【转帖】力学与工程科技

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力学与工程科技?  
周　恒?
　 　　力学作为一门科学应该从牛顿时代算起。它和天文学一起是最早形成的两门自然科学。到十九世纪末，力学已发展到很高的水平。当时它主要以比较理想的模型，如质点、质点系、刚体、理想弹性体、理想流体等为对象，建立起了相当完善的理论体系。同时也开始了与工程技术问题的结合。
　　二十世纪力学发展的最大特点是：它的研究对象已不再限于理想模型，而更多地以自然界和工程技术中必然遇到的复杂介质或系统为对象，建立更多的力学模型，在解决问题的过程中形成了更多的力学分支。既丰富了力学的体系，也使力学成为众多工程和技术科学的重要基础。在二十世纪由于力学的参与而得以形成的工程或技术科学有航空航天技术的科学、船舶工程的科学、土木工程(包含水利工程)的科学、机械工程的科学、运输工程的科学、能源技术的科学、气象科学、海洋科学、兵器工程的科学等。它们　　二十世纪中由于力学的发展才得以实现的工程技术中的标志性成就有：可载四百多人的喷气客机，将人类送入太空的航天技术，单台功率达130万千瓦量级的发电机组，单跨近2000米的桥梁，有抗震能力的超高层建筑，时速达300多公里的高速列车，巨型水利枢纽如三峡工程，大型海上采油平台等。
　　在2000年下半年，美国的三十几个职业工程协会评出了二十世纪对人类影响最大的二十项技术。力学在其中多项的发展中起着重要的甚至是关键的作用。例如，排在第一位的是电力系统。目前几乎所有输入电网的电力都是通过叶轮机带动发电机产生的。而叶轮机、发电机、以及输电线路的设计都离不开力学。现全世界电网装机容量约为40亿千瓦，每年发电约28万亿度，以华北地区比较便宜的电价为参考价格，总值约一万亿美元。二十世纪的后50年，由于力学的发展，使得叶轮机的设计得以改进，其效率提高约三分之一，这相当于电费每年节省约五千亿美元，而这里还没有考虑力学对锅炉燃烧过程效率提高的贡献。
　　排在第二位的是汽车。它同样离不开力学的支持。由于和叶轮机得以改进的同样原因，力学的发展使得半个世纪以来汽车发动机的效率提高了约三分之一。现在全世界约有2.5亿辆汽车。如以每辆车平均每年的燃油费为1000美元计，上述效率的提高就使全世界的燃料费每年节省约1200亿美元，而排气的污染却减少了90％以上(其中化学也起了重要作用)。?　　排在第三位的是飞机，第十一位的是航天技术。它们和力学的关系就更密切了。力学对它们的发展，不但起了重要的，而且是关键的作用。它们的每一个重大进展都依赖于力学的新突破。如从第一次世界大战开始，作战飞机已发展到第四代。第一代是简单的流线型飞机，不能快速转弯。第二代是第二次世界大战时的能快速转变的飞机，第三代是现在大多数国家装备的有高机动性及高敏捷性的飞机，第四代是先进国家正在研制或即将装备的能超音速巡航及隐身的飞机。每一代飞机所体现的技术飞越都依赖流体力学为其提供科学基础。
　　航天技术也已从火箭发展到航天飞机。运载能力也从50年代一次只能把几百公斤重的卫星送入近地轨道，发展到能把近20吨重的卫星送入轨道。同样，每一次技术的飞跃，都伴随着有流体力学的新进展。?
　　航空航天技术的发展，同时伴随着材料的发展。最早的飞机的骨架、螺旋浆等是木制的，蒙皮则是帆布，后来用了金属材料，近来则有复合材料。每一种新材料的采用，都带来了新的固体力学问题。而计算力学及优化方法的发展，为它们的复杂结构的设计计算提供了必需及有效的工具。?
　　在为工程和技术科学提供科学基础的过程中，力学形成了许多新的分支学科，如流体力学有粘性流体力学，空气动力学，气动热力学，热化学流体力学，电磁流体力学，稀薄气体  
动力学，物理力学等。固体力学有塑性力学，断裂力学，损伤力学，板壳力学，复合材料力学等。?
　　二十世纪的工程技术固然取得了巨大的成就，但人类的需求是无止境的。例如交通工具要求更快、更安全、更舒适；建筑物会越做越高而且要能抗震；石油开采要求能尽可能多地采出更多的原油；人类对环境有更高的要求，对灾害的防治要更有把握；等等。这些都会提出新的力学问题。高技术战争则要求更多的武器从空天平台上发射，促使空天武器平台及武器本身都向高速、高机动性、隐身、大航程的方向发展。这迫切要求提出全新的设计思想，而没有力学的发展是不可能的。因此虽然力学在二十世纪得到了非常大的发展，但面向二十一世纪，仍有很多重要的问题急待解决。这首先是工程技术发展的需要，同时也必然促进力学的进一步发展。