1、1,力學(xué)史和方法論杰出的力學(xué)家,嵇 醒 2011,2,力學(xué)史和方法論,開創(chuàng)性成就。 杰出力學(xué)家的智慧。 成功秘訣。,探索力學(xué)的最高境界,3,讀力學(xué)專業(yè)好在那里？,古老：千百年人類智慧。 現(xiàn)代：工程和科技新需求。 廣博：動，靜，宏觀，微觀。 價值：衣，食，住，行。戰(zhàn)爭！ 重要性：經(jīng)濟安全。,貢獻人類，挑戰(zhàn)自我，成就無限。,4,讀力學(xué)專業(yè)難在那里？,學(xué)習(xí) 應(yīng)用 研究 開創(chuàng),各有所難,5,讀力學(xué)專業(yè)竅門在里？,應(yīng)用力學(xué)方法,材料力學(xué) 彈性力學(xué)（原版名著） 杰出的應(yīng)用力學(xué)家的經(jīng)典論文,6,內(nèi) 容,回溯世界力學(xué)史 工程力學(xué)專業(yè) 應(yīng)用力學(xué)學(xué)派及應(yīng)用力學(xué)方法 中國當(dāng)代力學(xué)家 應(yīng)用力學(xué)在中國的傳播 展望二十一

2、世紀(jì) 錢學(xué)森之問,7,回溯世界力學(xué)史,材料力學(xué)史 S.P.Timoshenko (鐵木生可) （1952）,8,回溯世界力學(xué)史,阿基米德，古希臘人 （BC 287212） 杠桿原理。 物體重心求法。,9,回溯世界力學(xué)史,達芬奇，意大利 人 （14521519）， 用靜力學(xué)求作用在構(gòu)件上的力。 用實驗來研究鐵絲的強度。 兩端支承的梁的強度與其長度成反比， 與其寬度成正比。 柱的強度與其長度成反比，與其高寬比成正比。,屋架,拉伸,彎曲,柱,文藝復(fù)興時期,10,回溯世界力學(xué)史,伽利略：意大利人， 15641642 。 力學(xué)的開山鼻祖。 1594年，他出版了首本現(xiàn)代力學(xué)專著 Della Scienza

3、 Meccanica 1638年論文： 關(guān)于兩門新學(xué)科的談話及數(shù)學(xué)證明 討論了自由落體運動，并引入了一個新的概念加速度 。開創(chuàng)了質(zhì)點及剛體動力學(xué)。 總結(jié)梁的破裂及強度的研究。開創(chuàng)了固體力學(xué)。,11,回溯世界力學(xué)史,羅伯特虎克，英國人 （16351703） 虎克定律： （1678） 公布在他的名為勢能的恢復(fù)的論文中。 該定律描述了彈簧的伸長與所受拉力成正比。這一規(guī)律，是現(xiàn)代材料本構(gòu)關(guān)系的前身。,12,回溯世界力學(xué)史,牛頓(Isaac Newton)，英國人 16431727，英國皇家學(xué)會會員 。 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 1687 三大運動定律。,13,回溯世界力學(xué)史,伽利略留下的那道梁的彎曲問題將近

4、一百年來困擾著許多學(xué)者。 這個問題最后被伯努利家族的雅各布（16541705）和約翰（16671748）兩兄弟以及約翰的兒子丹尼爾（17001782）所解決。 瑞士人,b,h,x,m=常數(shù) r=曲率半徑,P,梁,公式,14,回溯世界力學(xué)史,歐拉：出生於瑞士的巴塞爾 (17071783) 師承約翰.伯努利 發(fā)生屈曲時的載荷： C 用實驗來決定 剛體轉(zhuǎn)動的歐拉方程 流體力學(xué)中的歐拉方程。,公式,15,回溯世界力學(xué)史,別看他們研究解決的力學(xué)問題都是最最簡單的，他們解決力學(xué)問題的方法和現(xiàn)在解決復(fù)雜的力學(xué)問題則是一樣的，他們得到的結(jié)果沿用至今。 他們的研究是首創(chuàng)的， 是奠基性的。 是十九世紀(jì)以來，現(xiàn)代力

5、學(xué)發(fā)展的 基礎(chǔ)。,16,回溯世界力學(xué)史十九世紀(jì),柯西：法國人 17891857 Exercises de Mathematique 數(shù)學(xué)的運用1828年 闡述了光作為一種橫波在彈性介質(zhì)(以太)中傳播的理論.,17,回溯世界力學(xué)史十九世紀(jì),柯西的彈性理論包括： 應(yīng)變運動學(xué)、 應(yīng)力原理、 連續(xù)介質(zhì)平衡方程、 彈性力學(xué)的本構(gòu)方程。 換句話說，它涵蓋了現(xiàn)代彈性理論的所有基本原理。,18,回溯世界力學(xué)史十九世紀(jì),彈性力學(xué)基本方程： 邊界條件： 沒有現(xiàn)成的數(shù)學(xué)解法。,19,圣維南扭轉(zhuǎn)理論半逆解法（1853）,圣維南（17971886） 法國人,回溯世界力學(xué)史 十九世紀(jì),20,圣維南扭轉(zhuǎn)理論,材料力學(xué)中，圓

6、軸扭轉(zhuǎn)的位移表達式是： u=- zy v= zx w=0 圣維南假定截面將發(fā)生翹曲，并假定所有各截面的翹曲都一樣： u=- z y v= z x w= (x,y) (1) 是單位扭轉(zhuǎn)角， 是翹曲函數(shù)。,21,圣維南扭轉(zhuǎn)理論,由式 (2)所推出的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力自動滿足協(xié)調(diào)方程 如果翹曲函數(shù) 能滿足： （2） 則彈性力學(xué)平衡方程也滿足了。 根據(jù) 軸的側(cè)面不受力的條件，可導(dǎo)出關(guān)于翹曲函數(shù) 的邊界條件： （3） 式中，n 是截面邊界的外法線方向。,22,半逆法的討論,由方程（2）得到的解析解精確滿足全部彈性力學(xué)方程，所以是彈性力學(xué)的嚴(yán)格解。 方程（2）與三維彈性力學(xué)偏微分方程比起來，得到極大的簡化。 如果沒

7、有預(yù)先設(shè)定的位移表達式（1），不可能從三維彈性力學(xué)偏微分方程推導(dǎo)到二維的扭轉(zhuǎn)方程。 位移表達式（1）就是圣維南扭轉(zhuǎn)問題的簡化力學(xué)模型。 簡化的力學(xué)模型是半逆法的關(guān)鍵。,23,回溯世界力學(xué)史十九世紀(jì),克希霍夫 德國人 （18241887） 薄板彎曲微分方程：,q,24,回溯世界力學(xué)史十九世紀(jì),斯托克斯，英國人 1819-1903 皇家學(xué)會會員 從剪應(yīng)力和速度梯度的角度定義了粘性流體的特性 發(fā)展了現(xiàn)在所說的粘性流體運動的納維-斯托克斯方程。 斯托克斯對流體內(nèi)摩擦的考慮，開創(chuàng)了19世紀(jì)晚期非彈性理論的研究。,25,回溯世界力學(xué)史十九世紀(jì),到19世紀(jì)末，力學(xué)已經(jīng)發(fā)展為一門成熟的學(xué)科，在大量觀察實驗的基

8、礎(chǔ)上形成了一套彈性力學(xué)和流體力學(xué)的基本理論。 完成了力學(xué)理論的數(shù)學(xué)模型的建立。,26,二十世紀(jì)力學(xué)史,Muskhelishvili， 蘇聯(lián)人 1891 1976 平面問題復(fù)變函數(shù)解法：（1933） 一般解： 邊界條件： 復(fù)變量： z = x + iy 圓域問題：由邊界條件唯一解出 (z)，(z)。 非圓域問題：保角變換到圓域，再求解。,*攻克了彈性力學(xué)的百年難題正解法*,27,應(yīng)用力學(xué)學(xué)派,1921年von Mises創(chuàng)辦了一本新的應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)雜志Zeitschrift fur Angewandte mathematik und mechanik 1922年，von Karman、Bieze

9、no、Levi-Civita及其他30位科學(xué)家和工程師群集奧地利的因斯布魯克召開了水動力學(xué)和空氣動力學(xué)會議. 在這次會議上，他們決定成立： 國際應(yīng)用力學(xué)大會 International Congress of Applied Mechanics 1924年，該大會首次在荷蘭的代夫特召開。,28,應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的代表人物,普蘭道爾(18751953)： 附面層理論，機翼理論。 馮卡門 (18811963)： 卡門渦列；紊流理論；由于他的努力，時速公里的噴氣式飛機、射程公里的導(dǎo)彈和星際火箭才成為當(dāng)今的現(xiàn)實。 錢學(xué)森（19112009）： 與馮卡門合作進行的可壓縮邊界層的研究，揭示了這一領(lǐng)域的一些溫度

10、變化情況，創(chuàng)立了卡門錢學(xué)森方法。 與郭永懷合作最早在跨聲速流動問題中引入上下臨界馬赫數(shù)的概念。,29,應(yīng)用力學(xué)經(jīng)典論文的范例,附面層理論(1902) ： 流體流經(jīng)平板示意圖,普蘭道爾 德國人 18751953,30,應(yīng)用力學(xué)經(jīng)典論文的范例,馮卡門：匈牙利猶太人 18811963 薄板大擾度彎曲方程：馮卡門在1910年提出 ，是一個典型的非線性問題。 把彈性力學(xué)的研究從線性擴展到非線性。 6歲時就能對5位數(shù)的乘法略一思索就報出答案來。 卡門渦街（1911年） ： 剛體圓柱尾流區(qū)中呈規(guī)則排列的兩串平行反向渦旋。,31,應(yīng)用力學(xué)經(jīng)典論文的范例 圓柱形薄殼軸壓非線性屈曲,馮.卡門, 錢學(xué)森（1941）

11、,32,圓柱形薄殼軸壓線性屈曲,經(jīng)典薄殼線性屈曲理論： 屈曲波形：,33,圓柱形薄殼軸壓非線性屈曲,圓柱形薄殼軸壓屈曲實驗：,34,圓柱形薄殼軸壓非線性屈曲,圓柱形薄殼軸壓屈曲實驗： 1，內(nèi)凹菱形 屈曲波形。 2，屈曲有跳 躍現(xiàn)象。 3，cr的實驗 值比 理論值 小三倍左右。,35,圓柱形薄殼軸壓非線性屈曲,圓柱形薄殼經(jīng)典的線性屈曲理論并沒有差錯。 圓柱形薄殼受軸壓屈曲實驗結(jié)果又是經(jīng)過反復(fù)核實的。 實驗誤差不能說明理論值和實驗值的三倍之差。 內(nèi)凹菱形屈曲波形 和屈曲的跳躍現(xiàn)象不能用經(jīng)典的線性屈曲理論來描述。 創(chuàng)立了圓柱形薄殼大撓度非線性屈曲理論。,36,圓柱形薄殼軸壓非線性屈曲,馮.卡門，錢學(xué)

12、森：1941 內(nèi)凹菱形屈曲波形： 圓柱形薄殼大撓度非線性方程： 最小勢能原理-Ritz 法：,37,應(yīng)用力學(xué)學(xué)派,應(yīng)用力學(xué)誕生于19世紀(jì)20年代， 并逐漸發(fā)展成熟。 應(yīng)用力學(xué)學(xué)派在二十世紀(jì)嶄露頭角。 開辟了航空航天及力學(xué)繁榮的新時代。 在1970年它臻至頂峰，那時人類 登上月球。,38,應(yīng)用力學(xué)方法論的核心,力學(xué)基本理論建模 牛頓力學(xué)：剛體模型（1687） 彈性力學(xué)：連續(xù)介質(zhì)模型（1828） 力學(xué)問題簡化建模 圣維南剛周邊，截面翹曲模型（1853） 普朗脫邊界層模型（1904） 普朗脫飛機機翼的簡化模型（1918）,39,二十世紀(jì)力學(xué)史,有限元法。 斷裂力學(xué)。 復(fù)合材料力學(xué)。 界面力學(xué)。 理性

13、力學(xué)。,納米力學(xué)。 軟物質(zhì)力學(xué)。 力學(xué) 。 力學(xué) 。,二十世紀(jì)的后半世紀(jì)，現(xiàn)代固體力學(xué)新分支紛紛創(chuàng)立。,美國力學(xué)，國際領(lǐng)先,跨尺度力學(xué),生物力學(xué),40,工程力學(xué)專業(yè),二年級，力學(xué)基礎(chǔ)課： 理論力學(xué)質(zhì)點及剛體動力學(xué),41,工程力學(xué)專業(yè),二年級，力學(xué)基礎(chǔ)課： 材料力學(xué)強度、剛度、穩(wěn)定。,42,工程力學(xué)專業(yè),力學(xué)專業(yè)理論課：三年級 彈性力學(xué)彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變 板殼理論薄板薄殼的彎曲變形 流體力學(xué)流體的流動,43,工程力學(xué)專業(yè),四年級，專業(yè)課及選修課： 有限元法用計算機進行數(shù)值求解。 斷裂力學(xué)結(jié)構(gòu)裂紋擴展判據(jù)。 復(fù)合材料力學(xué)纖維增強基體材料。 生物力學(xué)力學(xué)轉(zhuǎn)向生物材料。,44,工程力學(xué)專業(yè),讀完四年力

14、學(xué)專業(yè)的所有力學(xué)課。 等于學(xué)習(xí)了自古到今的一部力學(xué)史。 杰出的力學(xué)家如何用他們的智慧，開創(chuàng)一個又一個力學(xué)的輝煌。,45,應(yīng)用力學(xué)在中國的傳播,錢學(xué)森（1936），郭永懷（1942）先后在美國加州理工學(xué)院師承馮.卡門，獲博士學(xué)位。 陸士嘉（1942），劉先志（1945）先后在德國哥廷根大學(xué)師承普朗脫，獲博士學(xué)位。 周培源（1943），錢偉長（1942）也與馮.卡門合作共事過。 羅世鈞（1950），鄭哲敏（1952）則在美國加州理工大學(xué)師承錢學(xué)森，獲博士學(xué)位。 此外，1949年后的數(shù)年內(nèi)，從美、歐各著名大學(xué)學(xué)力學(xué)學(xué)成回國的就多達數(shù)十人，其中從美國回來的占絕大多數(shù)。,46,應(yīng)用力學(xué)在中國的傳播,19

15、52年，周培源在北京大學(xué)創(chuàng)辦第一個 力學(xué)專業(yè)。 在錢學(xué)森、錢偉長的推動下： 1956年創(chuàng)辦中國科學(xué)院力學(xué)研究所。 1956年起，在全國先后成立了一批工程力學(xué)系。 1957年創(chuàng)立中國力學(xué)學(xué)會。 1957年創(chuàng)辦力學(xué)學(xué)報。 1957年起，清華大學(xué)和力學(xué)研究所聯(lián)合連續(xù) 舉辦了三屆工程力學(xué)研究班。,開創(chuàng)了應(yīng)用力學(xué)在我國的第一個蓬勃發(fā)展時期,47,中國老一代杰出力學(xué)家,周培源 19021993 郭永懷 19091968 錢學(xué)森 19112009 錢偉長 19122010 錢令希 19262008,王 仁 19212001 鄭哲敏 1924 莊逢甘 19252010 黃克智 1927 胡海昌 1928201

16、0,48,中國當(dāng)代最杰出的力學(xué)家錢學(xué)森,錢學(xué)森（19112009）,49,1911年12月11日生，浙江杭州人。 1934年在上海交通大學(xué)機械工程系，畢業(yè)。 1936年在美國麻省理工學(xué)院航空工程系，獲碩士學(xué)位。 1939年在美國加州理工學(xué)院航空與數(shù)學(xué)系，獲博士學(xué)位。 1955年，回到祖國，投身于新中國的國防和經(jīng)濟建設(shè)事業(yè)。 他是中國近代力學(xué)理論與應(yīng)用研究的奠基人和倡導(dǎo)人。 他是中國航天科技的先驅(qū)和杰出代表，被譽為“中國航天之父”和“火箭之王”。 1999年，中共中央、國務(wù)院、中央軍委決定，授予他“兩彈一星功勛獎?wù)隆薄?2006年，獲“中國航天事業(yè)50年最高榮譽獎” 2009年，錢學(xué)森被評為“1

17、00位新中國成立以來感動中國人物”。 2009年10月31日，逝世。,50,有關(guān)應(yīng)用力學(xué)的論述,錢學(xué)森：建立數(shù)學(xué)模型： 第一，必須有力學(xué)的理論，也就是說，要搞 清現(xiàn)象的機制、機理。為了搞清這個 問題，我們又要深入到許多問題中去。 第二，有了關(guān)于機理的了解之后，怎樣變成 一 個數(shù)學(xué)模型？ 第三，上計算機也有許多考慮， 第四，為了弄清機制機理，有時需要做實驗， 要做到比較精巧，測量又要打中要害 是不容易的。,51,有關(guān)應(yīng)用力學(xué)的論述,錢學(xué)森總結(jié)了100年來的力學(xué)發(fā)展，他說道： 從過去100年力學(xué)發(fā)展的情況看，力學(xué)是一門處理宏觀問題的學(xué)問?？偲饋硪痪湓挘航袢樟W(xué)是一門用計算機計算去回答一切宏觀的實際

18、科學(xué)技術(shù)問題，計算方法非常重要；另一個輔助手段是巧妙設(shè)計的實驗。,52,有關(guān)應(yīng)用力學(xué)的論述,1997年，錢學(xué)森在祝賀清華大學(xué)工程力學(xué)系建系40周年的一封信中，說道： 由此展望21世紀(jì)，力學(xué)加電子計算機將成為工程新設(shè)計的主要手段，就連工程型號研制也只用電子計算機加形象顯示，都是虛的，不是實的，所以稱為虛擬型號設(shè)計（virtual prototype），最后就是實物生產(chǎn)了。,53,有關(guān)應(yīng)用力學(xué)的論述,1995年，鄭哲敏也對應(yīng)用力學(xué)作了專門的論述： 本世紀(jì)以來，應(yīng)用力學(xué)發(fā)展了自己一套行之有效的方法論，那就是在捕捉主要影響因素的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，并發(fā)展了多種有效的解法，用于求得解析解或用于求數(shù)值解

19、。 這種方法論又是在力學(xué)研究中不斷得到充實、創(chuàng)新與發(fā)展。,54,有關(guān)應(yīng)用力學(xué)的論述,錢學(xué)森對應(yīng)用力學(xué)的論述是留給我們后人的一筆珍貴的財富。 沒有人對應(yīng)用力學(xué)做過如此精辟深刻的論述。,55,展望二十一世紀(jì),56,New Directions in Mechanics,Michael E. Kassner, Sia Nemat-Nasser, Zhigang Suo (鎖志剛), Gang Bao（包剛）, J. Charles Barbour, L. Catherine Brinson, Horacio Espinosa, Huajian Gao （高華?。? Steve Granick, Peter Gumbsch, Kyung-Suk Kim, Wolfgang Knauss, Ladislas Kubin, James Langer, Ben C. Larson, L. Mahadevan, Arun Majumdar, Salvatore Torquato, Frank van Swo Mechanics of Materials, 37 (2005) 231259,125 Ref.,57,New Dir