行舒適性。一般力學(xué)近 來已開始進(jìn)入生物體運動問題的研究，研究了人和動物行走、奔跑及跳躍中的力 學(xué)問題。這種在宏觀范i韋i內(nèi)對生物體進(jìn)行的研究，己經(jīng)帶來了一些新的結(jié)果。億 萬年生物進(jìn)化的結(jié)杲，的確把優(yōu)化的運動機(jī)能賦與了生存下來的物種。對其進(jìn)一 步研究，可以提供生物進(jìn)化方向的理性認(rèn)識，也可為人類進(jìn)一步提高某些機(jī)構(gòu)或 機(jī)械的性能提供方向性的指導(dǎo)。非線性科學(xué)是h前正在日益顯示其重要性的學(xué) 科。

26、宏觀的機(jī)械運動中不僅同樣包含著各種非線性現(xiàn)象，而且再一次提供了最直 觀、最易于感知的實例。出于力學(xué)為非線性現(xiàn)象提出了很多典型例子，因此，眾 多的力學(xué)工作者參與研究，必將推動菲線性科學(xué)的發(fā)展。4力學(xué)與其它學(xué)科的交叉力學(xué)中的交叉學(xué)科由三部分組成，第一部分由力學(xué)學(xué)科內(nèi)部不同分支學(xué)科所 組成，第二部分由力學(xué)與其他學(xué)科交叉組成。前者如流體彈性力學(xué)，后者如物理 力學(xué)，物理、化學(xué)流體力學(xué)等。第三部分則兼有前兩者的特點，如爆炸力學(xué)、物 理化學(xué)滲流、材料力學(xué)性質(zhì)、生物力學(xué)等。交叉（分支）學(xué)科，并非兩個學(xué)科或分 支學(xué)科的簡單加合，它基于其源學(xué)科但又有區(qū)別,因為其研究對象自身包含兩學(xué) 科的復(fù)朵組合。交叉學(xué)科有利于發(fā)

27、展新學(xué)科并促使源學(xué)科的發(fā)展。20世紀(jì)力學(xué)與具它學(xué)科交義對推動科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展起了巨大的作用。突 出的例子有力學(xué)與各項工程學(xué)科交叉產(chǎn)生的工程力學(xué)，與地學(xué)相結(jié)合的地球流體 力學(xué)，與天文相結(jié)合的星系的螺旋結(jié)構(gòu)理論。20世紀(jì)中葉以來與生命科學(xué)和醫(yī) 學(xué)相結(jié)合的生物力學(xué)建立了起來。同一時期被提岀的物理力學(xué)也被廣泛接受。力 學(xué)家突破傳統(tǒng)聲學(xué)，建立了流體動力聲學(xué)理論，沒有它就無法理解和克服諸如噴 氣噪聲等問題。這種交叉不僅不會結(jié)束，而且其廣度和深度還一定會不斷增加。 展望21世紀(jì)，力學(xué)與其他學(xué)科的交叉必將進(jìn)一步擴(kuò)大與加強(qiáng)。這里只強(qiáng)調(diào)提出 其他兒個我們認(rèn)為將在21世紀(jì)有重要發(fā)展或垂大影響的交叉領(lǐng)域，它們是，力

28、學(xué)與生命科學(xué)的交叉，力學(xué)與地學(xué)的交叉，以及物理力學(xué)。力學(xué)與地學(xué)的結(jié)合。 止如與天文學(xué)一樣，從力學(xué)角度討論地球形狀與穩(wěn)定性的問題有很長的歷史。后 來，彈性波的理論又與地震波的研究有密切的關(guān)系。本世紀(jì)隨著力學(xué)與地學(xué)齊白 的發(fā)展，兩者的結(jié)合發(fā)展到了新的水平，并出現(xiàn)了進(jìn)一步結(jié)合的迫切需耍，為 21世紀(jì)這兩個學(xué)科的交義提供了新的機(jī)會。木世紀(jì)，氣象預(yù)報從經(jīng)驗的發(fā)展到 數(shù)字的，其精確性有很大的提高。這些成就是建立在將流體力學(xué)應(yīng)用于大氣運動 的深入研究的基礎(chǔ)上的，是兩個學(xué)科中的科學(xué)工作者分別與其共同努力的結(jié)果。 將流體力學(xué)應(yīng)用于海洋，也產(chǎn)生了類似的效果。因而本世紀(jì)中葉以來出現(xiàn)了至今 仍十分活躍的地球流體力學(xué)（

29、gfi）這個新的分支學(xué)科。本世紀(jì)，出于工程建設(shè)的 需要，力學(xué)界形成了土力學(xué)、巖體力學(xué)、滲流力學(xué)（水、石油），抗震工程力學(xué)等 新的學(xué)科分支，使人們對工程尺度內(nèi)的地質(zhì)現(xiàn)象（如地基的穩(wěn)定性、邊坡的穩(wěn)定 性、泥石流、雪崩等）有了一些基本的研究手段。地學(xué)方面，在工程地質(zhì)、地震 學(xué)、大地測量、地層構(gòu)造方面也都有突出的進(jìn)展。特別引人注意的是板塊運動的 學(xué)說以及它的一系列推論。雙方面的這些進(jìn)展，孕育著使地學(xué)走向精確化定量化 的巨大機(jī)遇，而力學(xué)與地學(xué)相結(jié)合將使人們迅速抓住這個機(jī)遇。為此我們認(rèn)為下 世紀(jì)在以卜幾個領(lǐng)域可能取得重要進(jìn)展：（1）地球動力學(xué)，中心問題有:板塊運動的驅(qū)動力來源；地幔對流的流體力學(xué) 理論；地

30、震機(jī)制。（2）大氣與下墊面（有植被、無植被、地面、海洋、冰雪等）的相互作用及傳 熱、傳質(zhì)過程，可以統(tǒng)稱為人氣的邊界層理論。（3）環(huán)境與災(zāi)害力學(xué)，包括污染物在水體、土體、巖體屮的擴(kuò)散與富集，各 種氣彖災(zāi)害（如臺風(fēng)、風(fēng)暴潮），地質(zhì)災(zāi)害（如滑坡、塌方、地面沉降、泥石流、 沙漠入侵、瓦斯突岀），地震發(fā)生的機(jī)制、監(jiān)測、預(yù)報的研究，地震對各類建筑 物的破壞與抗震研究，以及其它口然和工業(yè)災(zāi)害（如各種火災(zāi)）等。（4）滲流力學(xué)問題，特別是裂隙介質(zhì)中的多相滲流規(guī)律的研究。有必要深入 到細(xì)觀和微觀層次，考慮表而化學(xué)因素。這樣做有可能提岀新的二次和三次采油 新技術(shù)。力學(xué)與生命科學(xué)的交叉。人們關(guān)心生命，特別是人體生命活

31、動的規(guī)律是 很自然的事。從力學(xué)角度研究生命現(xiàn)象因而也有很早的歷史，一直可以追溯到伽 里略，牛頓和哈維。本世紀(jì)30年代a. ih11更曾因骨骼肌收縮原理的研究獲諾 貝爾獎。但作為一個獨立的分支學(xué)科的生物力學(xué)，卻興起于本世紀(jì)60年代中期。 與之相適應(yīng)，近來生物醫(yī)學(xué)工程得到迅速的建立與發(fā)展。生物力學(xué)的原理還被用 于設(shè)計生物反應(yīng)器，以規(guī)模生產(chǎn)有生物活性的物質(zhì)。60年代屮期至70年代是生物力學(xué)開創(chuàng)和奠基階段，其特點是將力學(xué)方法和 生理學(xué)、解剖學(xué)等方法相結(jié)合，研究組織和器官層次上的生命現(xiàn)象。80年代至 90年代初，生物力學(xué)進(jìn)入細(xì)胞范i韋i也從醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程，擴(kuò)展到生化工程, 生物技術(shù)，細(xì)胞生物學(xué)等新的

32、領(lǐng)域。近5年來，生物力學(xué)界提出組織工程（tissue engineering）,受到多方面的重視，被認(rèn)為有很好的發(fā)展前景。生物力學(xué)本吐紀(jì) 主耍涉及以下兒個方面：（1）生物流變學(xué)（包括軟組織的力學(xué)性質(zhì)、血液流變學(xué)、 肌肉力學(xué)等）；（2）生理流動的力學(xué)規(guī)律（包括臟器血循環(huán)規(guī)律、動脈粥樣硬化與 流動狀態(tài)的關(guān)系、呼吸系統(tǒng)動力學(xué)、微循環(huán)力學(xué)等）;（3）器官力學(xué)（心臟、肺、 關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)液和軟骨等）；（4）細(xì)胞力學(xué)；（5）人體和其它生物的運動學(xué)。主要的 成果有：為軟組織的本構(gòu)關(guān)系建立了基木的模型，并提出了活組織零應(yīng)力狀態(tài)的 重要概念；建立以肺為典型的器官動力學(xué)和肺循環(huán)力學(xué)模型；發(fā)現(xiàn)了血液流動狀 態(tài)與血管壁細(xì)胞形態(tài)間的密切關(guān)系；發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力與生長間的密切關(guān)系。下個世紀(jì), 總的看來生物力學(xué)將沿著已經(jīng)開始的道路前進(jìn)，一方而它和生物學(xué)各分支結(jié)合， 另一方血又與醫(yī)學(xué)與生物生化制品相結(jié)合。21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程可望有重人的 發(fā)展，其中組織工程將是它的一個前沿，生物力學(xué)正是這個前沿的基礎(chǔ)。計及應(yīng) 力-生長關(guān)系的活組織的本構(gòu)關(guān)系、應(yīng)力-細(xì)胞生長規(guī)律、動脈粥狀硬化的流體力 學(xué)機(jī)理、以微循環(huán)為核心的器官血液循環(huán)規(guī)律等有望成為