力學(xué)與工程概論知識

1、力學(xué)與工程概論本課程的教學(xué)內(nèi)容大家所最關(guān)心的問題力學(xué)的發(fā)展簡史力學(xué)在各方面的應(yīng)用21世紀(jì)力學(xué)發(fā)展趨勢教學(xué)計(jì)劃安排了那些力學(xué)課程期 望2本專業(yè)畢業(yè)能干什么？ 力學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)，又是技術(shù)科學(xué)，其發(fā)展橫跨理工，與各行業(yè)的結(jié)合是非常密切的。與力學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科有數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文、地球科學(xué)及生命科學(xué)等，與力學(xué)相關(guān)的工程學(xué)科有機(jī)械、土木、航空航天、交通、能源、化工、材料、環(huán)境、船舶與海洋等等。 3本專業(yè)畢業(yè)能干什么？ 隨著力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，在本世紀(jì)將產(chǎn)生一些新的學(xué)科結(jié)合點(diǎn)， 如生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境與資源、數(shù)字化信息等。 經(jīng)典力學(xué)與納米科技一起孕育了微納米力學(xué)； 將力學(xué)知識應(yīng)用于生物領(lǐng)域產(chǎn)生了生物力學(xué)和仿生

2、力學(xué)； 可以預(yù)料，隨著社會的發(fā)展，力學(xué)學(xué)科與環(huán)境和人居工程等專業(yè)的學(xué)科交叉也將會進(jìn)一步加強(qiáng)。 這些都是近年來力學(xué)學(xué)科發(fā)展的亮點(diǎn)。5 1920年以前力學(xué)發(fā)展史中的100篇重要文獻(xiàn) 20世紀(jì)理論與應(yīng)用力學(xué)的十大進(jìn)展力學(xué)發(fā)展簡史7力學(xué)發(fā)展簡史 亞里斯多德(Aristotle)在公元前350年完成論天(On the heavens)中闡述了落體加速度與重量成正比的論斷。 阿基米德(Archimedes，287BC-212BC)在論浮體(On floating bodies)中討論了流體重物體的平衡問題。在論平面圖形的平衡(On the equilibrium of planes)中討論了杠桿原理與平面

3、圖形物體的重心。摘引自武際可教授1920年前力學(xué)史中100篇重要文獻(xiàn)也可參考他的力學(xué)史一書8 帕普斯(Pappus Alexandrinus，300-350)在數(shù)學(xué)匯編第八卷(Mathematical Collec-tion Book 8)中匯集了古希臘對力學(xué)研究的成果。1022 約旦努(Jordanus de Nemore,1220)在重物的論述(Liber de ponderibus)中討論了物體的平衡問題，包含了虛功原理的萌芽。1533力學(xué)發(fā)展簡史 哥白尼(Nicholas Copernicus,1473-1543)在天體運(yùn)行論(De revolutionibus orbium cele

4、stium)中提出了太陽系的哥白尼系統(tǒng)。154310 開普勒(Johannes Kepler,1571-1630)在宇宙的和諧(Harmonice mindi)中總結(jié)了行星運(yùn)行的三大定律。1619 斯梯芬(Semon Stevin,1548-1620)的靜力學(xué)原理(Staticae elementis)是靜力學(xué)體系標(biāo)志性著作。1586力學(xué)發(fā)展簡史 默森(Marin Mersenne,1588-1648)在宇宙的和諧(Traite de lHarmonie Universelle)是最早關(guān)于聲音、音樂和樂器的著作。162711 托里拆利(Evangelista Torrielli，1608-16

5、47)在論重物的運(yùn)動(De motu gravium)中證明了孔口出流的速度與液高的平方根成比例(即托里拆利定理)，還指出位置最低時平衡得好，是平衡穩(wěn)定性的最早提法。1644力學(xué)發(fā)展簡史 波義耳(Boyle, Hobert,1627-1691)在關(guān)于空氣的彈性及其效果的物理力學(xué)新實(shí)驗(yàn)(New experiments physico-mechanicall, tou-ching the spring of the air and its effects)中以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)論證了氣體的彈性。166013 帕斯卡(Blaise Pascal,1623-1662)在論液體平衡和空氣的重量(Traites

6、de lequilibre des liqueurs et de la pesenteur de la masse de lair)中總結(jié)和提出帕斯卡原理，并總結(jié)了關(guān)于其壓的一系列實(shí)驗(yàn)。1663力學(xué)發(fā)展簡史 馬略特(Edme Mariotte,1620-1684)在論物體的撞擊與碰撞(Tratite de la percussion ou chocq des corps)中總結(jié)了前人碰撞問題的實(shí)驗(yàn)，得到了動量守恒定律。167114在論水和其他流體的運(yùn)動(Traite du mou-vement des eaux et des autres corps fluides )中研究了流體的阻力，得到

7、流體阻力與速度的平方成比例的結(jié)論。1686力學(xué)發(fā)展簡史 惠更斯(Christian Huygens,1629-1695)在擺鐘論(Horologium oscillatorium)中討論了約束在圓上的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律，論證了擺的等時性，提出了等時擺的概念。1673 胡克(Robert Hooke,1635-1703)在論彈簧(Lectures of springs)中研究了物體的彈性。167815 萊布尼茲(Isaac Newton,1616-1716)在笛卡爾的一個出名錯誤的簡短證明(Brevis demonstratio erroris memorabilis Cartesii)中提出活力，即

8、動能守恒定律。1686 牛頓(Isaac Newton,1642-1727)在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理(Philosophia naturalis prin-cipia mathe-matica)中總結(jié)了經(jīng)典力學(xué)體系，證明了萬有引力下行星運(yùn)動服從開普勒三定律。1687力學(xué)發(fā)展簡史16 歐拉(Leounard Euler,1707-1783)在力學(xué)(Mecha-nics)中匯集了他對質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系力學(xué)系統(tǒng)的研究成果。1736在剛體運(yùn)動理論(Theoria motus corporum solidorum)中提出剛體運(yùn)動的一般方程并解決了一種可積情形。1765力學(xué)發(fā)展簡史 達(dá)朗貝爾(Jean le Ron

9、d dAlembert,1717-1783)在論動力學(xué)(Traite de dynamique)中提出和總結(jié)了達(dá)朗貝爾原理和虛功原理。1743流體的阻力(Essai dune nouvelle theorie de la resistance des fluides)中理想流體中沒有阻力的矛盾。175218 莫培督(Pierre de Maupertuis,1698-1759)在宇宙論(Essai de cosmologie)中最早陳述了。最小作用原理。1750 玻素(Charles Bossut,1730-1814)在流體阻力的新實(shí)驗(yàn)(Nouvelles Experiences sur la

10、 resista-nce des fluides)中總結(jié)了船體阻力的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，開辟了船池實(shí)驗(yàn)新領(lǐng)域。1777力學(xué)發(fā)展簡史 拉格朗日(J. L. Lagrange,1736-1813)在分析力學(xué)(Mecanique analytique)是分析力學(xué)的奠基性文章。178819 庫侖(Charles Augustin Coulomb,1736-1806)在論簡單機(jī)械(Therorie des machines simp-les)中最早給出了摩擦力所遵從的規(guī)律。1781 班鎖(Louis Poinsot,1777-1859)在靜力學(xué)原理(Elements de statique)中引進(jìn)了力偶的概念、系

11、統(tǒng)討論了力系的簡化，提出剛體平衡的條件。1803力學(xué)發(fā)展簡史 托馬斯.楊(Thomas Young,1773-1829)在自然哲學(xué)講義(A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts)中提出了楊氏模量，最早提出能量概的念。180720 拉普拉斯(Pierre Simmon Laplace,1749-1827)在天體力學(xué)(Mecanique celeste)中系統(tǒng)發(fā)展了圍繞天體力學(xué)的一套數(shù)學(xué)方法，如勢論、攝動法等等。1798-1825 凱利(George Cayley,1773-1858)在論空中航行(On A

12、erial Navigation)中開辟了從空氣動力學(xué)來探討飛行的道路。1809-1810力學(xué)發(fā)展簡史 泊松(S. D. Poisson,1781-1840)在力學(xué)教程(Traite de macanique)是影響深遠(yuǎn)的一套理論力學(xué)教材。181121在彈性體的平衡與運(yùn)動(Memeorire sur lequi-libre et le mouvment des corps elasti-ques)中最早提出彈性體變形的泊松系數(shù)。1829 納維(C. L. M. H. Navier,1785-1836)在論彈性體的平衡與運(yùn)動(Sur les lois de lequilibre et du mo

13、uvement des corps solides elastiques)中最早提出彈性體運(yùn)動的一般方程。1821在流體的運(yùn)動法則(Memoire sur les du mou-vement des fluides)中最早提出黏性流體的運(yùn)動方程。1823力學(xué)發(fā)展簡史22 卡諾(Sadi Carnot,1796-1832)在論火的故事(Reflexions sur la puissance mortise du feu)是熱力學(xué)第二定律研究的開始。1824 柯西(Augustin louis Cauchy,1789-1857)在彈性或非彈性固體的運(yùn)動方程(Sur les equations qu

14、i experiment interieur dun coe-ps solide, elastique ou non elastique)中總結(jié)了從1822年以后所做的研究成果，建立了彈性力學(xué)平衡與運(yùn)動的普遍方程。1828力學(xué)發(fā)展簡史24 格里奧利(Gustave Gaspard Coriolis,1792-1843)在力學(xué)應(yīng)用于機(jī)械(Cours de mecani-que ap-pliquee aux machines)中對旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提出了一種由相對速度誘導(dǎo)的加速度，即科氏加速度，由他產(chǎn)生科氏力。1835力學(xué)發(fā)展簡史 格林(George Green,1793-1841)在論在晶體介質(zhì)中光的傳播

15、(On the Propagation of Light in Crystalized Media)中論證了各向異性彈性介質(zhì)的彈性常數(shù)最多有21個。183925 泊蕭葉(Jean Louis Marie Poiseuille,1729-1829)在流體通過細(xì)管運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)研究(Recher-ches experimentales sur le mouvement des li-qnides dans les tubes de tres petits diametres)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出管流中的流動規(guī)律，被稱為哈根-泊蕭葉流。1841力學(xué)發(fā)展簡史 焦耳(James Prescott Joule,1

16、818-1889)在論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值(On the Calo-rific Effects of Magneto-Electricity and on the Mechanical Value of Heat)中最早給出了熱功當(dāng)量。184326 雅科比(Carl Guastav Jacob Jacobi,1804-1851)在動力學(xué)講義(Vorlesungen uber dunamik)中包含了將Hamilton方程變換到一階偏微分方程的變換，即Hamilton-Jacobi方程。1842-1843的講義力學(xué)發(fā)展簡史 羅素(John Scott Russell,1808-1882)在關(guān)

17、于波浪的報告(Report on Waves)中首次提出運(yùn)河在開閉閘門時形成的淺水波可以不變形的傳播很遠(yuǎn)，引入了孤立波這一科學(xué)家廣泛感興趣的名詞。1844 斯托克斯(George Gabriel Stokes,1819-1903)在流體運(yùn)動的內(nèi)摩擦與彈性固體的運(yùn)動與平衡(On the theories of the internal friction of fluid in motion, and of the equilibrium and motion)中與納維不同的方法到出了黏性流體運(yùn)動方程，被稱為N-S方程。184527 湯姆森(Sir William Thomson又名Lord Ke

18、lvin, 1824-1907)在關(guān)于彈性體平衡方程積分的注記(Note on the integration of the equation of an elastic soild)中給出了各向同性無限彈性介質(zhì)在集中力作用下的解，被稱為基本解或開爾文解。1848力學(xué)發(fā)展簡史 基爾荷夫或克希荷夫(Gustav Robert Kirch-hoff.1824-1887)在彈性板的平衡與運(yùn)動(Uber das glei-chewicht und die bewegung einer elastischen scheibe)中提出了直法線假設(shè)下的彈性薄板問題與邊界條件的準(zhǔn)確提法。185028 麥克斯韋

19、耳(James Clerk Maxwell,1831-1879)在彈性固體的平衡(On the equilibrium of ela-stic solids)中開創(chuàng)了用偏陣光進(jìn)行彈性應(yīng)力測量的方法。1850摘要，1853全文 拉梅(Gabriel Lame,1795-1870)在數(shù)學(xué)彈性理論(Traite de la Theirie mathematique de lelasticite)是第一本系統(tǒng)陳述彈性力學(xué)的專著。1852在曲線坐標(biāo)及其應(yīng)用(Lecons sur les coordo-nnees curvilignes et leurs diverses applications)中系統(tǒng)

20、討論了曲線坐標(biāo)、介紹了它在彈性力學(xué)、熱傳導(dǎo)等中的應(yīng)用，給出了彈性球殼變形解答。1859力學(xué)發(fā)展簡史29 蘭金(William Macquorn John Rankine, 1820-1872)在應(yīng)用力學(xué)手冊(A Manual of Applied Mechanics)中總結(jié)了固體強(qiáng)度方面的實(shí)驗(yàn)及理論結(jié)果，提出以拉伸應(yīng)力作為判據(jù)的強(qiáng)度理論，最早把能量與勢能區(qū)分開來。1858力學(xué)發(fā)展簡史 克萊博什(Rudolf Friedrich Alfred Cleb-sch,1833-1872)在彈性體理論(Theorie der Elastizitat Fester Korper)，后經(jīng)圣維南翻譯注釋使原書

21、擴(kuò)大了三倍，書中討論了桿的振動問題，其中初始參數(shù)法被稱為克萊博什方法，后來發(fā)展成傳遞矩陣法。186330 亥姆霍茲(Hermann Ludwig Ferdinand von Hel-mholtz,1821-1894)在論力的守恒(On the Conser-vation of Force)中總結(jié)了能量守恒定律的一般形式。1863 特雷斯卡(Henri Edouard Tresca,1814-1885)在關(guān)于固體的流動(Memoire us lecoulement des corps solides)中最早提出固體按照最大剪切應(yīng)力的屈服條件，即特雷斯卡條件。1864力學(xué)發(fā)展簡史 達(dá)西(Henry

22、 Philibert Gaspard Darcy,1803-1858)在蒂間城市公共自來水，附注D(Les Fontaines Publiques de la Ville de Dijon. Note D)是關(guān)于滲流的達(dá)西定律的原始文獻(xiàn)。186531 克勞休斯(Rudolf Julius Emmanuel Clausius, 1822-1888)熱的機(jī)械理論基本方程的若干方便形式(Uber Verschiedene fur die Anwendung Warmetheorir)中提出了熵的概念，總結(jié)出熱力學(xué)第一和第二定律。1865德文，1867英文 波爾茲曼(Ludwig Boltzmann,

23、1844-1906)在氣體分子熱力學(xué)的新研究(Weitere Studien uber das Warmegleichgewicht unter Gasmole-kulen)中從經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)解釋熱力學(xué)第二定律，開辟了解決不同層次物理現(xiàn)象之間關(guān)系的新途徑。1872力學(xué)發(fā)展簡史32 傅科(Jean-Bertrand-Leon Foucault,1819- 1868)在傅科科學(xué)論文集(Recueil des Tra-vaux Scientiques de Leon Foucault)包含了傅科擺與陀螺儀、光速測量的重要論文。1878整理 卡斯提也諾(Carlo Alberto Castiglian

24、o, 1847-1884)在論彈性系統(tǒng)(Intorno ai sis-temi elastici)中包含了廣泛用于結(jié)構(gòu)分析的卡斯提也諾變分原理。1873力學(xué)發(fā)展簡史 蘭姆(Horace Lamb,1849-1934)在流體動力學(xué)(Hydro-dynamics)是一本流體力學(xué)的百科全書。187933 科瓦列夫斯卡婭( Ko , 1850-1891)在剛體繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的一個問題(Sur le probleme de la rotation corps solide autour dun point fixe)中解決了剛體繞定點(diǎn)運(yùn)動的一種情況。1888力學(xué)發(fā)展簡史 瑞利(Lord Rayleigh,

25、1842-1919)在聲的理論(Theory of Sound)中總結(jié)了彈性體振動的成果，發(fā)展了計(jì)算固有頻率的方法。1877第一版，1894第二版 雷諾(Osborne Reynolds,1842-1912)在平行渠道阻力的實(shí)驗(yàn)研究情況(An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels)中提出雷諾數(shù)，標(biāo)

26、志湍流研究的開始。188334 馬赫(Ernst Mach,1838-1916)在力學(xué)史評(Die Me-chanik in Lhrer Entwicklung Historisch-Kriti-sch Dargestellt)中對經(jīng)典力學(xué)的絕對時空進(jìn)行了認(rèn)真的批評，被愛因斯坦稱為廣義相對論的先驅(qū)。1883,生前出版6版在通過空氣投影的照相(Photographische Fixierung der durch Projektile in der Luft eingeleiten Vorgange)中給出了通過紋影照相的到的超音速流動的相片和研究結(jié)果，是最早對超音速流動的研究。1887力學(xué)發(fā)展

27、簡史35 赫茲(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)在關(guān)于彈性體的接觸(Uber die beruhrung fester elastische korper)中提出并解決了兩個彈性體接觸的變形與應(yīng)力分布問題，被稱為赫茲接觸問題。1882力學(xué)發(fā)展簡史 布西內(nèi)斯克(Valentin Joseph Boussinesq, 1842-1929)在應(yīng)用勢論研究彈性體的平衡與運(yùn)動(Application des po-tentiels a letude de lequilibre et du mouvements des soildes elas-tiques)是繼圣維南柱體

28、扭轉(zhuǎn)后彈性力學(xué)方面最重要的文獻(xiàn)，用勢論解決了半平面受集中力的問題、半無限桿的振動問題等。188536 開爾文(Sir William Thomson又名Lord Kelvin, 1824-1907)和臺特(Petter Guthrie Tait,1831-1901)在自然哲學(xué)教程(Treatise on natural philosophy)中總結(jié)了從牛頓到當(dāng)時的力學(xué)成果，對能量守恒給予了關(guān)注。1888力學(xué)發(fā)展簡史 阿貝爾(Paul Appell,1855-1930)在理論力學(xué)教程(Traite de mecanique rationnelle)共5卷1920年前(1893,1896,1903

29、)出版三卷，前3卷中介紹了質(zhì)點(diǎn)的靜、動力學(xué)；分析力學(xué)；連續(xù)體力學(xué)。是一套影響很大的力學(xué)教材。37 樂甫(Augustus Edward Hough Love,1863-1940)在彈性的數(shù)學(xué)理論教程(A Treatise on Mathematical Theory of Elasticity)中總結(jié)了彈性力學(xué)的成就，發(fā)展了薄殼理論。1882-1883分兩卷在地球動力學(xué)的若干問題(Some Problems of Geodynamics)中總結(jié)了從彈性力學(xué)來研究地球的一系列成果，成為地球物理研究的基礎(chǔ)。1911力學(xué)發(fā)展簡史 龐加萊(Henrl Poincare,1854-1912)在天體力學(xué)的

30、新方法(Les Methodes Nouvelles de la Mecanique Celeste)中含有他發(fā)展的周期解問題、定性方法，還包含動力系統(tǒng)混沌的早期思想。1892, 1893,1899分三卷出版38 李亞普諾夫( , 1857 -1918)在運(yùn)動的一般穩(wěn)定性(俄文發(fā)表)中給出了運(yùn)動穩(wěn)定性的嚴(yán)格定義，并給出了兩種判別穩(wěn)定性的方法。 科爾泰沃赫(Diederik Johannes Korteweg, 1848-1941)和德弗里斯(de Vries,1866-1934)在論長波形狀的變化(On the change of form of long waves adva-ncing i

31、n a rectangular canal and on a new type of long stationary wave)中提出了一種非線性波動方程，被稱為科爾沃赫-德弗里斯方程。1895力學(xué)發(fā)展簡史39 貝納爾(Henri Benard,1880-1939)在加熱薄層液體持續(xù)對流的漩渦胞(Les tourbillons cellulaires dans une nappe liquide transpor-tant de la chaleur par convection en regime perma-nent)中總結(jié)了由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的底部加熱薄層流體對流產(chǎn)生的漩渦胞，被稱為貝納爾胞。1

32、901力學(xué)發(fā)展簡史 恰普霍金( ,1869-1942)在論氣體射流(俄文)，中發(fā)展了亞音速氣體射流流動理論。190240 齊奧爾科夫斯基( , 1857-1935)在利用噴氣工具研究宇宙空間(俄文)中開始了火箭理論與變質(zhì)量力學(xué)的研究。1903 普朗特(Ludwing Prandtl,1875-1953)在關(guān)于非常小摩擦下的流動(Uber Flussigkeit-sbewegung bei sehr kleiner Reibung)開創(chuàng)了黏性流體的邊界層理論。1904力學(xué)發(fā)展簡史 巴金漢(Edgar Buckingham,1867-1940)在論物理上的相似系統(tǒng)(On physically Si

33、milar Systems: Illus-trations of the Use of Dimensional Analysis)中給出了定律，奠定了量綱分析與模型相似率的理論基礎(chǔ)。191441 愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)論運(yùn)動物體的電動力學(xué)(Zur elektrodynamik bewegter)中提出了狹義相對論。1905在廣義相對論基礎(chǔ)(Die grundlage der all-gemeinen relativitatstheorie)是完整闡述廣義相對論的最早論文。1916 儒可夫斯基( , 1847-1921)在關(guān)于附屬的漩渦(俄文)中建立了二維

34、機(jī)翼的升力理論。1906力學(xué)發(fā)展簡史42 科恩(A. Korn)在關(guān)于彈性理論與轉(zhuǎn)軸彎曲的不等式(Uber einige ungleichungen welche in der theorie der elastoschen und elektrischen schwingungen eine rolle spoelen)中給出了彈性力學(xué)能量正定性的不等式。1909 索維菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)在對流動轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯慕忉?Ein beitrag zur hydrodynamichen erklaung der turbulent flus-sigkeit-sb

35、ewegungen)是對層流穩(wěn)定性的較早研究，得到了非自共軛的Orr-Sommerfeld偏微分方程。1909力學(xué)發(fā)展簡史43 卡拉索夫( ,1867-1936)在復(fù)變函數(shù)在平面彈性的數(shù)學(xué)理論中的應(yīng)用(俄文)中開創(chuàng)了平面彈性力學(xué)問題的復(fù)變函數(shù)解法。1909力學(xué)發(fā)展簡史 馮.卡門(Theodore von Karman,1881-1963)在機(jī)械制造中的強(qiáng)度問題(Festigkeits probleme in Maschinenbau)給出了較早的薄板大撓度方程。1910在關(guān)于流體中動體的力學(xué)實(shí)驗(yàn)(德文)中首次證明了在流動中圓柱體后的尾渦以交替排列時是穩(wěn)定的，被后人把這種尾渦稱為卡門渦街。191

36、244 馮.米賽斯(Richard von Mises,1883-1953)在塑性變形固體的力學(xué)(Mechanik der fes-ten korper in plastisch deformablen)中提出固體在一定應(yīng)力狀態(tài)下的一種屈服條件，被稱為米賽斯條件。1913力學(xué)發(fā)展簡史 伽遼金( , 1871-1945)在在某些桿與板平衡問題中的級數(shù)(俄文)中提出一種直接離散的近似方法，被稱為伽遼金(Galerkin)方法。191545 諾特(Emmy Noether,1882-1935)在變分問題的不變量(Invariante Variations prob-leme)中給出了兩個關(guān)于動力系統(tǒng)

37、的不變量定理，對20世紀(jì)力學(xué)和物理的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。1918力學(xué)發(fā)展簡史 格里菲斯(Alan Arnold Griffith,1893-1963)在固體的流動與斷裂現(xiàn)象(The phenomena of Rupture and Flow in Solids)是斷裂力學(xué)的最早文獻(xiàn)。192046 從上述簡單介紹中可以看到以下結(jié)論：力學(xué)發(fā)展簡史 16世紀(jì)以前力學(xué)發(fā)展較慢； 中國雖然有很多水利、橋梁、土木等等的偉大工程，卻沒有發(fā)表過力學(xué)方面的文獻(xiàn)； 一輩子能為后人留下有用的寶貴知識并不容易。49力學(xué)發(fā)展簡史 斷裂力學(xué)： 1921年Griffith提出能量釋放率理論，認(rèn)為脆性材料低應(yīng)力斷裂是因?yàn)槲?/p>

38、小裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展造成。指出一旦含裂紋物體的能量釋放率等于表面能,就將導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。 1948年Irwin,Orowan,Mott各自獨(dú)立地提出修正的Gri-ffith理論，指出將裂紋尖端塑性功計(jì)入耗散能，就可將該理論應(yīng)用于金屬材料。1956年Irwin提出應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂韌性觀念，奠定了線彈性斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)。 1962年Dugdale提出窄帶屈服區(qū)模型，Paris提出疲勞裂紋擴(kuò)展公式，開辟了疲勞壽命預(yù)測研究領(lǐng)域。50力學(xué)發(fā)展簡史 斷裂力學(xué)： 1968年Rice建立了J 積分原理，Hutchinson,Rice和Rosengren獨(dú)立地提出了彈塑性材料裂紋尖端HRR奇異場，為彈塑性斷裂力學(xué)奠

39、定了理論基礎(chǔ)。 斷裂力學(xué)是20世紀(jì)固體力學(xué)的重大成就之一，是工程材料與構(gòu)件強(qiáng)度估算和壽命預(yù)測的理論基礎(chǔ)。在它的指導(dǎo)下，“損傷容限設(shè)計(jì)”成為航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要原理，“缺陷評定規(guī)范”和“先泄漏原理”已用于壓力容器和管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 斷裂力學(xué)還必將激發(fā)細(xì)觀和微觀斷裂理論的發(fā)展。51力學(xué)發(fā)展簡史 生物力學(xué)的創(chuàng)立： 生物力學(xué)創(chuàng)立于20世紀(jì)60年代，研究不同層次生命體結(jié)構(gòu)-功能的定量關(guān)系。 30余年的發(fā)展推動了相關(guān)領(lǐng)域：例如定量解剖學(xué)、定量形態(tài)學(xué)、系統(tǒng)生理學(xué)、血管生理學(xué)等的形成。將推動生命科學(xué)的進(jìn)步，將賦予力學(xué)以新的生命。 1969年馮元楨(Y. C. Fung)關(guān)于肺微循環(huán)的研究，提出了生物力學(xué)方法

40、學(xué)原則，是生物力學(xué)作為獨(dú)立學(xué)科的標(biāo)志。1983年提出的馮元楨假設(shè)(應(yīng)力-生長關(guān)系)則是生物力學(xué)活的靈魂。52力學(xué)發(fā)展簡史 穩(wěn)定、分岔和混沌理論： 穩(wěn)定、分岔和混沌在20世紀(jì)都有長足的進(jìn)展，李亞普諾夫方法在力學(xué)中有了廣泛地應(yīng)用。40年代，美籍華人林家翹建立了流動穩(wěn)定性理論，von Karman、錢學(xué)森、Koiter等開展了板殼等結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究，為連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的穩(wěn)定性分析奠定了基礎(chǔ)。 60年代Thom、Zeeman和Arnold創(chuàng)立了動力系統(tǒng)的分岔理論，成為研究動力系統(tǒng)失穩(wěn)后行為的基礎(chǔ)。 分岔是非線性動力學(xué)的一個重要內(nèi)容，它建立了對力學(xué)穩(wěn)定性的全面認(rèn)識，提供了力學(xué)穩(wěn)定性理論和應(yīng)用的解析和數(shù)值的方

41、法。53力學(xué)發(fā)展簡史 穩(wěn)定、分岔和混沌理論： 混沌是指非線性確定性系統(tǒng)中對初值敏感而出現(xiàn)的貌似隨機(jī)的運(yùn)動。 60年代以后，非保守和保守系統(tǒng)中混沌理論及應(yīng)用研究有了很大發(fā)展，認(rèn)識到混沌往往在參數(shù)空間一系列分岔之后出現(xiàn)?；煦缋碚摻沂玖伺ｎD力學(xué)中確定性和隨機(jī)性之間的辯證關(guān)系，反映了自然現(xiàn)象的復(fù)雜性。 1963年Lorenz在氣象預(yù)報研究中引出的一類非保守系統(tǒng)力發(fā)現(xiàn)了混沌現(xiàn)象。19541962間，Kolmogorov、Arnold、Moser從數(shù)學(xué)上證明的KAM理論，解釋了保守力學(xué)系統(tǒng)里出現(xiàn)的混沌現(xiàn)象。54力學(xué)發(fā)展簡史 邊界層理論： 1904年普朗特根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察提出，大雷諾數(shù)(小黏性）流體運(yùn)動邊界層的

42、概念，層內(nèi)黏性流體運(yùn)動方程可以簡化為邊界層方程，層外可以用理想無黏性流體來處理，從而解決了平板邊界層問題。他還研究了逆壓梯度下邊界層的分離，一旦分離，邊界層便會形成包住尾渦的渦面，改變流動的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 普朗特的邊界層理論不僅解決了小黏性流體黏性如何處理問題，還給出了計(jì)算物體在流體中運(yùn)動時阻力的近似方法，極大地促進(jìn)了航空、航天工業(yè)的發(fā)展，它還是匹配漸進(jìn)展開法的原型和物理基礎(chǔ)。55力學(xué)發(fā)展簡史 塑性力學(xué)和位錯理論： 1951年Drucker提出了德魯克公設(shè)，認(rèn)為對一類穩(wěn)定材料，附加應(yīng)力在應(yīng)力循環(huán)上所做的功總是非負(fù)的。從而導(dǎo)出：屈服面光滑點(diǎn)處屈服面必是凸的；塑性應(yīng)變增量方向必與屈服面外法線方向一致。

43、 1954年他進(jìn)一步任何材料如果不滿足這個公設(shè)，就將是不穩(wěn)定的。這個公設(shè)為塑性力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。 1961年以留申在應(yīng)變空間提出如下公設(shè)：材料微元在任意應(yīng)變閉循環(huán)中，應(yīng)力所做的功總是非負(fù)的。該公設(shè)既適用于穩(wěn)定材料，也適用于非穩(wěn)定材料。由該公設(shè)可推出正交性法則。56力學(xué)發(fā)展簡史 塑性力學(xué)和位錯理論： 1923年Taylor提出晶體變形滑移機(jī)制，1934年Oro-wan,Polanyi,Taylor各自獨(dú)立提出了刃型位錯新概念，解釋了金屬屈服應(yīng)力遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度的物理機(jī)制。這些理論預(yù)測，被50年代的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。 1953年建立了Schmid定律，指出作用于滑移系的分解剪應(yīng)力達(dá)臨界滑移值時，滑移系就會開

44、動。1954年Kro-ner提出位錯連續(xù)統(tǒng)塑性理論，將位錯密度張量與變性非協(xié)調(diào)聯(lián)系起來。1955年Kondo,Bilby等建立了位錯連續(xù)統(tǒng)一般理論，將非黎曼幾何與變性非協(xié)調(diào)聯(lián)系起來。60 -70年代Hill,Mandel發(fā)展和完善了晶體和多晶體塑性理論。57力學(xué)發(fā)展簡史 塑性力學(xué)和位錯理論： 塑性力學(xué)是20世紀(jì)固體力學(xué)重大成就之一，是金屬材料與構(gòu)件強(qiáng)度估算和塑性成型理論的基礎(chǔ)。 位錯理論是20世紀(jì)固體物理重大成就之一，為晶體微觀力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。58力學(xué)發(fā)展簡史 湍流統(tǒng)計(jì)理論： 自從雷諾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)湍流并建立雷諾方程后，如何描述脈動量的無規(guī)則性，是20世紀(jì)力學(xué)、物理、數(shù)學(xué)家面臨的重要課題。 1921

45、年G. I. Taylor首先提出脈動速度關(guān)聯(lián)函數(shù)的概念,在30年代和von Kaman等一起開創(chuàng)了湍流統(tǒng)計(jì)理論。1938年Taylor進(jìn)一步提出了湍流能譜的研究設(shè)想。 1941年科爾莫哥洛夫首先提出脈動速度結(jié)構(gòu)函數(shù)的概念，導(dǎo)出了均勻各向同性湍流的相似性理論，得到了具有普適意義的慣性區(qū)-5/3次能譜冪次標(biāo)度律，1962年他又再次修正開創(chuàng)了湍流結(jié)構(gòu)函數(shù)普適標(biāo)度律研究的先河,是20世紀(jì)湍流研究最重大的成果之一。59力學(xué)發(fā)展簡史 湍流統(tǒng)計(jì)理論： 如何求解不封閉的雷諾方程是湍流研究又一難題。20世紀(jì)40年代初，周培源首先提出同時求解平均速度和脈動速度的動力學(xué)方程組，給出了具有奠基性的雷諾應(yīng)力所滿足的方

46、程。50年代他又提出先求解、后平均的旋渦結(jié)構(gòu)湍流統(tǒng)計(jì)理論，為現(xiàn)代湍流模式理論奠定了基礎(chǔ)。 50年代初Rotta和Davidov進(jìn)一步闡明了湍流模式理論的研究方向。 70年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，湍流模式理論得到了迅速發(fā)展。湍流模式理論是湍流統(tǒng)計(jì)理論和實(shí)際工程應(yīng)用之間的橋梁。60力學(xué)發(fā)展簡史 奇異攝動理論： 該理論指的是：獲得在時間或空間域上一致有效攝動解的理論和方法。19世紀(jì)在研究水波、天體運(yùn)動時解決了奇異攝動的個例。 20世紀(jì)發(fā)現(xiàn)在邊界層理論、升力線理論、圓錐體超音速繞流、圓板彎曲、非線性振動等等問題中都存在攝動解。根據(jù)奇異性產(chǎn)生的原因，發(fā)展了處理邊界層效應(yīng)的匹配漸近展開法和處理出現(xiàn)長期

47、項(xiàng)的PLK(Poincare-Ligh-thill-Kuo)法。 前蘇聯(lián)學(xué)派獨(dú)樹一幟，發(fā)展了基于平均設(shè)想的奇異攝動理論。61力學(xué)發(fā)展簡史 奇異攝動理論： 60年代后人們用多尺度觀點(diǎn)來認(rèn)識奇異攝動問題，提出了多重尺度法，形成了奇異攝動的系統(tǒng)理論。中國或華裔科學(xué)家郭永懷、錢偉長、林家翹、丁汝等在該領(lǐng)域有較大貢獻(xiàn)。 美國斯坦福大學(xué)M. Van Dyke將攝動級數(shù)延拓，應(yīng)用于眾多流動問題，是理論和計(jì)算結(jié)合的范例。 迄今，奇異攝動理論仍是力學(xué)、聲學(xué)、大氣、海洋和工程中解決弱非線性問題的有效理論方法。62力學(xué)發(fā)展簡史 力學(xué)的公理化體系： 力學(xué)的公理化是德國數(shù)學(xué)家Hilbert(1900)年提出的，即實(shí)現(xiàn)D

48、lambert(1743)的設(shè)想：“力學(xué)必須象幾何學(xué)那樣，建立在顯然正確的公理上，且其結(jié)論要有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明”。 20世紀(jì)50年代，一些杰出的力學(xué)數(shù)學(xué)家開始了公理化體系研究。具有里程碑性的工作有：J. G. Oldroyd(1950)提出本構(gòu)關(guān)系必須具有確定不變性的原理；W. Noll(1958)提出“確定性公理、局部作用公理和客觀性公理”，都是構(gòu)造本構(gòu)理論的基礎(chǔ)，確定了力學(xué)公理化結(jié)構(gòu)的雛形；63力學(xué)發(fā)展簡史 力學(xué)的公理化體系：Trusedell和Noll(1965)的名著“力學(xué)的非線性場論”，總結(jié)了關(guān)于力學(xué)公理化體系的主要研究成果，使連續(xù)介質(zhì)的基礎(chǔ)理論進(jìn)入嶄新時代；A. C. Eringen

49、(1975)的專著“連續(xù)統(tǒng)物理，Vol.14”明確提出“因果公理、確定性公理、等存在公理、客觀性公理、相容性公理”等八條公理是構(gòu)造簡單物質(zhì)本構(gòu)理論的基礎(chǔ)，隨后添加了坐標(biāo)不變性和對因次(單位)系統(tǒng)不變性公理，并逐一闡明每個公理的內(nèi)涵。Eringen的工作成為工程理論學(xué)派的理論基石，奠定了現(xiàn)代連續(xù)介質(zhì)力學(xué)體系的基礎(chǔ)。為20世紀(jì)整個力學(xué)的發(fā)展作出了卓越的重大貢獻(xiàn)。64力學(xué)發(fā)展簡史 克服聲障、熱障的力學(xué)理論： 聲障一詞出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代，二戰(zhàn)中戰(zhàn)斗機(jī)平飛速度已達(dá)聲速一半，俯沖時可達(dá)聲速0.7倍。這時飛機(jī)阻力隨馬赫數(shù)微小上升急劇增大，飛機(jī)會突然受到很大的“低頭”力矩并產(chǎn)生劇烈抖振，導(dǎo)致當(dāng)時人們認(rèn)為聲

50、速是不可逾越的，也即存在聲障。 隨著空氣動力學(xué)的研究深入，搞清了產(chǎn)生聲障現(xiàn)象的原因，通過使用小展弦比、后掠的薄翼和大推動力發(fā)動機(jī)，成功地實(shí)現(xiàn)了超聲速飛行，使聲障成為了歷史名詞。65力學(xué)發(fā)展簡史 克服聲障、熱障的力學(xué)理論： 熱障是指飛行器高超聲速飛行時其表面產(chǎn)生高溫，特別是在飛船、航天飛機(jī)返回大氣層時高溫達(dá)10000K，不加防護(hù)飛行器必將燒毀。 聲障和熱障的克服都是力學(xué)研究的成果，是各國科學(xué)家共同努力的結(jié)果。 通過空氣動力學(xué)的深入研究，用碳酚醛高硅氧、碳石英等高分子材料做飛行器表面層，利用燒蝕法、發(fā)汗冷卻法等克服了飛行器返回大氣層的高溫問題，實(shí)現(xiàn)了人類航天的夢想。66力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用力學(xué)在

51、機(jī)械工程中的應(yīng)用力學(xué)在水利工程中的應(yīng)用力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用力學(xué)在船舶海洋工程中的應(yīng)用力學(xué)在新材料研制中的應(yīng)用力學(xué)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用力學(xué)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用力學(xué)的工程應(yīng)用(錄像)67 固體力學(xué)方面：21世紀(jì)力學(xué)發(fā)展趨勢 經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的模型和體系可能被突破，它們可能將包括某些對宏觀力學(xué)行為起敏感作用的細(xì)觀和微觀因素，以及它們的演化，從而使復(fù)合材料的強(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)的轉(zhuǎn)換和控制，從而解決微機(jī)械、微工藝、微控制等方面急需解決的問題。 固體力學(xué)中非線性動力學(xué)、非平衡統(tǒng)計(jì)和熱力學(xué)的概念和方法將大大豐富起來。20

52、世紀(jì)末，力學(xué)進(jìn)展曾組織專家發(fā)表過“21世紀(jì)初力學(xué)發(fā)展趨勢”一文，現(xiàn)摘引如下6821世紀(jì)力學(xué)發(fā)展趨勢 固體力學(xué)方面： 隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，分子動力學(xué)等微觀模擬方法、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿真分析將更大規(guī)模更迅速地在固體力學(xué)和工程設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用和發(fā)展。 固體力學(xué)的上述發(fā)展，必將推動科學(xué)和工程技術(shù)的巨大進(jìn)步。6921世紀(jì)力學(xué)發(fā)展趨勢 流體力學(xué)方面： 船舶向更大、更快方向發(fā)展，新型船舶(如既能貼近水面航行、也可升空飛行或降在水面上的大型沖翼艇)研制等，均亟需解決表面邊界非線性，波浪的隨機(jī)性水表層為湍流，以及流體和船舶運(yùn)動的相互作用等問題。 為改善收集全球氣象數(shù)據(jù)的廣度和精度，急需解決風(fēng)浪相互作用機(jī)制。此外，亟需

53、開辟傳統(tǒng)波浪理論未涉及的有旋流對波浪影響這一新領(lǐng)域。7021世紀(jì)力學(xué)發(fā)展趨勢 流體力學(xué)方面： 為了盡可能多地開采地下油氣，需要深入研究滲流機(jī)理并定量化。它的研究還有助于了解各種新陳代謝的宏觀機(jī)制。 化工流程的設(shè)計(jì)，很大程度上歸結(jié)為流體運(yùn)動的計(jì)算問題。由于流動的復(fù)雜性，針對若干典型化工設(shè)備進(jìn)行深入的研究，將為化工設(shè)計(jì)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等提供新方法和基礎(chǔ)。而復(fù)雜流場計(jì)算需要各種計(jì)算方法和理論，必須發(fā)展新的計(jì)算機(jī)軟硬件，這就必須在計(jì)算流體力學(xué)上投入更大的力量。7121世紀(jì)力學(xué)發(fā)展趨勢 一般力學(xué)方面： 隨著技術(shù)的發(fā)展，諸如機(jī)器人、人造衛(wèi)星和高速列車等等領(lǐng)域的發(fā)展，亟需解決多體系統(tǒng)的運(yùn)動和控制、大尺度柔性部件和液體的運(yùn)動