力学学科认识和发展

学科认识及力学进展

05308128 杭晓晨

摘要：力学是独立的一门基础学科，主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。

关键词：力学；学科认识；学科分类；学科交叉；现代发展

1 引言

在百度百科里搜索力学，得到的定义是：力学是物理学的一个分支，主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。然而我们知道，力学作为一门学科应从牛顿时代算起，在19世纪末，力学的发展主要以比较理想的模型为对象，建立起了相当完善的普适的理论体系：到了20世纪，力学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心中必然遇到的复杂介质或系统为对象建立各种力学模型，并在解决问题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。由此可见，随着科学的不断发展和技术水平的不断提高，力学已经独立于物理学，成为一门独立的、系统的、理论体系完善的自然科学。它在理论研究和实践应用两方面都有着举足轻重的地位，对人类的科学发展和人类文明的进步起了极大的推动作用。

不仅如此，我们甚至可以说，物理科学的建立是从力学开始的。在物理科学中，人们曾用纯粹力学理论解释机械运动以外的各种形式的运动，如热、电磁、光、分子和原子内的运动等。当物理学摆脱了这种机械的自然观而获得健康发展时，力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化，逐渐从物理学中独立出来。

从学科上讲，力学既是一门基础科学，又是更多工程科学和技术科学的基础。由于力学是一个有较长历史的学科，已经渗透到很多工程和技术的科学中，所以如果它还有为解决的重大基础问题，必然将影响到很多工程技术的发展：反之，力学在基础研究上的任何重要进展，都将推动很多工程技术的发展。工程学的各个分支中许多关键性的进展，都有赖于力学中有关运动规律、强度、刚度等问题的解决。力学与工程学的结合，促进了力学各分支的发展。

2 学科分类及认识

我们东南大学力学学科的组成是工程力学，固体力学，一般力学。力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。这是我们大一时学的理论力学。这是一门非常重要的基础学科，使我们了解了学习力学的基本知识。

工程力学是研究有关物质宏观运动规律，及其应用的科学。工程给力学提出问题，力学的研究成果改进工程设计思想。从工程上的应用来说，工程力学包括：质点及刚体力学，固体力学，流体力学，流变学，土力学，岩体力学等。韩晓林老师教授的振动力学及振动测试分析两门课程，是工程力学的重要组成部分，是分析实际工程问题的基础。

力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包括液体和气体，流体力学由班主任洪俊老师教授。固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都采用连续介质的模型。材料力学是固体力学的基础，主要讲述材料的力学性能，材料的变形即内力。实验力学为固体力学学科的实验基础，主要分电测和光测向我们介绍两种测量方法，前者是传统上的，后者比较现代化，是现代力学测试技术的热门研究方向。

后来李兆霞老师的弹性力学课程，弹性力学也称弹性理论，主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界因素下所产生的应力、应变和位移，从而解决结构或机械设计中所提出的强度和刚度问题。在研究对象上，弹性力学同材料力学和结构力学之间有一定的分工。材料力学基本上只研究杆状构件；结构力学主要是在材料力学的基础上研究杆状构件所组成的结构，即所谓杆件系统；而弹性力学研究包括杆状构件在内的各种形状的弹性体。

固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。一般力学通常是指以质点、质点系、刚体、刚体系为研究对象的力学，有时还把抽象的动力学系统也作为研究对象。一般力学除了研究离散系统的基本力学规律外，还研究某些与现代工程技术有关的新兴学科的理论。

一般力学、固体力学和流体力学这三个主要分支在发展过程中，又因对象或模型的不同出现了一些分支学科和研究领域。属于一般力学的有理论力学(狭义的)、分析力学、外弹道学、振动理论、刚体动力学、陀螺力学、运动稳定性等；属于固体力学的有材料力学、结构力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；流体力学是由早期的水力学和水动力学这两个风格迥异的分支汇合而成，现在则有空气动力学、气体动力学、多相流体力学、渗流力学、非牛顿流体力学等分支。各分支学科间的交叉结果又产生粘弹性理论、流变学、气动弹性力学

等。

力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面：理论分析、实验研究和数值计算。实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力实验等。着重用数值计算手段的计算力学，是广泛使用电子计算机后才出现的，其中有计算结构力学、计算流体力学等。对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。

力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。

力学和其他基础科学的结合也产生一些交又性的分支，最早的是和天文学结合产生的天体力学。在20世纪特别是60年代以来，出现更多的这类交叉分支，其中有物理力学、化学流体动力学、等离子体动力学、电流体动力学、磁流体力学、热弹性力学、理性力学、生物力学、生物流变学、地质力学、地球动力学、地球构造动力学、地球流体力学等。

3 力学学科交叉及发展

因为力学本身是一门基础性的学科，自身的发展仅限于理论研究。实际工程应用上很多领域都是一些学科交叉的成果。所以这一部分主要介绍力学与其他学科的交叉及发展。

3.1 土木工程

土木工程是应用力学知识最多的工程领域之一。只有掌握了丰富的力学知识，才能建造摩天大楼、跨海大桥、地铁以及海底隧道等。结构分析是力学与土木工程的一个结合点。梁、柱、拱、板、壳、桁架、索和膜等结构物在土木工程中的大量使用，促使力学家们和工程师们合作，去研究它们承受载荷、变形、振动与破坏的规律，从而使力学在工程技术的推动下按照其自身的逻辑进一步演化，逐渐从物理学中脱离出来并迅速发展；另一方面，力学又为土木工程提供了理论基础。力学家们将实际的工程结构抽象为力学模型，运用力学规律和数学工具进行理论上的演绎和定量计算，从而指导工程实践。

力学于土木工程，是不可须臾或缺的重要理论基础，土木工程也是力学最重要的发展源泉与应用园地之一。

3.2 机械工程

在各种各样的机械设备的设计、制造和运行控制过程中，除了需要相关的专业理论外，还可能涉及物理学、化学、数学、材料学、机械原理、计算机科学和控制论等一系列相应基础学科知识；但是遇到了机械结构活零部件的强度、刚度、稳定性以及振动方面的问题，就必须借助力学研究分析、力学实验和计算来解决。

现代机械工程是传统工业与现代技术的结合，高新技术已经渗透到机械工程的各个角落，机械正向着高性能和高经济性的方向发展，要适应这种趋势，机械工程必须要以力学作为其基础学科之一。

力学与机械工程有着相互依存、相互促进的关系。机械装置的大量出现与应用促进了力学的产生和发展：反过来，力学也促进了机械工业的进步。可以说，力学是机械工程发展的重要推动力。

3.3 航空航天工程

力学的各个分支学科，如流体力学、固体力学、动力学与控制、流体与结构的耦合作用、热与结构的偶合作用、物理力学以及稀薄气体动力学等等，在航空航天工程中都已经并且正在发挥着巨大的作用。航空航天工业是正在迅速发展的领域，之要研制一种新的飞行器，就会出现新的力学问题，需要力学工作者们进一步去研究探索。

3.4 水利工程

水利工程的发展是和科学技术的进步息息相关的，其中工程力学的不断提高起了很好的先导作用和促进作用，做出了突出的贡献。水利工程中水工建筑物的设计、优化和验证与工程力学关系非常密切。水工建筑物的结构形式、尺寸、材料、细部结构和地基处理措施等诸多因素的确定，水工结构物的应力、变形、沉降、稳定性和耐久性等诸多方面是否符合要求的验证，均得依靠工程力学理论分析、实验研究和数值计算的结果给出量化的回答。因此，建设高标准的水利工程必须具有高水平的工程力学研究手段。

3.5 船舶工程

船舶工程是对力学知识需求最多、结合最紧密的领域之一，几乎所有的力学学科在船舶工程中都能找到应用的场所。可以说，现代船舶工程发展的历史也就是船舶力学发展的历史：船舶力学的发展进一步推动了力学学科的发展，使之具有更加丰富的内涵。21世纪将是海洋的世纪，船舶与海洋工程将会得到更大的发展。无论是过去还是将来，船舶与海洋工程的发展离不开力学。力学基础知识是从事船舶与海洋工程结构物开发与使用的必备手段。在这一领域里，力学知识有着广阔的用武之地。

3.6 能源工程

力是能源工业发展的基础学科。地质力学、渗流力学和固体力学中的柔性梁柱强度、振动和稳定性等力学问题的解决大大促进了石油、天然气的勘察与开采；固体力学对于煤矿的安全开采和海上石油钻井平台的安全可靠性都起到了关键的指导作用；弹塑性力学与计算力学的发展，使复杂的压力容器与管道的合理设计有了可靠地理论依据，安全性与经济性这一

对矛盾得到合理解决。

3.7 生物医学工程

力学与生理学、解剖学、医学、生物学以及它们的边缘学科生物医学等相结合，形成了一门力学与生命科学的交叉学科——生物力学。生物力学帮助我们了解生命，启发我们观察自然，设计和创造各种设备以改善我们的生活质量。它的发展促进了对人体各种疾病的防治与器官的修复。

力学在应用价值，医学的的很多方面都具有极其重要的地位，并已获得了广泛而又成功的应用；同时，在生命科学中尚有大量的力学问题亟待解决。生物力学不仅在医学中有重要的应用价值，还在生物工程和仿生科学等领域中有着广阔的研究和应用前景。

4 结语

在进入大学之前，我对力学的认识仅仅停留在课本中十分有限的解释与各种受力分析图，以为力学只是物理这一大的学科下一个小小的分支学科。机缘巧合之下，我进入了武汉大学土木建筑工程学院学习工程力学。学期伊始，老师带我们参观了力学楼的各个实验室，我才发现原来力学是一门相对独立、理论体系完善的学科，有很多分支学科。经过一学年的学习，我对力学有了更深的认识。力学的应用范围广阔，在许多领域的应用都与科学技术的发展、人类文明的进步有着密不可分的关系。作为一名学习力学的学生，这让我觉十分自豪。

虽然已经在大学里学习了四年年，但是对于力学，我们的认识还是十分有限且不够深入的。这要求我们不断学习，深入了解并掌握这一门学科。随着科学技术水平的不断提高，力学这一基础性学科必将拥有更加广阔的发展前景。

参考文献：

中国力学协会 《力学科学发展报告》 2003-2004

史学涛 《结构健康检测系统的研究》 同济大学硕士论文 2006 吴峰 张力 《力学学科分类及前沿研究》----百度文库 王铁良 张建刚 《计算物理》 2000 第一期

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/quyf.html