**章 关于力学
力的作用与物质的运动是自然界和人类活动中*基本的现象，这奠定了力学在自然科学中的基础地位。经过开普勒、伽利略、牛顿等伟大科学家的探索，力学发展成为一门精密的科学。近年来，随着前沿科技的快速发展，工程结构和高端装备的服役环境日趋严酷，常常需要在超高温 /超低温、强电磁场、极端天气、高速飞行、爆炸冲击、强烈辐照等极端条件下确定材料 /结构的力学响应。同时，也往往需要工程材料或结构具有超软、超硬、超延展、超致密等极端物性，才能满足一些特殊或超常规应用需求。在上述背景下，产生了相当广泛的一类力学问题——极端力学问题。此类问题的解决往往不能依靠现有理论和方法的简单外推，亟须发展新的基础理论、实验技术和计算方法。本章详细介绍了力学的内涵与历史沿革，阐述了我国现代力学学科发展历程、学科发展现状与布局，指出了极端力学的定义与内涵及其需求引领，深入探讨了极端力学的研究现状与挑战及其学科影响力，*后对极端力学未来的发展进行了思考和展望。
**节 力学的内涵与历史沿革
一、力学学科的定义
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、流动的宏观与微观力学过程，揭示力学过程及其与物理学、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与方法，是人类科学知识体系的重要组成部分，对工程技术的众多学科分支发展具有引领、支撑和推动作用。
我国具有完整的力学学科体系，包含固体力学、流体力学、动力学与控制等主要分支学科，以及爆炸与冲击力学、环境力学、物理力学、生物力学与医学工程、一般力学与力学基础等重要交叉学科分支。
二、力学学科的特点与内涵
力学是一门应用性很强的基础学科，在发展中既受自身的核心科学问题或前沿科学问题的驱动，也受国民经济、社会发展和国家安全中战略性、关键性的应用基础问题对力学提出挑战的驱动，呈现显著的“双力驱动”规律。力学是工程科技的先导和基础，为开辟新的工程领域提供概念和理论，为工程设计提供有效的方法。力学与其他学科交叉渗透突出，具有很强的开拓新研究领域的能力，不断涌现新的学科生长点，在支撑现代工业、高新技术和国家安全等方面发挥着不可替代的作用。
力学学科具有“实验观测、力学建模、理论分析、数值计算”相结合的研究方法和学术风格。学者们善于在实验和假设基础之上，通过力学建模和推理过程建立理论，剖析复杂现象所隐含的客观规律，进而对力学系统进行设计和调控。这为解决自然科学和工程技术中的关键科学问题提供了重要范式。
（一）力学是一门既**又现代的学科，以机理性、定量化地认识自然与工程中的规律为目标，兼具基础性和应用性
力学曾是**物理学的基础和重要组成部分，后因具有*立的理论体系和一以贯之的认知方法，在工程技术需求推动下从物理学中*立出来，成为一门应用性较强的基础学科，在促进人类文明和现代科技进步中发挥了重要作用。无论是过去、现在还是未来，力学都具有*立性和不可替代性。
（二）力学是工程科技的先导和基础，为开辟新的工程领域提供概念和理论，为工程设计提供有效的方法，是科学技术创新和发展的重要推动力
力学以工程系统作为研究的出发点和应用对象，侧重于研究其宏观尺度上呈现的运动规律，探究其建模和分析方法；同时探索其细微观基础，发掘蕴含在工程中的基本规律和定量设计准则。力学源于工程且高于工程，为航空、航天、船舶、兵器、机械、材料、土木、水利、能源、化工、电子、信息、生物医学工程等的发展提供解决关键技术问题的理论和方法。
（三）力学是一门交叉性突出的学科，具有很强的开拓新研究领域的能力，不断涌现新的学科生长点
由于力学理论、方法的普适性，以及力学现象遍及自然和工程的各个层面，力学与数学、物理、化学、天文、地学、生物等基础学科和几乎所有的工程学科相互交叉、渗透，产生了众多新兴交叉学科。力学学科的这一特点不断地丰富着力学的研究内涵，并使力学学科保持着旺盛的生命力。
三、力学学科的发展规律
（一）发展规律之一——“双力驱动”
现代力学发展呈现显著的“双力驱动”规律，既紧密围绕物质科学中所涉及的非线性、跨尺度等前沿问题展开，又涉及人类所面临的健康、安全、能源、环境等重大问题。当代力学强国都在力学的基础研究和应用研究中同时发力，谋求实现两者的良性互动。
（二）发展规律之二——不断提升模型的描述和预测能力
现代力学的研究对象日趋广泛和复杂，所需模型更加精准，不断追求计算方法和实验技术的更新，并针对力学计算、设计和控制，简化、验证和改进模型。当代力学强国都重视提出新模型、新计算方法、新测试技术，并在开发新软件、新仪器上抢占制高点。
（三）发展规律之三——积极谋求与其他学科进行交叉创新
现代力学不仅与众多工程学科交叉，凸显其工程科学作用；还与自然科学交叉，产生了物理力学、生物力学、环境力学等学科。当代力学强国不仅重视传统力学交叉学科领域，而且投入更大的精力研究与新兴学科相关的力学问题。
四、力学学科的历史沿革
力学是人类*早从生产实践中获取经验，并加以归纳、总结和利用的自然科学分支。力学源自古代人类对物体运动的观察和探索，其*早的发展可以追溯至古希腊时期的亚里士多德，之后还有广为人知的阿基米德对浮力规律的观察和总结。 17世纪，伽利略在研究力学中提出“观察—实验—理论”的科学研究方法。牛顿在 1687年出版《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）一书标志着力学精确化的开始，创立了**力学体系，也标志着近代自然科学精确化研究的开始。 18～19世纪，连续介质力学的创立使力学成为一门内容丰富、应用广泛的基础科学。近代力学是汲取和继承**力学的科学精神、研究方法和成果而发展起来的。
20世纪初应用力学、相对论力学和量子力学的兴起，使力学与物理学分家。前者以应用力学为代表，着重探求由大量物质组成的复杂系统的运动规律的宏观体现；后者以量子力学为代表，着重探求微观世界的运动规律。 20世纪在力学理论支撑下取得的工程技术成就不胜枚举。在解决新的工程技术问题及向其他学科渗透中，力学丰富了自身。我国从“两弹一星”到深潜弹道导弹核潜艇的研制，从长江大桥到三峡工程的建设，无不凝聚着力学工作者的贡献。力学对中国现代科学发展所负有的特殊使命，造就了以钱学森、周培源、钱伟长、郭永怀为代表的一批杰出的力学家。
自 20世纪以来，力学不仅完备了自身学科体系，而且和其他学科交叉与融合，形成了生物力学、爆炸与冲击动力学、环境力学、物理力学等交叉学科。在 21世纪，纳米科技、生命科学与生物技术、信息技术成为科技界很有吸引力与影响力的三大领域。在这样的大背景下，许多传统学科都面临巨大的挑战。力学由于其内在的特质及普遍性，仍然展示出永恒与旺盛的生命力，并发挥出巨大的影响力。从本质上讲，在原子尺度下，各种基本相互作用（如电、磁、化学、热等）都根源于力，而在纳米尺度中，这种同源性仍然明显存在。
21世纪以来，人类文明、社会经济发展和国家安全的新需求，如空天飞行器、深海空间站、绿色能源、灾害预报与预防、人类健康与重大疾病防治等问题的突破与解决，都期待着力学的进一步发展和关键贡献。
21世纪诸多世界性难题，如人类健康、气候变化和能源短缺等，以及宏观至深空探测、微观至纳观尺度器件等高新科技，使力学学科正面对着众多超越**研究范畴的新科学问题，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、多尺度和多场耦合等特征。这些新挑战，将促使现代力学体系发生新的重大变革，同时促进力学与其他学科的交叉、融合和创新。
第二节 我国力学学科的发展和现状
一、我国力学学科的发展
力学历史悠久，可是我国的力学研究队伍却很年轻，我国力学研究队伍是从 20世纪 50年代开始建立的。1954年，国务院开始制定《1956—1967年科学技术发展远景规划》（简称“十二年科技规划”），1956年 5月规划制定工作顺利完成。该规划包含了 56项国家重要科学技术任务，都是与国家工业发展密切相关的。周恩来总理看后指出应该增加与基础研究有关的内容，于是“十二年科技规划”中增添了第 57项，即天文、地理、生物、化学、力学等学科的发展规划。为推动“十二年科技规划”的实施，成立了各学科领导小组，其中力学组由钱学森任组长，勾画了发展力学学科的详细蓝图。
1956年，中国科学院成立了由钱学森先生任所长的力学研究所。1957年，中国力学学会成立。1962年，钱学森先生领导制定了科学规划中的力学规划。 1972年，钱令希先生提出将近代计算技术与结构力学相结合、发展计算力学学科的建议。 1978年，在制定我国科学技术中长期发展规划时，邓小平同志根据谈镐生教授的建议批示，将力学归入基础学科规划。经过几十年的努力，我国已有力学专门研究单位约 120个，力学学科建设和布局趋于完整。
二、我国力学学科的现状
力学是我国有传统优势的学科之一，也是一门*立的重要学科。近十余年来，在传统力学的基础上，力学更加注重与材料、物理、化学、控制、生物、信息、数学等学科的交叉，不断催生新的科学问题与研究方向。我国力学工作者在力学的各个分支都取得了巨大成绩，产生了一批具有国际影响力的研究成果。
目前，我国力学学科拥有国际上*具规模和广泛性的研究队伍。中国力学学会在 2020年有 3万余个会员。国家自然科学基金委员会数学物理科学部力学科学处的统计数据显示，我国力学研究的基层单位为 652个，积极参与力学基础研究的队伍在 7240人以上。而根据我国 2016年第四轮学科评估的有关数据，达到一定规模、参与评估的力学基层单位为 81个，其专职科研人员数为 3600多人（约占全国总人数的 50%），在校研究生约 11 000人。 2014～2019年，在高层次人才队伍方面，我国力学学科的优秀人才成长迅速。其中，共４人当选为中国科学院院士， 10人入选***高层次人才项目，31人获得国家杰出青年科学基金， 32人获得优秀青年科学基金， 56人入选海外高层次人才引进项目，为提升我国力学学科队伍的研究水平起到重要作用。
下面从固体力学、流体力学、动力学与控制、交叉力学四个方面介绍我国力学的发展现状。
（一）固体力学
20世纪，固体力学创立了一系列重要的理论与方法，在固体材料与结构的本构理论、疲劳与断裂力学、实验与计算力学等领域取得了辉煌的成就。固体力学的研究成果广泛应用于土木、建筑、机械、航空航天、核能、水利、交通、能源、电子等国民经济的众多领域，有力地推动了相关科学与工程领域的进步。如今，固体力学仍然在不断开拓新的疆域，与物理学、化学、生命科学、医学、材料科学、信息科学等进一步交叉融合，呈现出良好的发展态势。一方面，固体力学涌现出一些新兴的发展领域，诞生了一系列新的理论、实验和计算方法，如微纳米与多尺度力学、智能材料与结构力学、软物质与柔性结构力学、生物材料与仿生力学、材料与结构的力学信息学、多场耦合力学等；另一方面，固体力学不仅更加深入地融入航空航天、先进制造、新能源等领域，而且通过与生物医学工程、人工智能、脑科学等的交融产生了更多的应用领域。
十余年来，我国科学工作者在固体力学的理论、计算、实验、跨学科研究及力学在重大工程中的应用等方面取得了巨大的成就，在微纳米力学，智能材料与结构力学，损伤、疲劳与断裂，振动、冲击与波动力学，实验固体力学，软物质力学，复合材料力学，能源力学，固体的多尺度与跨尺度力学，弹性和塑性力学等学科方向获得了一批具有****水平的成果。
（二）流体力学
流体广泛存在于自然界和工程技术领域，我们周围到处都可以见到与流体运
展开
