《钱学森文集》——卷一(047)力学的现状及其发展方向

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力学的现状及其发展方向*

*钱学森为中国科技大学近代力学系招生撰写的介绍文章，刊载于1959 年《科大系与专业介绍》小册子上。

自从工业革命以来，随着蒸汽动力的应用，造船、机械、土建、铁道、造桥等工业有高速度的发展。这时过去的质点或刚体力学已经不能满足工程技术上的各种需要，而是要进一步建立一门更接近实际的、可变形的连续介质力学。连续介质的一个基本假设是：由许多原子分子所组成的固体、液体或气体可以看作为一个连续体。根据物体的一些特性(例如液体的不可压缩性)和一些基本的力学规律，我们建立起一组数学方程。由方程可以找出在各种具体条件下应力的或速度的场函数。有了场函数，就得出了一个材料之内的应力及应变分布情况，或者是绕过一定几何形状的流体在空间各点的速度分布情况。在这个基础上所发展的连续介质力学有两个分支：弹性力学和流体力学。近几十年来，这种计算分析的方法又同精密的、有系统的实验方法相结合，应用在工程技术的发展上，都起了重要的推动作用。

由于工程技术的不断发展，对于各种力学变化的研究也就愈来愈细致，因而在今天力学中出现了许多分支。例如固体力学中有板壳理论、弹性波的理论、振动理论，在流体力学中有空气动力学、边界层理论、重力波理论。这些分支都承继了过去连续介质力学中的方法，但是它们的结果是比较具体的，因而在航空、地震及物理探矿、海港建设都有比较广泛的应用。

在发展这些力学分支的同时，我们也应该看到，由于工农业生产的日益发展，特别是某些尖端工程技术的发展，力学工作者为了能解决生产中所提出的问题，就必需考虑到许多具有十分复杂物理、化学变化的现象，这就要求力学工作者充分利用目前物理、化学上已有的成果。这种为尖端技术服务的工作也逐渐发展成为力学的新分支。另一方面这些新的力学分支的发展成长和实验技术的进步也是分不开的。而这些实验技术也都利用了现代物理、化学上许多成就建立起来的。这就说明要掌握这些新的力学分支是与良好的物理、化学知识基础分不开的。

下面我们分别就有关中国科技大学力学系有关的几个专门化，谈谈力学在这些新领域中的发展方向。

一、高速空气动力学

当高速飞行器(例如火箭)的速度达到声速的十几倍时，飞行器表面的温度可以达到一万摄氏度左右。这种情况下空气分子已经部分离解和电离，用一般的超声速空气动力学的公式，显然不可能对于像空气动力加热这种重要问题得出正确的结论。把高温情况下的气体中所发生的一系列的现象，例如电离、离解辐射等加以考虑，从而建立各种能代表真实情况的公式，并且从中找出解答是高速空气动力学的主要任务。另一方面，高速飞行总是在高空进行的，由于高空(离地数百千米)空气极为稀薄，分子之间的平均距离比起飞行体的尺度已不是很小，因此把空气看作是连续介质的模型已不适用的了。对于飞行体在这种介质中飞行所引起的一些气体力学的研究，也是很重要的。在高温气体中离子及电子的出现，又产生了研究在电磁场中导电介质的运动规律，这是流体力学的一个新的分支—电磁流体力学。最近人们经常讨论电磁流体力学在星际航行上的一些应用，例如电磁流体制动及等离子体射流发动机。人工控制热核反应问题也促成人们对于等离子体的振荡、箝制效应、稳定问题的研究。显然，这个科学今后会有宏伟的发展前途。

二、高温固体力学

在目前的火箭技术、原子工业、动力机械中都遇到不少固体在高温情况下的强度问题，这些问题的实际意义从下面的一些事实上可以看出来。近代的动力机械为了提高效率总是向高温、高压的方向发展。大家都知道，对于具有同样质量比的火箭，喷气速度愈大，火箭获得的最后的速度也愈大。而提高喷气速度的问题又联系到如何提高发动机里面的燃烧温度的问题，固体在高温情况下的蠕变、反复载荷之下的疲劳、断裂等现象与常温情况下均有所不同。这些现象也不能用一般的固体力学的规律来描述。因此我们必须发展高温固体力学。由于这些现象相当复杂，它目前还处于积累实验、搜集数据的阶段，基本规律的掌握还有待进一步的发展。

三、岩石力学及土力学

岩石是构成地层的重要组成，它有许多与普通金属材料不同的力学性质。例如应变与应力之间的关系是非线性的，抗压强度远较抗拉强度为大等。研究岩石的力学性质对于大型的土建工程及开矿有密切关系。近年来爆炸技术与热力钻逐渐用于工程技术方面，这又引起了岩石力学方面一系列的新的问题，例如爆炸所产生的应力波在岩石中如何传递，在岩石中引起的热应力如何导致了岩石的碎裂等。

土壤的许多力学性质也值得仔细研究，例如：土壤的极限平衡问题对于工业建设的关系很为密切;地基的不均匀沉陷，对于建筑物的寿命的损害是极其严重的。土壤的结构强度理论与农业生产关系极为密切，也是亟待研究的问题。热核反应问题也促成人们对于等离子体的振荡、箝制效应、稳定问题的研究。显然，这个科学今后会有宏伟的发展前途。

二、高温固体力学

在目前的火箭技术、原子工业、动力机械中都遇到不少固体在高温情况下的强度问题，这些问题的实际意义从下面的一些事实上可以看出来。近代的动力机械为了提高效率总是向高温、高压的方向发展。大家都知道，对于具有同样质量比的火箭，喷气速度愈大，火箭获得的最后的速度也愈大。而提高喷气速度的问题又联系到如何提高发动机里面的燃烧温度的问题，固体在高温情况下的蠕变、反复载荷之下的疲劳、断裂等现象与常温情况下均有所不同。这些现象也不能用一般的固体力学的规律来描述。因此我们必须发展高温固体力学。由于这些现象相当复杂，它目前还处于积累实验、搜集数据的阶段，基本规律的掌握还有待进一步的发展。

三、岩石力学及土力学

岩石是构成地层的重要组成，它有许多与普通金属材料不同的力学性质。例如应变与应力之间的关系是非线性的，抗压强度远较抗拉强度为大等。研究岩石的力学性质对于大型的土建工程及开矿有密切关系。近年来爆炸技术与热力钻逐渐用于工程技术方面，这又引起了岩石力学方面一系列的新的问题，例如爆炸所产生的应力波在岩石中如何传递，在岩石中引起的热应力如何导致了岩石的碎裂等。

土壤的许多力学性质也值得仔细研究，例如：土壤的极限平衡问题对于工业建设的关系很为密切;地基的不均匀沉陷，对于建筑物的寿命的损害是极其严重的。土壤的结构强度理论与农业生产关系极为密切，也是亟待研究的问题。

四、化学流体力学

化学流体力学的一个重要对象是燃烧现象。苏联有名的物理化学家谢苗诺夫曾经意味深长地说过：“电与火是人类使用的两大能源。尽管人类用火不知道比用电要早多少年，但是对于燃烧的知识却远比用电为少。”大家知道燃烧是一种释放热量的、速度比较慢的化学反应(氧化反应)，化学流体力学的任务便是研究：如何通过对温度、压力、燃料混合比及一系列其他参数的改变来达到控制燃烧过程的目的。随着场合的不同，我们要研究如何点火、防爆、防熄火，或是燃烧的平稳，这些问题在化工、冶金及航空方面具有极重大的意义。其他如流体通过多孔介质(例如化工上用的填充层)的流动、热传导问题，都是化学流体力学研究的对象。可以肯定，随着地下煤的气化、原子能动力等新技术的日益发展，在化学流体力学这门年青的力学分支中将出现更多更新的研究成果。