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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-01-12 23:03
工程的重要性大家都會知道，這是不言而喻的。衣、食、住、行，我再加兩樣，衣、食、住、行之外，玩兒，現(xiàn)在的娛樂，還有學習，衣、食、住、行、玩、學，六樣，沒有一樣離開工程。所以工程對國際民生的重要性，大家非常容易理解。
對國家來說，要富、要強。要富，稅收都是從各種工廠、工業(yè)部門收來的。表面上看來說靠力學能不能富，對不起，從力學家那里收稅收不了幾個錢，國家不可能靠力學來富，我指的直接。強國，那么所有的軍事武器、國防的設施都是工程，沒有一樣離開工程。
但是力學是不是沒有用了？既不能富，也不能強，對衣、食、住、行、吃、喝、玩、樂，都沒有作用，是不是真是這樣呢？我這一節(jié)就是要討論一下這個問題。
從世界的歷史來看力學
我們在介紹力學學科與現(xiàn)代工程的關系之前。為了更準確地把握力學與現(xiàn)代工程的關系，我們首先對力學學科在人類文明發(fā)展中的作用，做一個簡要的回顧。
力學學科在世界歷史上起過很重要的作用。至少在以下三方面起過作用：
第一，它是最早向權(quán)勢即真理的真理觀發(fā)起挑戰(zhàn)，并且取得決定性勝利的學科。
地心說就是羅馬教會所要壟斷的“真理”。他們對一切反對地心說的人加以迫害。力學學科特別是其中的動力學，就是在反對地心說發(fā)展日心說中逐漸成熟起來的。
在力學早期的發(fā)展中應當特別提到四本書。它們是：1543年出版的哥白尼(NicolasCopernic，1473-1543)的著作《天體運行論》，1632年出版的伽利(GalileoGalilei，1564-1642)略的著作《關于托勒密和哥白尼兩大世界觀的對話》，1638年出版的伽利略的著作《關于兩門新科學的對話》和1687年出版的牛頓(IssacNewton，1642-1727)的著作《自然哲學的數(shù)學原理》。這四本書就是力學走向成熟的奠基之作。也是日心說取得決定性勝利的最重要的理論武器。
日心說戰(zhàn)勝地心說，它的意義不僅是天文學上新思想的勝利，也不僅在科學上力學學科的成長和發(fā)展成熟。他是人類歷史上真理觀的一次革命，它宣告以往權(quán)勢即是真理的破滅，宣告權(quán)勢可以壟斷真理的破產(chǎn)，宣告指鹿為馬的把戲破產(chǎn)。它使中世紀以前傲慢的權(quán)勢不得不向新興的科學低頭，它警告人們，不管他是多么有權(quán)勢有地位，在科學面前必須持謙卑的態(tài)度。隨后，由于科學的不斷進步（例如進化論學說對上帝造人學說的沖擊）和人文精神的不斷取得勝利，當人類進入19、20世紀，科學得到了空前的繁榮。權(quán)勢即真理的專斷愈來愈不得人心。所以才有羅馬教廷對伽利略審判的平反。以至于基督教會也不得不辦起了以科學為名的報紙乃至辦起了科學院。無論如何，由力學發(fā)起的對“權(quán)勢即真理”的真理觀的挑戰(zhàn)，是代表歷史進步的潮流的。這個潮流在中國，也就是五四運動之后興起的民主與科學的思潮。順之者昌、逆之者亡。
人們說，宇宙演化、生命起源和物質(zhì)結(jié)構(gòu)是有史以來人類一直在不斷探求的三大問題，圍繞這三大問題，一直是愚昧和迷信與科學斗爭的前沿。力學和整個自然科學，迄今一直為解開這些秘密而不斷探求和做貢獻。
第二，力學在人類歷史上的另一種偉大的作用，就是推動現(xiàn)代科學的發(fā)展，成為現(xiàn)代科學的領頭羊。
17世紀開始的世界范圍的科學革命，從根本上改變了人類對客觀世界的認識，改變了人類自身的思維方式，也改變了人類的物質(zhì)生活。但是，在整個科學革命的歷史發(fā)展的過程中，力學學科卻起著引領潮流的作用。
美國印第安納大學科學史教授威斯特福爾(R.S.Westfall)在他所著的《近代科學的建構(gòu)》一書的序言中，一開頭就說：“有兩個論題左右了17世紀的科學革命——一個是從幾何意義上來觀察自然，和將宇宙理解為按照數(shù)學的指令構(gòu)造的畢達哥拉斯傳統(tǒng)；另一個是力學哲學，把大自然理解為一個巨大的機器并且找尋隱藏于現(xiàn)象背后機械論的解釋。”
力學學科的成熟與發(fā)展，大大改變了人類認識世界的面貌。首先，天文學進入了一個新時代。如果說在牛頓之前，研究天文學的主要工具是幾何學，那么在牛頓之后，力學成為研究天文學的主要工具。
至于說到力學對于物理學的作用，請聽愛因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)的話，愛因斯坦在《物理學與實在》中的一段話：“盡管我們今天確實知道古典力學不能用來作為統(tǒng)治全部物理學的基礎，可是它在物理學中仍然占領著我們?nèi)克枷氲闹行摹?rdquo;他還說：“依我看，牛頓力學的最大成就，在于它的貫徹一致的應用已經(jīng)超出了這種現(xiàn)象論的觀點，特別是在熱現(xiàn)象領域內(nèi)。在氣體運動論和一般的統(tǒng)計力學里，出現(xiàn)的就是這種情況。”愛因斯坦還說：“牛頓成就的重要性，并不限于為實際的力學科學創(chuàng)造了一個可用的和邏輯上令人滿意的基礎。而且直到19世紀末，它一直是理論物理學領域中每一個工作者的綱領。”
牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》的序言中說：“哲學的全部任務看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力，而后用這些力去論證其他的現(xiàn)象。”“自然的一切現(xiàn)象，完全可以根據(jù)力學的原理用相似的推理一一演示出來。”
德國物理學家亥姆霍茲(HermannvonHelmholtz，1821-1894)是能量守恒的發(fā)現(xiàn)者，原文叫做“論力的守恒”，他說“一切自然科學最后的目的，是把自己變成力學”，“只要把自然現(xiàn)象歸結(jié)為簡單的力這件事情完成了，并且證明了自然現(xiàn)象只能這樣來歸結(jié)，那么科學的任務將就此終結(jié)了。”
我們不是說自然科學是認識自然和理解自然嗎。英國物理學家開爾文(WilliamThomson,1stBaronKelvin，1824-1907)說：“我的目標就是要證明，如何建造一個力學模型，這個模型在我們所思考的無論什么物理現(xiàn)象中，都將滿足所要求的條件。在我沒有給一種事物建立起一個力學模型之前，我是永遠也不會滿足的。如果我能夠成功地建立起一個模型，我就能理解它，否則我就不能理解。”
以上牛頓、赫姆霍茲和開爾文說的都是一個意思，就是自然界的一切變化，都歸結(jié)為力學。這種觀點就是科學上的“還原論”的方法論，即將復雜的事物還原為簡單的事物。機械運動既然是自然界最簡單的運動形式，最后把各種運動形式還原為力學是很自然的了。這種方法論在今天看來，并不能涵蓋科學哲學中的一切方法，不過它畢竟是一種很重要的方法論。在這個意義上說，力學是一切自然科學的基礎，是有一定道理的。
進入19世紀末和20世紀初，力學還引領人類在揭開大氣、地質(zhì)構(gòu)造、化學化合與分解、生命現(xiàn)象等的秘密中發(fā)揮了越來越重要的作用。
所以可以說，力學是現(xiàn)代科學最早成熟的學科，也為現(xiàn)代各門科學的發(fā)展奠定了基礎，它和數(shù)學一起成為人類認識自然的兩大重要工具。這就是威斯特福爾在他的著作中表述的基本思想。
所以恩格說：“認識機械運動，是科學的第一個任務”。
第三，力學的第三種功績是奠定了現(xiàn)代工程的基礎。
世界上，大學的工科教育起步很晚。大約只有二百五十年左右的歷史。最早的工科教育當是法國成立于1745年的一所道橋?qū)W院。其后到1794年法國巴黎的綜合工科學校誕生，工科教育逐漸成熟了起來。后來才有世界各國效法它成立的各種工科大學或工科系科。其中一個標志性的事件是巴黎綜合工科學校兩本基礎課教材的出版。一本是1811年分兩卷出版的泊松所著的《力學教程》，另一本是1926年出版的納維所著的《力學在結(jié)構(gòu)和機械方面的應用》。前一本奠定了理論力學的教學基礎，而后一本奠定了材料力學的教學基礎。實際上，作為材料力學主要內(nèi)容的梁的理論，是直到納維的這一本書才最后完成的。
早些時候，在沒有工科教育的情況下，工程知識都是由師傅帶學徒的方式相互傳授。我們知道的18、19世紀的幾位著名的工程師與發(fā)明家都是學徒出身。如改進蒸汽機的瓦特(1736-1819)，紡織機的發(fā)明者英國人阿克賴特(1732－1792)，蒸汽機為動力的輪船的發(fā)明者美國人富爾頓(1765－1815)，蒸汽機車的發(fā)明者英國人斯梯文森(1781－1848)等，他們青少年時代都曾經(jīng)當過修表學徒。只有在工科的基礎課理論力學和材料力學基本成熟和定型后，成批地培養(yǎng)工科人才才成為可能。所以可以說，現(xiàn)代工科教育，或者說現(xiàn)代工程是力學學科發(fā)展和成熟的直接成果。
所以馬克思說：力學是“大工業(yè)的真正科學的基礎”。
歸納起來，力學的發(fā)展過程說明，它是最早向權(quán)勢即真理的真理觀發(fā)起挑戰(zhàn)，并且取得決定性勝利的學科；它又是自然科學各門學科的共同基礎，是人類認識自然界的有力工具；它還是現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎。
力學如此重要，遺憾的是，我國到20世紀初，一直沒有力學。19世紀末在中國致力于介紹翻譯西方科學著作的英國人傅蘭雅(JohnFryer，1839-1928)于1890年前后，在他編寫的《格致須知》的《重學》一卷的引言中，有如下一段話：
“至于重學，不但今人無講求者，即古書亦不論及，且無其名目?？芍腥A本無此學也。自中西互通，有西人之通中西兩文者，翻譯重學一書，兼明格致算學二理。”
其中的“重學”是早期對西方力學(Mechanics)一詞的譯名。傅蘭雅的這段話說明三點：
·第一，中國古代沒有力學；
·第二，中國的力學是外國人送上門來的。
·第三，后來的歷史發(fā)展進一步說明的是，即使是外國人送上門來，中國人接受也不痛快，甚至有時采取排斥的態(tài)度，接受的過程是緩慢和曲折的。
在1840年之前，有少量的傳教士將力學知識傳輸?shù)絿鴥?nèi)。不過中國人對學習力學的興趣一直只限于極個別人之間，形不成氣候。鴉片戰(zhàn)爭之后，中國的有識之士看到中國的失敗和西人的船堅炮利，想辦法救亡圖存，提出“師夷之長以制夷”的口號。之后從19世紀60年代起形成全國范圍的“洋務運動”。它的主要內(nèi)容是聘請洋技術(shù)專家教學生、辦工廠、買槍炮、買機器。如1865年成立江南制造總局與金陵機器局；1866年成立的福州船政局。這些活動都需要懂外文的翻譯，于是1862年在北京成立的同文館專門培養(yǎng)翻譯。數(shù)年后，翻譯培養(yǎng)出來了，可是洋槍洋炮的說明書還是看不懂。于是1866年又在同文館中設天文與算學二館（1898年京師大學堂成立，同文館并入），開始講授一點力學知識。
力學學科在中國得到獨立發(fā)展的標志性的事件是，1952年在北大成立力學專業(yè)，1951年在科學院數(shù)學所成立力學研究室，隨后1956年在科學院成立力學研究所。
我們落后就落后在這里，外國是先有理科、先有力學，然后逐漸的才有工科，而我們是先弄工科，工科弄不下去了然后再培養(yǎng)一點力學人才，再培養(yǎng)一點數(shù)學。我國力學獨立發(fā)展的歷史才有短短70年的歷史，這比起西方發(fā)達國家力學學科有著四百年的歷史是很短的，所以從力學發(fā)展的歷史來說，我們還只能是發(fā)展中的國家。今天有機會獲得學習力學專業(yè)的機會是彌足珍貴的。
在關于力學學科性質(zhì)的問題上，我國學者一直有兩種不同的觀點，一種認為力學是基礎學科（周培源、錢偉長、談鎬生），一種認為力學是工程技術(shù)學科（錢學森、張維）?；仡櫼陨系恼撌?，就會自然地看到他們看問題的側(cè)重點是不同的，主張力學屬于基礎學科的，是看到力學在歷史上發(fā)揮的上面三種作用；主張力學是工程技術(shù)學科的，則偏重于看到力學在歷史上發(fā)揮的第三種作用。
什么是工程
前面，在介紹力學的歷史作用的時候，我們簡單介紹了一下力學學科的發(fā)展與走向成熟，才開啟了近代工程教育?，F(xiàn)在我們要從近代工程本身來看力學。
在18世紀之前，即作為力學學科發(fā)展成熟之前的工程，一般多指結(jié)構(gòu)工程，即橋梁、房屋結(jié)構(gòu)、公共設施如神廟、長城、碉堡、水壩等等。下面看三個例子：
雅典女神廟，座落于雅典衛(wèi)城。建于438B.C.是古希臘建筑的典型例子。
應縣佛宮寺釋迦塔
建于公元1056年，總高67米。采雙層環(huán)形空間結(jié)構(gòu)形式，是現(xiàn)存中國最古老樓閣式木構(gòu)佛塔。塔建在4米高的兩層石砌臺基上，內(nèi)外兩排立柱構(gòu)成雙層套筒式結(jié)構(gòu)，柱與柱間還有大量水平構(gòu)件，暗層內(nèi)又有大量斜撐，使雙層套筒內(nèi)外層緊密結(jié)合連成一體。其柱不是直接插入地中而是擱置于石礎之上。在連接上采用了傳統(tǒng)的斗栱結(jié)構(gòu)，為不同部分的特殊需要分別設計了50余種不同形式的斗栱。由于結(jié)構(gòu)上的合理性，近千年間經(jīng)歷了12次6級以上的大地震，迄今安然無恙。
河北趙州安濟橋
橋位于河北趙縣城南5里，為隋匠人李春所建，成于隋開皇大業(yè)年間(594－605年)，是現(xiàn)存世界上最古老、跨度最大的敞肩拱橋。橋的主孔凈跨37.02米，凈矢高7.23米，栱腹線的半徑為27.31米，栱中心夾角。橋形很扁，橋總長50.83米，寬9米。大栱之上兩側(cè)各有一小栱。趙州橋在結(jié)構(gòu)、地基處理、外觀都達到盡善盡美。結(jié)構(gòu)上減少了重量、增加了可靠性，使它歷千年而不壞。
我們以上所舉的例子，其設計都在力學理論建立之前，它們體現(xiàn)了在力學學科發(fā)展成熟之前的人類最高智慧的杰作。注意，什么時候有的力學呢？有兩個年頭應當記住，你注意一下：
·第一個就是16世紀末，大約1595年荷蘭的斯梯芬(SimonStevin，1548－1620)，是靜力學的完成者，他的一本書《靜力學原理》(1586年)最終解決了三力的平衡問題，在斯梯芬以前所有的靜力學都是平行力作用，斯梯芬最早解決了力的平行四邊形定理，三力平衡，就是不平行力也可以（平衡），它標志著靜力學的完成。
·第二個年代是1687年，牛頓的《自然哲學數(shù)學原理》，這個標志了動力學的體系，就是說質(zhì)點動力學，還不是剛體，質(zhì)點動力學的完成，所以后來把動力學都稱為牛頓力學就是在1687年。在那以前，（完整的）力學（體系）都沒有，從1687年以后，力學才正式成為一個學科的體系。
前面舉的所有的這些建筑，都是在上面這兩個年代以前，在以前為什么會有這么復雜的建筑？為什么有如此精巧的建筑呢？回答，人的經(jīng)驗。就是說因為人都是要學習、要改變自然，所以他就一代、一代地往下傳，這種經(jīng)驗是非?？少F的，判斷力一天比一天豐富，就完成了房屋、橋梁各種復雜結(jié)構(gòu)的建筑。
在公元一世紀，羅馬的建筑大師維特魯力(Vitruii)在他所著的《建筑十書》中說：“因為人們有著模仿和善于學習的性質(zhì)，所以每天彼此夸耀發(fā)明，互相顯示建房的成就，就這樣競爭鍛煉了才能，判斷力一天比一天豐富，而完成了房屋。”就形象地說明人們經(jīng)驗積累的過程。我國周朝關于工程的歷史文獻《考工記》中說：“天有時，地有氣，才有美，工有巧。合此四者，然后可以為良。材美工巧，然而不良，則不時，不得地氣也。”是說要達到好的工程設計和制造，所需要考慮的因素。
按經(jīng)驗的工程也非常偉大，但是憑經(jīng)驗的工程需要許多人、許多代的積累，所以結(jié)構(gòu)形式比較少，發(fā)展改變很慢，所以一千年來我們村里面的那些建筑形式基本上沒有變，我在農(nóng)村待過，基本上是上面有一根梁，下面有一個檁，梁，檁，然后椽，基本上是這個形式，沒有特別新的形式。連皇帝居住的宮殿也是一代又一代都是這樣的。這都是變成格式，都是死的，他們腦子里都背會了?，F(xiàn)在我們有不少的工程人員搞設計，他們大半還是憑經(jīng)驗，原因是什么呢？原因是他不懂力學。
所以結(jié)論，要憑經(jīng)驗的話，你要當一個好的工程師一定要記住前人的一些好的設計，好的工程師一定要記住，記住這個以后，你根據(jù)你的學問然后再不斷地改進，然后產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)、新的產(chǎn)品。
現(xiàn)代工程是在18世紀之后形成的。可以毫不夸張地說，現(xiàn)代工程是力學學科的產(chǎn)兒。
著名的力學家馮卡門(VonKarman，1881-1963)說：“科學是去發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在的，而工程是要創(chuàng)造世界上從來沒有的。”
在力學直接指導下完成的產(chǎn)品，可以舉調(diào)速器和鐘表兩個例子來說明。它們都是以前沒有的。看上去它們都是不起眼的小玩意，可是它們的出現(xiàn)改變了人類的生活方式，引起社會革命性的變化。
1712年，英國人托馬斯·紐可曼(ThomasNewcomen,1663－1729)發(fā)明了大氣壓蒸汽機。不過它的速度很不穩(wěn)定，派不上多大的用途。瓦特的一項重要發(fā)明是在蒸汽機上安裝了離心調(diào)速器，這大約是1782年前后的事情。這種調(diào)速器的構(gòu)造簡單得可以當做現(xiàn)今理論力學的一個習題。它是蒸汽機所以能普及應用的關鍵，也是人類自動調(diào)節(jié)與自動控制的開始。由于人們能夠自由地控制蒸汽機的速度，才使蒸汽機應用于紡織、火車、輪船、機械加工等行業(yè)，才使人類大量使用自然原動力成為可能，這才有后來興起的產(chǎn)業(yè)命。
鐘表的發(fā)明應當追溯到伽利略對單擺等時性的研究，后來荷蘭力學家惠更斯(ChristiaanHuygens，1629—1695)發(fā)明了擺鐘。這就是現(xiàn)代計時器的開始。由于鐘表的發(fā)明，改變了人們的生活，使航海能夠準確定位，也為其他科學研究提供的精確的計時裝置。還是由于社會對鐘表的大量需求，促進了機械加工、機床的生產(chǎn)，也就是說促進了機械行業(yè)的發(fā)展。
從現(xiàn)代關于工程的定義我們也能夠看出力學學科的作用。一位斯坦福大學電機工程教授斯密斯(RalphJ.Smith，1907-1997)說：“工程是最優(yōu)地應用科學以自然資源來造福的藝術(shù)行業(yè)。”另一位叫林賽(S.E.Lindsay)的工程師在1920年說得更加明確，他說：“工程是安全與經(jīng)濟的實踐，它采用服從科學定律的力和天然的材料，經(jīng)過組織、設計、施工以滿足人們的普遍利益。”所以可以說，力學是現(xiàn)代工程最重要的理論支撐，也可以說支撐現(xiàn)代工程的大廈主要的理論支柱就是力學。
由于力學和自然科學的發(fā)展產(chǎn)生了一系列新的工程領域：冶金、造船、采礦、化工、電機、機械、造紙、紡織、發(fā)電、核工程、半導體、電訊、航空和航天，復合材料、橡膠、塑料、機器人等等。
從無到有，如電機、核工程、航空、航天等，它們是基礎研究的產(chǎn)物。這些新工程領域，第一批涉獵者都是力學家和科學家。
下面這幾張圖片所表示的現(xiàn)代工程的杰作中，每一項都有大量的力學家參加工作。都有力學家的汗水，而且可以說最重要最大量的工作，都是與力學有關的。
波音777飛機可乘坐400人，最大起飛重量250噸。
大型汽輪機轉(zhuǎn)子
原有的工程類別，由于基礎研究的指導，產(chǎn)生了質(zhì)的變化，如建筑，從1875年芝加哥開始的高層結(jié)構(gòu)，1859年開始的鋼鐵造船，1867年開始的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
芝加哥的高層建筑
我們再舉兩個例子，說明力學對工程的影響：
一個例子是在1940年建成的美國的西北部一座吊橋，長853.4m的塔科姆(Tacoma)大橋，建成后不久，由于同年11月7日的一場不大的風（僅每秒19m）引起了振幅接近9m的“顫振”，在這樣大振幅振蕩下結(jié)構(gòu)不一會便塌毀了。
在此之前，設計工程師沒有流體力學的知識，他們以為風這樣吹來的時候，風激起的橋的振動是沿著風的方向振動，即順著風向來振動。那么橋這么寬，這個剛度足夠大，沒有問題。他沒有想到橋會垂直于風向振動，即垂直于來流的方向來振動。這個事情就是當時的工程師缺乏流體力學的訓練。經(jīng)過這一事實的教訓，現(xiàn)在設計這種吊橋，全部必須要有流體力學方面的計算和實驗。著名的力學家馮卡門就參加了這個橋的風洞實驗，在用橋的模型，在風動洞里頭吹風，然后來論證他能夠承受多少級風。這就是由于力學的發(fā)展，在土木結(jié)構(gòu)的設計中必須考慮新的因素的一個例子。
另一個例子是復合材料力學的誕生。人類早期應用的復合材料有麻刀、鋼筋混凝土等。20世紀七八十年代在冶金和力學指導下，產(chǎn)生了纖維金屬合成板。被大規(guī)模應用于航空航天工程中。
為了提高這種材料的性能，需要解決諸如界面強度問題、多尺度多層次的優(yōu)化問題以及加工等一系列力學問題。于是迅速形成了一門新學科——復合材料力學。
單向碳纖維——網(wǎng)狀碳纖維和環(huán)氧樹脂——玻璃纖維內(nèi)層
撐桿跳高用的復合材料撐桿
就以撐桿跳高用的撐桿來說。僅僅由原來的木桿，到1910年采用竹竿，到1960年之后采用復合材料桿，跳高的記錄就提高了一倍還要多。
奧運撐桿跳高記錄
因之，可以說由于近代力學的發(fā)展，使整個工程領域獲得了新生、面貌一新。由于這些新的工程面世，改變了人類的社會生活方式、勞動形式和社會結(jié)構(gòu)。
20世紀最偉大革新與力學
人類進入20世紀，新的發(fā)明不斷浮現(xiàn)，這些新的發(fā)明形成新的工程領域。其中，最為偉大的新的工程，對人類的生活影響至關深遠的領域有以下六個方面：核工程（包括原子彈，原子能發(fā)電，氫彈，和核聚變能源的研究）、半導體工程（包括后來的大規(guī)模集成電路）、計算機和新的信息產(chǎn)業(yè)（包括智能手機、數(shù)碼相機、筆記本和放送技術(shù)等）、航空工程、航天工程、遺傳基因工程。
以上這六個領域，無一例外，都是基礎學科指導下產(chǎn)生的新工程。如核工程和半導體工程是物理學指導之下產(chǎn)生的新工程；計算機是在數(shù)學和電子學指導之下產(chǎn)生的新工程；而遺傳工程則是在生物學指引下形成的工程；航空工程、航天工程則完全是在力學指導之下產(chǎn)生和發(fā)展的新工程。
值得關注的是，在航空、航天這兩個領域之外的四個新工程領域，力學雖然不是關鍵學科，但這些新工程領域擁有許多關鍵技術(shù)問題需要力學介入，有些領域，力學問題還是具有十分重要和決定性的。例如，核工程要求提煉鈾235到一定濃度，其關鍵技術(shù)不管是離心還是擴散法，都是和力學有關的技術(shù)。世界第一臺計算機的研制，就是為解決彈道這種力學問題的計算大量重復性計算來服務的，計算機投入使用后，為適應最大量的計算，適應各種各樣的計算力學問題的需求來不斷改進的。
現(xiàn)在我們就航空和航天兩個領域的發(fā)展和力學的關系來簡要地進行回顧：
航空方面
1903年12月17日，萊特兄弟第一次實現(xiàn)了人類飛行的夢想。開辟了航空時代。
人類對飛行的向往是源遠流長的。一般通俗地介紹航空歷史的書上，只提到飛機的發(fā)明是兩個賣自行車的萊特兄弟完成的。這給人一個錯覺，似乎飛機是他們心血來潮的幸運所得。其實航空的產(chǎn)生和發(fā)展是人類世代前赴后繼奮斗和積累的結(jié)果，其中首先是力學家研究貢獻，在萊特兄弟之前，至少應當提到三位科學家的力學研究。
第一位是19世紀初，英國人喬治·凱利(GeorgeCayley,1773－1857)為了對空氣的阻力與升力進行定量研究，1804年12月，凱利自己設計和制造了一架懸臂機，用于研究平板的升力和阻力。利用這個裝置，凱利得到了最早關于升力和速度方面的數(shù)據(jù)。他初步的結(jié)果是，平板的升力與面積成正比、與迎風角成正比、與速度的平方成正比。他在懸臂機試驗中還發(fā)現(xiàn)了流線型對減少阻力的重要性。他經(jīng)過精心計算，給出了一架飛機的設計參數(shù)，并且說：“如果這塊平板能在動力作用下高效率運動，空中航行就會實現(xiàn)。”大萊特曾說過：“我們設計的飛機，完全按照凱利爵士的非常精確的計算方法。”所以后來西方的航空專家都稱凱利為航空之父。
第二位是美國的科學家蘭利(SamuelPierpontLangley,1834－1906)，起先曾從事土木工程工作，后來靠自學成為著名的天文學家。他發(fā)展了測輻射熱儀，對太陽光譜測量作出了重要貢獻，1867年，任美國匹茲堡大學的物理與天文學教授。他從幼年便對鳥的飛翔產(chǎn)生了極大的興趣。經(jīng)常連續(xù)數(shù)小時觀看鳥的飛行。1887年蘭利移居華盛頓，出任當時美國學術(shù)權(quán)威機構(gòu)斯密森學會的秘書。他建造了一座60英尺的懸臂機，該機靠煤氣發(fā)動機驅(qū)動，外周速度可達每小時70海里。利用這座懸臂機，他進行了大量的空氣動力實驗，研究平板與鳥翼在空氣中運動時的阻力與升力的規(guī)律，由此得到了許多定量的結(jié)果，并且糾正了前人的不少錯誤。蘭利將他的研究結(jié)果寫成一本書《空氣動力學實驗》，于1891年由華盛頓的斯密森學會出版。這本書是最早的比較系統(tǒng)的實驗空氣動力學著作，對后來的飛機研究者，包括萊特兄弟影響很大。
除了實驗室研究外，蘭利還動手做飛行試驗。他先后從1891年開始試制了橡筋動力模型飛機、設計并制造了輕型蒸汽機、并且設計了空中旅行者0－6共7個型號的飛機模型、對其中的第5、6兩號在1896年進行了成功的飛行、后來又在1903年進行了兩次不成功的載人的飛行試驗。后來因為財政拮據(jù)和新聞界的冷嘲熱諷，以及蘭利本人年事已高（接近70歲）的諸多原因，放棄了試驗，蘭利也于1906年逝世。后人總結(jié)他載人飛行的失敗主要是由于結(jié)構(gòu)上的不合理，當時他的發(fā)射架如果采用輪式起落架，試飛很可能是另一種結(jié)果。
萊特兄弟首先從制造滑翔機開始，逐漸改進。他們研究前人的經(jīng)驗，其中包括達·芬奇、喬治·凱利、蘭利教授、馬克辛（機槍的發(fā)明者）、查紐特、帕森斯、托馬斯·愛迪生、利林塔爾、阿代爾、等等的事跡與經(jīng)驗。其中特別是凱利和蘭利關于飛行的理論資料。到1902年秋，已經(jīng)積累了上千次滑翔經(jīng)驗，掌握了飛行的理論與技術(shù)。最后，他們決心制造裝有發(fā)動機與螺旋槳的飛機。經(jīng)過艱苦的研究，終于制成了4缸8馬力的內(nèi)燃發(fā)動機，并且用樅木制造了螺旋槳。1903年12月17日在北卡羅來納州的刺鬼山海岸（KillDevilHillsbeach），對他們制成的“飛行者”1號進行了試飛。經(jīng)過4次試飛，最好的成績是在空中飛行59秒，飛行距離259.7米的記錄。那次試飛，他們發(fā)了50封邀請信，結(jié)果只來了5個人，報界對此反映冷淡。到1905年，美國著名的科學普及雜志《科學的美國人》說這次試驗只不過是一個騙局?？墒?，就在這一年，萊特兄弟的第三個改型飛機在10月5日那天，一次飛行了38.6千米，在空中持續(xù)飛行38分又3秒鐘。
1901年萊特兄弟為了實驗和改進翅膀，建造了風洞，他們研究與比較了200種以上的機翼形狀。這個風洞大概是美國第一座風洞。
除了萊特兄弟好學，向一切從前的和當時的人學習以外，還應當特別提到的是有一位著名的工程師直接指導萊特的力學知識。這就是法裔工程師恰納特(OctaveChanute，1832－1910)。他是一位著名的鐵路工程師，主持設計過復雜的鐵路橋梁，采用新的材料進行施工。他對飛行一直保持濃厚的業(yè)余興趣，而且他關于飛行的力學知識在19世紀80年代一直處于前緣。他與萊特兄弟一直保持通信，指導他們，并且親自去過萊特兄弟的試驗場地。在1886年8月于布法勒(Buffalo)他在美國第一次組織召開了關于航空研究可能性的討論會。這也就是美國科學促進協(xié)會(AmericanAssociationfortheAdvancementofScience(AAAS))的第一個系列會議。之后他與他知道的任何有志于航空研究的人通信。1889年在多倫多又召開了AAAS的會議，會上他正式將航空計劃作為一個工程問題。在1893年他趁芝加哥世界博覽會之機，在芝加哥組織召開了一次國際航空會議。許多對航空有興趣的著名人物出席了會議，其中有斯密森學院的秘書蘭利、發(fā)明家愛迪生等。之后于1894年他出版了《飛行力學進展》，后來這本書成為這方面的一本經(jīng)典著作。
恰納特對萊特兄弟的指導是無私的，他不僅用通訊的方式回答他們的任何問題，還親臨指導。他們之間的來往的信件，就有200多封。所以美國人羅杰·勞紐斯(RogerD.Launius)說：“萊特兄弟教會了世界飛行，但是是誰教會了萊特兄弟去飛行的呢？從最廣泛的意義上說是一位出生于法國，在芝加哥長大的工程師――恰納特。”
萊特兄弟進行了世界上最早的飛行之后，飛機得到迅速發(fā)展，不論從飛機結(jié)構(gòu)上、飛行控制和穩(wěn)定性操作性上，還是從飛行速度以及航空發(fā)動機的改進上，它的改進和發(fā)展的每一步都是力學研究的突破。人們突破了音障和熱障，后來又有直升機的發(fā)明。到現(xiàn)在飛行在天空有各種用途各種性能的飛機，民用航空已成為人民遠距離旅行的主要的交通工具。
航天方面
飛機是靠飛行物運動時空氣動力把它舉起來的。而要飛離地球，那里沒有空氣，能不能飛出去呢。這是航天首先要回答的力學問題。這個問題最早是由俄羅斯中學教師齊奧爾可夫斯基(КонстатинЭлуардовичЦиолковский，1857－1935)解決的。他出生于俄羅斯離莫斯科不遠的梁贊省的伊熱夫斯基村。大約在他十歲的時候因為疾病使他的耳朵幾乎完全失去聽力。由于生病，他經(jīng)常缺課，在家由他母親幫他補課。他14歲時才開始正式上學，16歲時，父親送他到莫斯科求學。后來他靠頑強的自學精神，而于1878年秋成為一名中學教師，并且撰寫了若干篇有關化學和物理的學術(shù)論文。
齊奧爾可夫斯基對星際航行的興趣是由凡爾納的科學幻想小說引起的，他在1911年回憶說：“對我來說，第一顆太空飛行思想的種子是由著名的儒勒·凡爾納的幻想小說播下的，它們使我在頭腦里形成了確定的方向。我開始把它作為一種嚴肅的活動。”
齊奧爾可夫斯基在1898年完成了論文《利用噴氣工具研究宇宙空間》，但是論文直到1903年才在莫斯科的《科學評論》雜志上發(fā)表。論文涉及航天飛行的各方面的問題。
他首先指出，利用氣球、大炮炮彈、都不可能飛出地球，因之“我建議利用反作用機械研究高空大氣。我所指的反作用機械就是火箭。”
論文開創(chuàng)了變質(zhì)量力學，并且由此推導出火箭運動的基本公式，后人稱之為齊奧爾可夫斯基公式。
論文導出了火箭要克服地球引力所要具有的最小速度，即第一宇宙速度為每秒8公里。并且給出了液體燃料是最理想的推進劑。
1919年齊奧爾可夫斯基發(fā)表了論文《太空火箭列車》。這是關于多極火箭的最早的研究。
齊奧爾可夫斯基還寫作過不少通俗介紹火箭與太空飛行的讀物。他一生寫了580篇科學論文與科學幻想作品。不過，他的研究工作，首先是在美國與德國受到重視，外國的研究火箭熱，反過來推動了蘇聯(lián)。到1924年，蘇聯(lián)重新出版了齊奧爾可夫斯基發(fā)表過的論文。
法國人埃斯諾－貝爾特利(RobertEsnault-Peltrie,1881－1957)早期從事飛機的設計與研究，后來轉(zhuǎn)入火箭與星際航行的研究。他獨立于齊奧爾可夫斯基的工作，在1912年發(fā)表了論文《關于無限減輕發(fā)動機重量的可能性的結(jié)果的思考》。論文得到了和齊奧爾可夫斯基相同的結(jié)論。他計算得到火箭逃出地球的速度為每秒11.28公里，即現(xiàn)今說的第二宇宙速度。他并且設計了到達月球、金星與火星的火箭以及飛行策略。
齊奧爾可夫斯基與埃斯諾－貝爾特利的研究工作奠定了航天技術(shù)的理論基礎。
最早在實際上研究設計與制造液體火箭的是美國的戈達德(H.Geddard,1882－1945)與羅馬尼亞人奧伯特(H.J.Oberth,1894－？)戈達德獨立自費研究火箭推進，并且在1919年出版了研究的論著。在1926年3月16日，有四位助手配合，妻子擔任記錄，成功地發(fā)射了液體試驗火箭?；鸺?.5秒時間內(nèi)，升高12.5m，水平飛行56m。1923年他又出版了《深入星際太空的火箭》一書，這本書對后來德國的火箭研究起了很大作用。
奧伯特1922年得知美國的戈達德發(fā)表了《到達極大高度的方法》，寫信索要并仔細研讀。之后寫了論文《飛往星際空間的火箭》。文中他設想了載人火箭的設計方案。之后他將論文擴展成為書，于1929年出版，書名為《通向宇宙之路》。在1928年奧伯特應聘為科學幻想電影《月球女郎》做載人飛船，隨之進行了火箭試驗。1939年第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，奧伯特，被德國當局應征去研究軍用火箭。
在世界上德國的星際航行發(fā)展得最早，在奧伯特的著作影響下，1927年6月5日在德國布萊斯勞成立了德國星際航行協(xié)會，并決定出版刊物《火箭》。協(xié)會在一年間，人數(shù)增加到500人。
布勞恩(WernhervonBraun,1912－1977)1932年畢業(yè)于柏林工學院，1934年獲柏林大學物理系博士學位。1932年在德國陸軍軍械部從事火箭研究。作為第一次大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國，德國不允許發(fā)展常規(guī)武器，于是便在火箭上打主意。從20世紀20年代末德國軍方就組織人員研究火箭。30年代希特勒上臺后，更加緊了火箭的研究。從1933年開始設計火箭。1942年10月3日，成功地發(fā)射了第一枚液體燃料的軍用導彈V－2。后來V－2又經(jīng)過不斷改進，最后它的狀況為：
從1944年起，直到1945年德國法西斯覆滅，德國共向盟國各地區(qū)、特別是英國發(fā)射了V－2火箭3745枚。
德國法西斯覆滅后，美國俘獲了包括布勞恩在內(nèi)的100多名火箭專家、全部V－2火箭的設計資料和少量的V－2火箭及其零件，蘇聯(lián)則俘獲了一批二流專家和一批V－2火箭及其零件。這樣V－2火箭就成為后來蘇、美兩國進行軍用火箭與空間飛行研究的基礎。
布勞恩投降美軍后，到美國陸軍裝備設計研究局工作，后任陸軍彈道導彈發(fā)展處處長。1955年入美藉。先后領導研制成功紅石、丘辟特、潘興等火箭，并用火箭發(fā)射美國第一顆人造衛(wèi)星成功。1960－1970任馬歇爾航天中心主任，1961年任肯尼迪總統(tǒng)的空間事務科學顧問，分管阿波羅工程。美國將人送上月球，就是用的他主持設計的土星火箭。1970年任美國國家航空航天局主管計劃的副局長，1972年辭職?？梢哉f布勞恩的一生，是研制火箭成功的一生。
1957年10月4日，蘇聯(lián)在拜科努爾航天發(fā)射場發(fā)射成功第一顆重83.6公斤的人造衛(wèi)星。它的軌道近地點215公里、遠地點947公里、軌道傾角、周期是96.2分。它在天上運行了92天。這顆衛(wèi)星進行了高空空氣阻力的測量，完成了地面大氣密度的測量等多方面的研究。應當提及的是，蘇聯(lián)宇航火箭總設計師科羅廖夫(Серг?йПавловичКорольов，1907-1966)是畢業(yè)于基輔工學院的空氣動力學專業(yè)。蘇聯(lián)宇航研究的著名力學家謝多夫(ЛеонидИвановичСедов，1907-1999)曾出任國際航天協(xié)會的主席。
在蘇美兩國相繼發(fā)射衛(wèi)星成功后，各國又發(fā)射各種不同應用的衛(wèi)星，如通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、軍用情報衛(wèi)星等。共發(fā)射不同用處的衛(wèi)星數(shù)千枚。
1970年4月24日，中國發(fā)射成功了“東方紅1號”衛(wèi)星，重173公斤。
1961年4月12日，蘇聯(lián)把宇航員加加林(YuriAlexeyevichGagarin,1934－1968)送入地球軌道，運行了108分鐘，開辟了人類進入太空的紀元。
1969年7月16日美國的“阿波羅－11”將三位宇航員送上了月球軌道，其中兩人送上了月球，于7月25日安全濺落在太平洋上。它不僅在組織管理的水平要求是空前的，在技術(shù)方面，還要解決諸如控制問題、通訊問題、材料問題、發(fā)動機技術(shù)問題、以及大量的力學問題（空氣動力學、固體力學、飛行力學）。就以再入大氣所遇到的力學問題來說，就要求解決：再入大氣時的入角大小要合適，過大過小都不行；再入大氣后的數(shù)分鐘內(nèi)，由于大氣的電離層隔斷無線電通訊，要解決飛行器精確自動控制的能力問題；再入大氣后飛行器與空氣摩擦產(chǎn)生的高溫（1000℃以上）問題等。而在所有飛行的各個環(huán)節(jié)中，火箭的條件，包括加速度、溫度都要控制得適合人的生存。
1964年8月19日，美國發(fā)射了第一枚地球同步靜止軌道通信衛(wèi)星。這種衛(wèi)星的特點是：它的繞地球的周期與地球的自轉(zhuǎn)一樣都是24小時；它的軌道嚴格處于地球的赤道平面內(nèi)，且為圓形。通過計算知道，這種衛(wèi)星的軌道高度是35800公里。為此火箭在地面的初始速度必須達到每秒10.43公里。在發(fā)射時，要有十分精確的控制系統(tǒng)。此外，當衛(wèi)星達到赤道平面內(nèi)的橢圓軌道后，還要通過二次點火使軌道調(diào)整到預定的精確位置上。所以同步靜止軌道通訊衛(wèi)星是火箭與衛(wèi)星技術(shù)的新水平。1984年4月8日，我國成功地發(fā)射了一顆地球同步靜止通訊衛(wèi)星，并于4月16日定點成功。
后來率先有美國發(fā)展起來的全球定位系統(tǒng)(GPS)用24顆衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)借以對地球上的目標準確定位。
2003年10月15日中國發(fā)射“神舟5號”載人飛船將航天員楊立偉送上太空。經(jīng)過21小時的飛行安全降落在內(nèi)蒙古草原。
2005年10月12日，中國又發(fā)射“神舟六號”載人飛船將航天員聶海勝和費俊龍送上太空，至10月17日在晨安全著陸。
航天飛行還在發(fā)展，前程無量。
結(jié)語
力學在人類文明發(fā)展中真理戰(zhàn)勝強權(quán)發(fā)揮了舉足輕重的作用，是現(xiàn)代自然科學的領頭學科和基礎，是現(xiàn)代工程的基礎支柱。
如果你打算做一名優(yōu)秀的工程師，那么你應當首先把自己變成力學家。
來源：Internet
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