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。
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