新闻背景
上月下旬,第23届世界力学家大会在北京举行。1500余名来自世界各地的著名力学家和力学工作者参加了这次盛会。世界力学家大会作为力学界级别最高和最具影响力的会议,每4年举行一次,自1922年创建以来,已经有90年的历史,人称力学界的奥林匹克大会。
对很多读者来说,力学是一个既熟悉又陌生的学科。那么,力学在现代科学技术中具有什么样的地位和作用?本报特邀中国力学学会科普工作委员会主任、清华大学航天航空学院朱克勤教授为读者作科普解读。
力学——最古老的学科
力学与天文学是自然科学中最早创建的两门学科。
人类对力的研究已经有了几千年的历史,早在古希腊时代阿基米德就发现了浮力原理。他的名言“给我一个支点和一根足够长的杠杆,我就能撬动整个地球”,就是力矩和杠杆原理的应用。早在公元前四世纪,中国的墨翟解释了力的概念、杠杆平衡,并对物体的运动作出了分类。
力以各种形式普遍地存在于人类的生活和生产实践活动中。比如:地球的重力是保持我们有次序地生活在地球上的基本因素,拔河的胜利与脚与地面的摩擦力息息相关,电磁力是电动机得以工作的驱动力。
儿童是有好奇心的,当他们在追问我们:为什么自行车轮胎气不足时,骑起来比较费劲?为什么帆船能逆风前进?为什么自行车急刹前闸容易翻车?为什么小小千斤顶能顶起一辆汽车?为什么肥皂水能吹出泡泡来?为什么水滴不易附着在荷叶的表面?为什么阵风能吹垮一座坚固的大桥?他们在思考的正是力学问题。可以毫不夸张地说,大至宇宙星云,小至基本粒子,力和运动无所不在,力学的问题也就无所不在。
牛顿——经典力学的创始人
力学作为一门科学的出现始于17世纪的欧洲,牛顿作为早期经典力学的创始人,继承和发展了前人的研究成果,提出牛顿运动定律,奠定了力学的基础。从牛顿时代开始,到18世纪末,形成了经典力学的理论体系。其中代表性著作有:牛顿《自然哲学的数学原理》(1687年);欧拉《力学》(1736年);伯努利《流体力学》(1738年);达朗贝尔《力学研究》(1743年);拉格朗日《分析力学》(1788年)。
经典力学又被称为牛顿力学。关于力学重要性的阐述,牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中指出:“自然的一切现象,完全可以根据力学的原理用相似的推理一一演示出来。”著名物理学家爱因斯坦在他的《物理学的进化》一书中也指出:“尽管我们今天确实知道古典力学不能用来作为统治全部物理学的基础,可是它在物理学中仍然占领着我们全部思想的中心。”
现代工程技术离不开力学
进入20世纪以来,解决重大工程关键问题的需要给力学研究和发展开辟了广阔的天地。比如为了解决飞机飞行时空气阻力的计算问题,普朗特在1904年提出了边界层理论,成为了近代流体力学的里程碑,并创建了对于力学发展具有深远影响的哥廷根学派。
作为现代工程技术的主要基础学科之一,力学在航空航天技术、导弹和卫星技术、桥梁和结构工程、水利工程和运输工程等重大工程技术领域发挥了重要作用,解决了一系列关键技术问题。我们生活在现代化的城市中,一座座拔地而起的摩天大楼、延绵不断的高架大桥和密密麻麻的地铁隧道都离不开“材料力学”、“结构力学”和“板壳力学”的结构强度和稳定性分析。
人类对科学技术进步的追求永无止境,以航空技术为例,在21世纪,民航超声速飞行必将成为越洋飞行的主流,更加安全、清洁和廉价的能源必将得到广泛地使用,从而与此相关的一系列新课题将需要力学工作者参与研究和解决。