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　　内容简介

　　力学为人类认识自然现象、解决实际工程和技术问题提供理论基础与分析方法，对科学的众多分支学科发展起到支撑、引领与推动作用。21世纪以来，我国力学学科在科技前沿和国家需求的双重驱动下，为国家科技与教育事业、经济发展和国防建设做出了重大贡献，在国际力学界的影响力日益增强。《中国力学2035发展战略》面向2035年，探讨了国际力学学科前沿发展趋势和将我国建设成国际力学强国的可持续发展策略，深入阐述了力学领域总体及各分支学科的科学意义与战略价值、发展规律及研究特点，系统分析了力学学科的发展现状与发展态势，凝练了力学学科的发展思路与发展方向，并提出了我国相应的优先发展领域和政策建议。

　　目录

　　目录

　　总序/i

　　前言/vii

　　摘要/xi

　　Abstract/xix

　　第一章 力学学科总论/1

　　第一节 科学意义与战略价值/1

　　第二节 发展规律与研究特点/12

　　第三节 发展现状与发展态势/18

　　第四节 总体思路与发展方向/27

　　第五节 资助机制与政策建议/37

　　第二章 动力学与控制/49

　　第一节 科学意义与战略地位/49

　　第二节 发展规律与研究特点/51

　　第三节 发展现状与发展态势/60

　　第四节 发展思路与发展方向/72

　　第三章 固体力学/77

　　第一节 科学意义与战略地位/77

　　第二节 发展规律与研究特点/79

　　第三节 发展现状与发展态势/93

　　第四节 发展思路与发展方向/111

　　第四章 流体力学/119

　　第一节 科学意义与战略地位/119

　　第二节 发展规律与研究特点/121

　　第三节 发展现状与发展态势/134

　　第四节 发展思路与发展方向/152

　　第五章 交叉力学/158

　　第一节 科学意义与战略地位/158

　　第二节 发展规律与研究特点/160

　　第三节 发展现状与发展态势/167

　　第四节 发展思路与发展方向/192

　　参考文献/199

　　精彩书摘

　　第一章力学学科总论

　　力学是关于物质相互作用和运动的科学，研究介质运动、变形、流动的宏观与微观过程，揭示上述过程及其与物理学、化学、生物学等过程的相互作用规律。力学为人类认识自然和生命现象、解决实际工程和技术问题提供理论基础与分析方法，是自然科学知识体系的重要组成部分，对科学技术的众多分支学科的发展起到支撑、引领与推动作用。我国具有完整的力学学科体系，包含动力学与控制、固体力学、流体力学等主要分支学科，以及生物力学、环境力学、爆炸与冲击动力学、物理力学等重要交叉学科，对坚持“四个面向”的科技创新具有战略性支撑作用。

　　第一节科学意义与战略价值

　　力学是人类自然认识史上第一次科学的理论概括，是众多自然科学的基石和重要组成部分，带动了自然学科的全面发展，且不断推动人类认识论与方法论的进步。力学催生了第一次工业革命，开启了人类大规模利用自然的时代。力学促使人类将认识自然与工程技术相结合，对第二、第三次工业革命及正在发生的技术变革产生了重要推动作用，是支撑现代工程科技的基础学科。力学是人类科学知识宝库的重要组成部分，是促进人类文明和进步不可或缺的手段。它具有旺盛的生命力，并不断自我完善，具有促进学科交叉、探求认知突破、应对复杂与不确定性系统、培养创新型和综合型人才的重要作用，在支撑社会现代化、增强原始创新能力、保障国家安全等方面具有不可替代性，在国家总体学科布局中占有独*地位。因此，力学堪称“理科之先行，工科之基础”（国家自然科学基金委员会和中国科学院，2012）。力学学科的科学意义和战略价值可归纳为如下五个方面。

　　一、力学是一门基础学科，与自然科学的众多学科深度交叉与融合，并对各门自然科学的发展起到重要的引导与推动作用

　　力学是人类*早从生产实践中获取经验并加以归纳、总结和利用的一门自然科学。力学的发展是与人类的文明相伴而行的。17世纪，牛顿力学体系的建立标志着精密科学的建立与近代自然科学的诞生，让科学挣脱了神学的束缚。列奥纳多 达 芬奇（Leonardo da Vinci）说过：“力学是数学科学的天堂，因为，我们在这里获得数学的成果。”力学的发展始终与数学交织在一起，一种力学理论的诞生与发展往往和相应的一个数学分支相伴产生，两者彼此渗透、相互促进。许多科学大师既是力学家，又是数学家，甚至在很长的时期内力学与数学被视为不可拆分的一门学科。力学和数学共同支撑起物理学等自然科学的大厦。力学为数学发展提供需求牵引和应用范例，建立在公理化基础上的力学模型可进行数学演绎，并揭示物理世界的演化规律与内在机理，使力学具有抽象化、严密化、普遍化、系统化的特征（赵亚溥，2018）。

　　18世纪，连续介质力学的形成，使力学进一步发展成为一门内容丰富、体系严密并被广泛应用的基础科学。力学具有独立的理论体系和独*的认识自然规律的方法，从物理学中脱离出来，成为一门独立学科。阿尔伯特 爱因斯坦（Albert Einstein）评价连续介质力学时说：“除了其伟大实际意义之外，这门科学分支还创造了一些表示工具（如偏微分方程）。对于以后寻求整个物理学新基础的努力而言，这些工具都是必需的。”力学学科的基本原理无时无刻不在物理学发展中得到应用。赫尔曼 冯 亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）曾经指出：“所有物理学家都同意这样的观点，即物理学的任务在于把自然现象归结为简单的力学定律。”量子力学和相对论分别指出了牛顿力学的适用范围，反映了人们对力学认识的深化，是经典力学在微观和高速、宇观领域的衍生。力学曾经推动并将继续推动其他基础学科包括化学、天文学、地学、生物学等的发展。

　　在20世纪，力学取得了巨大进步，与其他学科的交叉与融合不仅完备了自身的学科体系，也推动了交叉学科的形成和发展。力学与数学的进一步交叉，提升了对非线性、复杂系统和优化问题的可计算、可量化能力；力学与物理学、化学、材料学、生物学的进一步交叉，拓展了研究对象的多物理场、多尺度和多过程耦合能力，还形成了生物力学、环境力学、爆炸与冲击动力学、物理力学等新兴交叉学科；此外，力学与数学、计算机等学科的交叉，推动了应用数学和计算科学的发展，与物理学、化学、材料科学等学科的交叉推动了纳米科技的发展，与生命科学和医学的交叉孕育了生物医学工程新学科，与环境与灾害研究的交叉推动了环境科学的发展。

　　21世纪以来，人类面临着气候变化、能源短缺、可持续性发展等诸多极具挑战性的世界难题，而纳米、信息、数字等前沿技术的进步催生了新的研究对象和研究手段，对力学提出了超越经典力学研究范围的新科学问题，涉及非均质复杂介质、极端环境、不确定性、非线性、非定常、非平衡、多尺度和多场耦合、多过程等问题，这必将促使现代力学体系发生新的重大变革。

　　二、力学是工程科学的基础，解决工程设计、制造和服役中的关键科学问题，对现代工业发展起着不可或缺的支撑作用

　　艾萨克 牛顿（Isaac Newton）在《自然哲学的数学原理》中指出：“古人从两个方面来研究力学。一方面是理性的，用论证来精确地进行；另一方面是实用的。一切手艺都属于实用力学，力学之得名就是这个缘故。”经典力学从解释科学现象到提高科学认知和促进技术发展，是工业革命的重要推动力。卡尔 马克思（Karl Marx）曾指出：“力学是大工业的真正科学的基础。”18～19世纪，莱昂哈德 欧拉（Leonhard Euler）、奥古斯丁 路易斯 柯西（Augustin Louis Cauchy）、乔治 格林（George Green）、西莫恩-德尼 泊松（Simeon-Denis Poisson）等的出色工作，奠定了连续介质力学的基础。19世纪末20世纪初，经典力学理论体系趋于成熟。以路德维希 普朗特（Ludwig Prandtl）和西奥多 冯 卡门（Theodore von Kármán）等为代表的科学家创立应用力学学派，把对自然的认识与航空航天等新兴工业的发展紧密结合起来，为近代力学的发展开辟了新天地。在工程需求的牵引下，力学按其自身逻辑进一步演化，几乎与所有工程领域结合并进行渗透，形成了力学的各个学科分支，成为许多现代工业的基石，结合范围广、应用多、成效高。

　　在工程需求的牵引下，应用力学研究率先进入非线性科学世界，揭示了边界层、激波、旋涡、湍流、薄壳失稳、混沌等一系列新现象、新规律、新机理。普朗特提出的边界层理论和升力线理论，解决了现代飞机设计关键问题；卡门带领一批学术精英，发展了可压缩空气动力学，克服了声障和热障，奠定了航空航天工业的基础，推动了应用力学的全面发展。20世纪50年代，断裂力学和损伤力学的发展，深刻改变了传统强度设计的观点，其成果被广泛地应用于航空、航天、机械、土木、核能等众多工程领域。结构力学与波动力学的发展，突破了在地震多发区不能建设高层建筑的禁区，产生了巨大的经济和社会效益。20世纪60年代，非线性科学取得了突破性进展。对分岔、混沌等现象及其机制的深入研究，促使人类的自然观再一次发生重大变化。此外，力学家及时预见到计算将成为科学研究的重要途径，提出了有限元方法，并发展了计算力学学科。这不仅使数值模拟成为继理论、实验之后的又一重要研究范式，还把力学分析方法和工具普及至各个工程领域。

　　在我国，钱学森等科学家继承和弘扬了应用力学学派的学术思想，提出必须建立一门介于自然科学和工程技术之间的学科——工程科学（技术科学），以加速科学与工程的结合，而力学正是科学与工程结合的桥梁，是工程科学中做出巨大贡献的代表学科。

　　百年来的社会发展需求和实践表明，力学不仅是航空、航天等工程的先导，而且还与能源、环境、海洋、石油、化工、土木、机械、交通、材料、信息、生物医学工程等诸多领域有紧密联系，发挥了重要作用且处于核心地位。

　　三、力学具有鲜明的普适性和系统性特征，揭示自然界与工程技术中*基本的作用规律与机制，培养杰出的工程科学人才

　　“力，刑（形）之所以奋也。”力学关注自然界*基本、*普遍的作用。在科学认识论方面，牛顿力学是自然规律因果论和确定论思想的重要来源和直接证据；反映初始扰动敏感性的混沌理论，则是认识论的又一飞跃。力学所建立的“观察—实验—理论”科学方法开创了现代科学研究的重要范式。力学研究善于从复杂的现象中洞察事物本质，又能寻找解决问题的合适的数学途径，逐渐形成一套特有的方法。例如，力学家所发展的量纲分析是一种具有普遍意义的研究方法，不仅可以指导实验，还可以从纷繁复杂的现象中识别主次因素。力学家善于结合理论和实验，由表象到本质，由现象到机理，由定性到定量，解决了自然科学和工程技术中的许多关键科学问题。

　　现代科学发展的一个趋势是“分化”，以具体物质对象为客体的学科越分越细，导致了对科学研究进行分门别类划分的现象。然而，力学并不局限于某一具体客体，而是寻求力学原理的不同形式以及不同条件下的一般原理，并将一般原理推广应用于各种不同的复杂情形，增进对复杂体系或系统的认识，进而成为一门横贯众多自然科学与工程技术的学科。