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1、1 力学自然科学学科发展战略调研报告力学自然科学学科发展战略调研报告 前 言前 言 力学具有很强的基础性，又有广泛的应用性。力学的基础研究，不断深 化和丰富人类对基本自然规律的认识，不断为其他学科的发展提供认识工具。目 前，力学正在突破经典的力学概念和范畴，进入一个新的发展阶段。力学的物理 内容在深化，力学在与其他学科交缘处迅速发展。力学从认识论的前沿，跨越自 身的一些重大问题和学科的新生长点，直到构筑新技术、高技术的根基。形成一 个相当宽阔的研究带。 国内外对力学都很重视，学术活动频繁，学术组织林立。美国、日本把力 学和材料视为交叉研究领域，俄罗斯把力学当作带头学科，我国则把力学作为七 大基
2、础学科之一。 随着冷战的结束， 随着我国从社会主义计划经济向社会主义市场经济的重大 体制转变，力学又面临着新的挑战和新的机遇，力学需要重新规划自已、发展自 己。 力学发展战略研讨工作，侧重于基础学科方面。在国家自然科学基金委员会 的统一部署下，于 1990 年 7 月在山东威海召开的学科评审组会议上正式开始。 会上，确立了战略研究的总体构思，本着学科发展战略调研报告应具有权威性、 预见性和可操作性的精神， 成立了以中国科学院郑哲敏院士为组长、 黄克智院士、 周恒院士和中国工程院黄文虎院士为副组长的研究组。 国家自然科学基金委员会 副主任、中国力学学会理事长、中国科学院王仁院士光临会议，共同商讨
3、。 研究分两个阶段四个方面进行： 第一阶段从 1991 年开始，由黄克智院士率领，对固体力学进行发展战略研 究；由周恒院士率领，对流体力学进行发展战略研究；由黄文虎院士率领，对一 般力学进行发展战略研究；由郑哲敏院士率领，对力学的交叉学科进行发展战略 研究。 2 第二阶段从 1994 年开始，在上述四个方面的研究基础上，由郑哲敏院士主 持形成整个力学学科的发展战略报告的总体构想。 第一阶段的工作，是国家自然科学基金委员会的力学发展战略研究组、中国 力学学会和中国科学院非线性连续介质力学开放实验室等单位联合组织实施的。 在周恒院士的主持下，于 1990 年 10 月和 1992 年 2 月召开了
4、两次“非线性 流体力学研讨会 非线性 流体力学研讨会”，先后有 35 位专家(人次)参加会议。会上的 24 个邀请报告， 收集在 现代流体力学进展 和 现代流体力学进展 (II)(科学出版社出版)里。 在黄文虎院士的主持下；1993 年 7 月召开了“一般力学(动力学、振动及控 制)发展与展望学术讨论会”，由 42 位专家(人次)提供了 25 篇专题报告，汇编 为一般力学(动力学、振动和控制)的最新进展，由科学出版社 1994 年出版。 在黄克智院士主持下，于 1990 年 11 月和 1992 年 12 月召开了两次“固体力 学发展趋势研讨会”，由 36 位有关专家分工撰写了综合报告 19
5、篇，这些报告汇 编为固体力学发展趋势，由北京理工大学出版社 1994 年出版。由朱兆祥等 四位教授负责，于 1991 年 8 月召开了“材料和结构的不稳定性研讨会”，邀请 了 16 位专家作了学术报告，汇编为材料和结构的不稳定性论文集，由科学 出版社 1994 年出版。 郑哲敏院士主持的力学的交叉学科涉及的内容广泛， 尽管有关交叉学科的发 展战略报告已经成文，如爆炸力学等，但因各学科多从自身的角度论述，而没有 统一在一起，形成正式出版物。 第一阶段的学科发展战略研讨工作，通过郑哲敏等四位院士的影响和带动， 使力学界相当一部分学术造诣深厚，且在研究第一线工作的专家学者参与研讨， 为第二阶段的工作
6、奠定了良好的基础。 第二阶段的工作是从 1994 年 7 月在哈尔滨召开的学科评审组会议开始。在 那次会议上，首先请了周恒院士、黄文虎院士、杨卫教授和唐立民教授等开始对 整个力学学科发展战略报告的正式文稿进行起草，会上周恒院士初步完成了“力 学发展的回顾”和“流体力学”“流体力学”部分、杨卫教授初步完成了“固体力学”部分、 黄文虎院士初步完成了“一般力学”部分的起草工作等。1995 年初，研究组又 征集了郑泉水教授关于理性力学的材料，谢和平教授关于岩石力学的材料，伍小 平教授关于实验力学的材料，大连理工大学关于计算力学的材料等。1995 年年 3 底，将上述材料连同原来谈庆明研究员提供的有关爆
7、炸力学的材料，崔季平研究 员提供的有关物理力学的材料，柳兆荣教授提供的有关生物力学的材料，徐复和 陈允明研究员提供的有关电磁流体力学的材料和李家春研究员提供的有关环境 流体力学的材料等 李家春研究员提供的有关环境 流体力学的材料等，由杨雷高级工程师串在一起，组织打印为“力学学科发展战 略调研报告”的初步讨论稿。1996 年初，由郑哲敏院士和黄克智院士组织杨卫 教授、郑泉水教授、谈庆明研究员、郭文海副研究员等进行初步加工，形成初步 的框架。接着召开了研究组全体人员会议，提出了一些原则性的修改意见，并确 定由谈庆明研究员为整个报告的统稿人；进行深入细致的进一步加工。之后，郑 哲敏院士编写了摘要；又
8、请王仁院士、李家春研究员、朱如曾研究员、陆启韶教 授、王文标教授等补充了有关的材料，并按照“调研报告”的出版要求，进行了 再加工。 在郑哲敏院士的主持下， 又召开了几次在京研究组成员会议， 进行讨论 ； 并书面征求了京外研究组成员的意见，1996 年 4 月基本定稿。王仁院士首先进 行了通篇审读和修改。同年 5 月送同行专家进行评议，除力学界的同行专家外， 还送请数学界、物理界和工程界的专家进行评议。根据同行专家返回的意见，又 逐一进行了修改，形成了送专家评审会议的正式书稿。 以王仁院士为组长的评审组于 1997 年 4 月 1718 日对“调研报告”进行了 认真细致的评审。评审组认为研究组“
9、完成了一份高质量的调研报告。该调研报 告从科学技术发展历史的角度，阐明了力学在自然科学中的战略地位，以及它对 国民经济和社会发展的巨大推动作用。 调研报告对国内外力学研究现状和发展趋 势作了深入分析和高度的概括。”“调研报告既有学术深度，又有战略高度。所 引用的资料准确，对力学学科未来十年的发展机遇作了比较明确的预测，提出了 实现战略目标的相应措施。”“结合我国国情，提出了优先发展领域和中近期发 展目标，是一项既有重要学术价值又有很好指导意义的研究成果。” 力学学科发展战略调研报告是部分力学工作者在充分调研基础上的集体构 思。在此，我们谨对一直关心和支持该项工作的白以龙院士，对曾给予该项工作
10、以支持和帮助的专家和有关单位表示衷心感谢。对书中不足或不当之处，欢迎读 者指正。 4 国家自然科学基金委员会数理科学部 靳征谟 1997 年 5 月 5 摘要摘要 本报告指出了力学的科学地位以及它对国民经济和社会发展的紧密作用， 论述了力学的战略地位、意义及作用；论述了当前力学发展和研究方法的特点； 从四个分支学科方面分析论证了当前国内外力学研究领域的现状和发展趋势， 提 出了优先发展的领域；结合我国情况建议了中近期的战略目标和应采取的措施。 一、力学学科的战略地位 力的作用与物质的运动是自然界和人类活动中最基本的现象。 这正是力学学 科研究的对象，从而也奠定了力学在自然科学中的基础地位。力学
11、经过开普勒、 伽利略，由牛顿集其大成，成为一门精密的科学。它在定量描述天体动方面起了 巨大的作用，并导致了微积分的建立。继而经由欧拉、拉格朗日、哈密顿等将质 点系和刚体力学发展成从内容到形式都十分完善的理论体系。与此同时，欧拉、 纳维、 斯托克斯等建立了描述连续介质变形与运动的弹性力学和流体力学的基本 框架。以上这些成就成为精密自然科学发展的典范，极大地推动了数学、天文学 和经典物理的进展，至今仍起着重要的作用。在当时，由于受到生产力水平以及 实验与计算能力的限制，虽然力学对于工程应用起着基础的作用，然而力学理论 的应用价值远远没有得到充分的发挥。 20 世纪初是近代力学发展的重要时刻。科学界
12、有识之士，特别是在当时的 哥廷根大学(现已改名为格丁根大学)，认识到科学对推动工业发展的巨大潜力， 竭力促成与工程的结合。本世纪初，力学取得突破性成就，那就是普朗特的边界 层理论， 它使虽已有基本框架但实际难以应用的理想流体力学理论取得了应用价 值，解释了困惑人们多年的难题。以此为契机，20 世纪力学进入了以应用力学 为重要标志的蓬勃发展的新阶段。力学研究遍及各种工程和许多自然科学领域， 出现了多种新的力学分支学科，对科学和技术的进步、社会经济的发展起了难以 估量的促进作用。重要的例子有：有的历史学家已经把 20 世纪初美国从欧洲引 进空气动力学家从事航空科学的研究作为当代社会把现代产业建立在
13、科学基础 上的首例；核武器离开了冲击波的理论是难以想象的；力学的理论使人们能在地 震多发区建造高层建筑；断裂力学从根本上改变了结构和构件的强度设计和安全 评定的概念， 大大提高了材料使用的效率 ； 力学家和数学家一起创立了有限元法， 各种差分方法，形成了计算力学并促进了计算数学和计算机的发展；流体力学家 6 和气象学家、海洋学家一起创立了数值天气预报和地球物理流体力学等等。与此 同时，力学的理论也有突出的进展：大变形的几何理论业已完善，并在与近代热 力学理论结合上有重要进展 ； 力学的基础正在从宏观向细观和微观延伸，从单一 的均匀介质向非均匀、 多相介质延伸。 力学的基础正在从宏观向细观和微观
14、延伸，从单一 的均匀介质向非均匀、 多相介质延伸。 力学界多年来一直重视非线性问题的研究， 其中包括各种分岔，稳定性问题 非线性问题的研究， 其中包括各种分岔，稳定性问题，非线性振动和非线性波问题，开创了奇异摄动 法，为非线性科学的创建作出了十分重要的贡献。混沌现象最初来自被简化了的 流体力学方程，后来被证明有普遍性，即由非线性确定性方程可以得出几乎是完 全随机性的结果。这不仅从根本上改变了人们对牛顿力学的看法，说明经典力学 的内涵远未被充分认识，并且也深深影响了人们的自然观。 综上所述，力学学科本世纪取得了巨大的进展，向人们证明它不仅是一门发 展中的基础科学，也是一门应用极其广泛的技术科学。
15、实践表明，要使力学蓬勃 发展，必须在基础研究上扎得深，同时在应用上与其他学科及工程技术保持十分 紧密的联系。 二、力学的发展总趋势 （一）致力于力学界公认的几个基本力学现象与规律的研究 研究这些问题具有普遍和重要的意义，代表着当今力学研究的前沿，其研究 进展不仅会加深人们对力学运动规律的认识，包括丰富非线性科学的内容，而且 有助于大批实际问题的解决。 概括地说，力学在基本理论方面将着重研究： ）湍流运动的各种表现与机理以及复杂流场中涡系的生成及演化机理。 ）固体介质的本构、破坏或失效理论。 ）传统连续介质力学的改造，使之能够正确刻划具有非均匀、多相、多尺 度、有宏、微、细多层次结构的天然或人造
16、流体与固体的力学性质与变形、破坏 和流动的规律。 返回 （二）将继续以应用基础研究为重点，同时大力发展应用力学 相对于工程而言，以往力学界着重于为设计提供概念和方法，着重于研究部 7 件，着重于研究正问题，较少涉及工艺与制造中的理论问题，较少涉及系统(如 整个飞机的气动力、结构、控制系统的耦合)，较少涉及像优化那样的反问题。 情况之所以会这样，从根本上说是因为在客观上受计算能力的限制。随着计算能 力的提高和新需要的出现以及计算力学的发展，这种情况将会逐步得到改善，使 各类研究工作达到良好的有机平衡。 还可以预期， 力学除了将继续在航空、 航天、 机械、土木、水利、化工、交通运输等传统领域发挥为之提供基础理论与工具的 作用外，也将在生命、材料、能源、环境、高技术领域发挥愈来愈大的作用。 20 世纪中，一些以往限于定性描述、推理和做出判断的自然科学领域，逐 步实现了定量化，这是所有科学发展的必由之路。数值天气预报，地震科学(早 在 19 世纪)中的弹性波都是成功的例子。由于这些领域牵涉众多的力学现象，所 以力学工作者的参与是有益的， 甚至是必需的。 在
