Mechanics 版 (精华区)

发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: 21世纪初的力学发展趋势——力学与其它学科的交叉
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Apr  3 15:47:08 2005), 转信

                  21世纪初的力学发展趋势——力学与其它学科的交叉

    力学中的交叉学科由三部分组成，第一部分由力学学科内部不同分支学科所组成，第二部分由力学与其他学科交叉组成。前者如流体弹性力学，后者如物理力学，物理、化学流体力学等。第三部分则兼有前两者的特点，如爆炸力学、物理化学渗流、材料力学性质、生物力学等。交叉(分支)学科，并非两个学科或分支学科的简单加合，它基于其源学科但又有区别，因为其研究对象自身包含两学科的复杂组合。交叉学科有利于发展新学科并促使源学科的发展。

　　20世纪力学与其它学科交叉对推动科学和工业的发展起了巨大的作用。突出的例子有力学与各项工程学科交叉产生的工程力学，与地学相结合的地球流体力学，与天文相结合的星系的螺旋结构理论。20世纪中叶以来与生命科学和医学相结合的生物力学建立了起来。同一时期被提出的物理力学也被广泛接受。力学家突破传统声学，建立了流体动力声学理论，没有它就无法理解和克服诸如喷气噪声等问题。这种交叉不仅不会结束，而且其广度和深度还一定会不断增加。

　　展望21世纪，力学与其他学科的交叉必将进一步扩大与加强。这里只强调提出其他几个我们认为将在21世纪有重要发展或重大影响的交叉领域，它们是，力学与生命科学的交叉，力学与地学的交叉，以及物理力学。

　　力学与地学的结合。正如与天文学一样，从力学角度讨论地球形状与稳定性的问题有很长的历史。后来，弹性波的理论又与地震波的研究有密切的关系。本世纪随着力学与地学各自的发展，两者的结合发展到了新的水平，并出现了进一步结合的迫切需要，为21世纪这两个学科的交叉提供了新的机会。

　　本世纪，气象预报从经验的发展到数字的，其精确性有很大的提高。这些成就是建立在将流体力学应用于大气运动的深入研究的基础上的，是两个学科中的科学工作者分别与其共同努力的结果。将流体力学应用于海洋，也产生了类似的效果。因而本世纪中叶以来出现了至今仍十分活跃的地球流体力学(GFD)这个新的分支学科。

　　本世纪，出于工程建设的需要，力学界形成了土力学、岩体力学、渗流力学(水、石油)，抗震工程力学等新的学科分支，使人们对工程尺度内的地质现象(如地基的稳定性、边坡的稳定性、泥石流、雪崩等)有了一些基本的研究手段。地学方面，在工程地质、地震学、大地测量、地层构造方面也都有突出的进展。特别引人注意的是板块运动的学说以及它的一系列推论。双方面的这些进展，孕育着使地学走向精确化定量化的巨大机遇，而力学与地学相结合将使人们迅速抓住这个机遇。为此我们认为下世纪在以下几个领域可能取得重要进展：

　　(1)地球动力学，中心问题有:板块运动的驱动力来源；地幔对流的流体力学理论；地震机制。

　　(2)大气与下垫面(有植被、无植被、地面、海洋、冰雪等)的相互作用及传热、传质过程，可以统称为大气的边界层理论。

　　(3)环境与灾害力学，包括污染物在水体、土体、岩体中的扩散与富集，各种气象灾害(如台风、风暴潮)，地质灾害(如滑坡、塌方、地面沉降、泥石流、沙漠入侵、瓦斯突出），地震发生的机制、监测、预报的研究，地震对各类建筑物的破坏与抗震研究，以及其它自然和工业灾害（如各种火灾）等。

　　(4)渗流力学问题，特别是裂隙介质中的多相渗流规律的研究。有必要深入到细观和微观层次，考虑表面化学因素。这样做有可能提出新的二次和三次采油新技术。

　　力学与生命科学的交叉。人们关心生命，特别是人体生命活动的规律是很自然的事。从力学角度研究生命现象因而也有很早的历史，一直可以追溯到伽里略，牛顿和哈维。本世纪30年代A. Hill更曾因骨骼肌收缩原理的研究获诺贝尔奖。但作为一个独立的分支学科的生物力学，却兴起于本世纪60年代中期。与之相适应，近来生物医学工程得到迅速的建立与发展。生物力学的原理还被用于设计生物反应器，以规模生产有生物活性的物质。

　　60年代中期至70年代是生物力学开创和奠基阶段，其特点是将力学方法和生理学、解剖学等方法相结合，研究组织和器官层次上的生命现象。80年代至90年代初，生物力学进入细胞范围也从医学、生物医学工程，扩展到生化工程，生物技术，细胞生物学等新的领域。近5年来，生物力学界提出组织工程(Tissue Engineering)，受到多方面的重视，被认为有很好的发展前景。

　　生物力学本世纪主要涉及以下几个方面：(1)生物流变学(包括软组织的力学性质、血液流变学、肌肉力学等）；(2)生理流动的力学规律(包括脏器血循环规律、动脉粥样硬化与流动状态的关系、呼吸系统动力学、微循环力学等)；(3)器官力学(心脏、肺、关节与关节液和软骨等)；(4)细胞力学；(5)人体和其它生物的运动学。主要的成果有：为软组织的本构关系建立了基本的模型，并提出了活组织零应力状态的重要概念；建立以肺为典型的器官动力学和肺循环力学模型；发现了血液流动状态与血管壁细胞形态间的密切关系；发现了应力与生长间的密切关系。

　　下个世纪，总的看来生物力学将沿着已经开始的道路前进，一方面它和生物学各分支结合，另一方面又与医学与生物生化制品相结合。21世纪生物医学工程可望有重大的发展，其中组织工程将是它的一个前沿，生物力学正是这个前沿的基础。计及应力-生长关系的活组织的本构关系、应力-细胞生长规律、动脉粥状硬化的流体力学机理、以微循环为核心的器官血液循环规律等有望成为研究的热点。生物力学还将为生物反应器和分离器的设计提供科学依据，并相应地为其提供新方法和新技术。植物的生物力学研究也将作为改善生态环境和提高农作物产量努力的一部分列入21世纪日程。

　　力学与物理学的进一步交叉。力学家的任务是认识宏观世界的物质运动规律。随着研究对象所处的条件日益走向极端，如高温、高压、高应变率、高应力状态，力学家日益认识到需要从原是物理学家研究的微观世界运动规律中吸取知识。于是在本世纪50年代力学家提出了物理力学，目的是想通过物质微观分析，把有关物质宏观力学性质的实验数据加以整理和总结，找出其中的规律，且进而利用这些规律去预见新的材料性质。这个分支学科一经提出便得到多方面的响应。应当说，在本世纪中这样的目的是部分地达到了。例如，高温气体的研究确实促进了航天工程方面气体动力学问题的解决。在气体激光器和核爆炸研究中，物理力学也起了相当核心的作用。另一方面，在应用物理力学方法解释固体的塑性、强度、损伤和断裂方面，却遇到了极大的困难。将物质的微观理论渗入到固体材料的变形与强度理论，并使两者相结合而得到发展的进程一直很缓慢。从位错理论出现到现在面它和生物学各分支结合，另一方面又与医学与生物生化制品相结合。21世纪生物医学工程可望有重大的发展，其中组织工程将是它的一个前沿，生物力学正是这个前沿的基础。计及应力-生长关系的活组织的本构关系、应力-细胞生长规律、动脉粥状硬化的流体力学机理、以微循环为核心的器官血液循环规律等有望成为研究的热点。生物力学还将为生物反应器和分离器的设计提供科学依据，并相应地为其提供新方法和新技术。植物的生物力学研究也将作为改善生态环境和提高农作物产量努力的一部分列入21世纪日程。

　　力学与物理学的进一步交叉。力学家的任务是认识宏观世界的物质运动规律。随着研究对象所处的条件日益走向极端，如高温、高压、高应变率、高应力状态，力学家日益认识到需要从原是物理学家研究的微观世界运动规律中吸取知识。于是在本世纪50年代力学家提出了物理力学，目的是想通过物质微观分析，把有关物质宏观力学性质的实验数据加以整理和总结，找出其中的规律，且进而利用这些规律去预见新的材料性质。这个分支学科一经提出便得到多方面的响应。应当说，在本世纪中这样的目的是部分地达到了。例如，高温气体的研究确实促进了航天工程方面气体动力学问题的解决。在气体激光器和核爆炸研究中，物理力学也起了相当核心的作用。另一方面，在应用物理力学方法解释固体的塑性、强度、损伤和断裂方面，却遇到了极大的困难。将物质的微观理论渗入到固体材料的变形与强度理论，并使两者相结合而得到发展的进程一直很缓慢。从位错理论出现到现在已有60年的历史了，但它仍未能真正定量化地进入到力学中来。这显然是由于问题特有的复杂性和综合性造成的，使宏观与微观间的鸿沟难以逾越。

　　但是，情况在发生重要的变化，现在人们已经认识到，对于多晶材料而言，至少存在着宏观、细观和微观三个主要层次。它们之间并不存在着从微观可以推导出宏观性质的顺序关系，或者说宏观并不是微观的简单演绎。从分子运动论发展到以Navier-Stokes方程为基础的流体力学的发展史已经说明了这个问题。近代非线性科学的理论对此做了深刻的揭示。另外，本世纪以来，在固体力学领域内，本构理论的几何框架已臻成熟，细观力学也得到了广泛的重视。同时，随着非平衡/不可逆热力学的兴起，力学家注意到了在变形与强度问题上热力学的重要性，并对此做出了贡献。变形与损伤的统计理论也已提到了日程上。这些进展汇集起来表明，在下个世纪某个时候，比较满意地建立宏、细、微观层次之间的关系，深刻揭示多晶材料的塑性与强度行为，为应用提供足够精确的定量理论与结果，这应当是物理力学研究的重要领域。为此，以下几个方面的问题应当给予充分重视：(1)固体的非平衡/不可逆热力学理论；(2)塑性与强度的统计理论；(3)原子乃至电子层次上子系统(原子键，位错，空位等缺陷)的动力学理论。为深入进行这些研究，应当充分利用与开发计算机模拟(如分子动力学)和现代宏、细、微观实验与观测技术。

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from：饮水思源BBS.力学

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                         忽报人间曾伏虎，泪飞顿作倾盆雨。


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