1、力学及其交叉学科在科学技术上的一些应用摘要： 力学不但在经典物理的发展中起到重要作用，也是为数极多的工程技术的基础学科，在力学的指导下或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。在航天航空方面的成就尤为突出，近年来，由生物学和力学交叉而成的生物力学也在起步当中。关键词：力学、学科交叉、应用、航空航天、生物力学一、引言力学是中古老的自然科学的一个分支，最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验十六世纪到十七世纪间，伽利略、牛顿奠定了动力学的基础，而后在很多科学家的研究与推广下，终于成为一门具有完善理论的经典力学。力学是众多应用科学特别是工程技术的基础。20 世纪，力学在推动地球科学，如大气物理、海洋
2、科学等的过量化方面做出了重要贡献；近年来还在材料学、医学、生物学等科学分支中起着越来越重要的作用。同时相关的交叉学科和边缘学科对力学的发展起到重要的作用和影响，力学学科本身得到了大大的丰富。二、力学及力学的交叉学科在航天航空航技术上的一些应用2.1.空气动力学在航天技术上的应用和发展空气动力学是研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化。是在流体力学的基础上，随航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。20 世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体
3、力学在实验和理论分析方面的发展。以儒科夫斯基、恰普 雷金、普朗特等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定了它指导工程设计的重大意义。空气动力学的发展经历了低速、高速、新变革三个时期。环量和升理论的建立，坚定了低速飞机的设计基础，使重于空气的飞行器成为现实；40 年代中期到 50 年代，可压缩气体动力学理论迅速发展，特别是跨声速面积率的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破“音障” ，实现了跨声速和高声速飞行。50 年代以后，开始了超声速动力学发展的新时期,
4、到 1961 年第一颗人造卫星升空，标志着空间时代的到来，美苏两国开始致力于发展地面模拟设备和开展高声速动力学和空气热力学的研究。航天方面的重点放在空间飞行器防热，高超声速巡航和再入飞行器气动力和推进系统问题，特别是如何客服由于高声速飞行和弹头再入大气层，严重气动加热引起的热障问题。航空方面的重点则放在了高性能作战飞机、超声速客机、垂直短距起落机和变后掠翼飞机上。这一时期空气动力学方面的一项重要成就，是“超临界机翼新概念”的提出，它可以显著地提高机翼的临界 M数。70 年代后，脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用是空气动力学的又一重要成果。时至今日，航空航天器的性能仍在提高，空气动力学也在继续
5、发展。新一代的空天飞行器发展面临许多空气动力学问题，其中较为关键的问题有可压缩湍流、非定常流动分离和漩涡、高超声速流问题、气动光学和气动声学、低 Re 数流动与微流体、力/热/电磁多场耦合和气动/隐身协同优化、空气弹性与流-固耦合效应。这些都是未来空气动力学发展的新动向。2.2.计算流体力学在航天器研制方面的贡献计算流体力学（CFD）是从 20 世纪 50 年代开始的随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科，主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。从上世纪初开始，就有一些先驱者开始探讨数值计算方法求解流动问题，他们在
6、计算方法上的研究，尤其是偏微分方程理论的发展为后来的计算流体力学奠定了坚实的理论基础。到上世纪 60 年代以前，计算流体力学还很难运用到气动构型的性能分析中，直到 60 年代计算机发展到了一定的程度，人们开始用面元法对飞机的单独部件进行分析，而后又发展出了更多计算方法来解决飞行器研制中的流动问题。CFD 在航空航天领域的应用为航天事业的发展做出了很大的贡献，在 19 世纪 70 年代，计算技术落后，而非线性的偏微分方程难以求得解析解，飞机设计主要依赖风洞的实物试验来求得所需的数据，比如 YF-17 的研制，在风洞中试验了 13500 个小时； 80 年代，随着数学模型的不断完善和计算机计算能力
7、不断不提高，已经可以采用电脑模拟流场的方式来取代部分空气动力学实验，也就是计算流体力学已经能代替部分风洞实验，比如 YF-23 的研制，用了风洞实验 5500 个小时和 CFD计算 15000 机时；90 年代，在飞机的研制中 CFD 已经是主力，而 2000 年后，CFD 计算取代了大部分的风洞实验，在波音 787 的研制中，仅用了三次风洞实验，如今 CFD 已经在航空航天领域发挥着不可取代的作用了。当今计算流体力学面临的挑战及主要任务有多尺度复杂流动的数学模型化（包括湍流的计算模型、转捩预测模型、燃烧机化学反应模型、噪声模型等）；可处理间断和多尺度流场高分辨率、强鲁棒性、高效数值方法（高精
8、度激光捕捉法、间断有限元法等）；可处理复杂外形、易用性强的方法（其挑战在于复杂外形带来的大量网格计算，可用多块分区算法、无网格法、粒子算法等）。2.3 航天器损伤评估和安全管理中多尺度力学起重要的作用多尺度力学是当代科学技术发展的需求和前沿，其核心问题是多过程耦合和跨尺度的关联，多尺度科学即是研究各种不同长度尺度和时间尺度相互耦合现象的科学，可以解决一些跨尺度的问题.在流体力学中，流体湍流里不同尺度的涡相互作用构成复杂的流动图案，它们具有不同的物理机制却又相互耦合；在固体破坏中，不同尺度的微损伤相互作用产生更大程度上的裂纹导致材料破坏。多尺度力学的研究对象涉及分子尺度到连续介质，它不仅涉及经典
9、力学还涉及量子力学，多尺度力学的研究方法是动力系统和统计力学的结合，它涉及到当代科学论的突破。在多尺度的力学分析方法中，比较典型的有宏观细观平均化计算方法和材料强度统计计算方法。目前，对多尺度力学的个案处理已有了一定的进展，多尺度力学的发展有可能推动力学走向自然科学和技术科学的新前沿。力学和材料、机械等学科交叉在一起参与到航空航天高技术领域去。从莱特兄弟首飞成功，到2013 年嫦娥一号接轨成功，航天航空技术已发展了百余年。航天器正常运行的前提条件是保障它的安全，发生航天事故给国家带来巨大的损失造成宝贵人才的死亡。航天器的安全性涉及到材料、元件、器件、子系统、系统和整机 6 个层次，而航天器的损
10、伤起源于材料的微损伤这一最底层，损伤从原子层次到整机层次的在多个尺度层次上的演化诱致了整体的破坏，问题就在于需要把通过各类模拟传感和诊断系统得到的数据,通过给予科学理论的预测算法,变成可供工程决策的技术建议.而问题的本质表现为多尺度,只考虑单个尺度某个物理机制，不可能描述整个系统的复杂现象。灾难破坏预测就需要多尺度计算方法在力学上的应用，但对于现有的力学概念和理论来说，这是一个强有力的挑战，所以需要发展新的力学工具和理论，来满足航天和航空器的安全性和减少突发事件的实际需求，而力学也正在这种需求的推动下发展。空间环境是复杂多变的，诸多宏观和微观的因素都会对航天器造成损伤甚至是灾难.比如由物质在较
11、低层次上发生的微结构转换所触发的强耦合级串所最终导致的突发性整体灾变。哥伦比亚号事件就是其中的一例， 2003 年哥伦比亚号航天飞机在起飞 82 秒后，一块泡沫脱落击中其右翼，使其炭隔热保护层受损，最终导致该航天飞机解体,该事故的调查委员会在最后的调查报告中认为，美国航空航天局目前所采用的系统元件的技术，是不能充分认定增强的碳碳复合材料结构的整体性的，由此可以看出，需要更好的力学工具和理论来认定航空材料的整体性。除此之外，近年来，航天器的新材料层出不穷，除了基于晶体和晶粒的新型金属和非金属材料和各类复合材料以外，非晶金属玻璃、纳米材料等也开始为航天器所使用。所以要求力学从对均匀介质的描述，扩展
12、到对细观乃至微观非均匀材料力学行为的描述。比如块体金属玻璃，这是一种原子层次排列无序的新型材料，这种材料有助于阐明太阳高能子的起源，但是它极容易以剪切带的形式失效。这类特有的损伤方式的损伤演化问题跨越了几个空间尺度，而且不同时间的耦合是判断此类剪切带出现的关键环节.要更有效地预防这样的灾变，在航天器的损伤评估和安全管理中发展多尺度计算方法在力学上的应用是必不可少的。三、力学在生命科学学科上的一些应用生物力学 （biomechanics ）生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学
13、研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。生物流体力学包括宏观流体力学和微观流体力学两大类。前者包括生物系统运动的生物力学、生物流变学、生物组织的材料力学、生物系统外部和内部流体力学、生物系统结构静力学和动力学；后者有细胞、细胞器及其构成的蛋白质等大分子的力学性质和力学行为等。3.1.固体力学在生物上的问题生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。生物固体力学的早期工作主要是研究人骨的力学性能，从 RANBER 在1876 年测定骨的弹性和强的算起，已有一百多年的历史。近二十年来，生物固体力学才真正取得一系列重要研究进程。骨骼作为
14、生物体上具有一定刚性的材料，起着构架和支撑的作用。在生物体存活期间，几乎无时无刻都处于受力状态，因此和一般结构材料一样，也有强度、变形、稳定、疲劳等要求。这些力学指标，一旦超过了限度，就会造成灾难性的后果.起初人们只给出了一些力学上的解释和应用，直到近 50 年，关于骨力学性能的研究才有了一个长足的进展,对骨骼的力学性质也有了许多理论与实践研究，如组合杆假设，二相假设等，有限元法、断裂力学以及应力套法和先测弹性法等检测技术都已应用于骨力学的研究。人们遵循一般工程结构材料的力学概念和途径。对不同生物体的骨进行了强度、弹性模型，泊桑比等力学性能的试验和分析，积累了相当可观的资料。绝大多数研究者都倾
15、向于把人的皮质骨视为可以用五个材料常数描述的横观各向同性材料并用通常研究工程所用的方法测定了人骨的弹性模量。 一条肌肉两端连接两个不同的骨，两个骨之间由关节连接。力学上分析骨时，常把不同部位视为连杆体系，而肌肉的作用简化为一唧筒或弹簧。力学在骨科临床上的应用在医学部门算是比较多的了，比如用牵引术治疗病人的骨折的时候，外加力 W 通过滑轮将患者从下腿部拉伸以缓解骨折处在肌肉收缩力作用下产生的应力集中，使骨组织在不受压迫的环境下愈合再生，而吊重 W 的极限值可以通过公式= A （2） 算出，这里 =350kpa 为肌肉的极限抗张强度，A 为骨折面的肌肉截面积。再比如通过受力分析 和计算可以得出相对
16、于单脚站立，手杖可以使脚板离开成年人人体中心线的 6.5cm，可以得出拄扶手仗使髋外展肌和股骨头的受力都有明显的减小，对于髋部手术的人的术后愈合起到重要作用。除此之外；静力平衡分析腰椎受力帮助了治疗腰椎疼痛病变患者，关节退行性变的力学分析来帮助治疗腿部和膝关节的病患，这样的例子还很多，由此可见，固体力学在骨骼上的应用在医学方面带来了有效的帮助。3.2.生物流体力学生物流体力学这一术语是 George Bugliarello 引入的，他将其定义为“用流体力学来研究各种生命学科中的生物流动，包括基础研究和应用研究” 。生物流体是指植物生理液体和动物生理液体，目前大多数生物流体流动规律还不清楚，只有
17、少数流动（如植物体内水分的蒸发，部分血液的流动）大体搞清楚。生物立体力学中，由于介质种类繁多、特性各异，因此研究方法也随介质的不同而不同。一般介质可分为连续介质和非连续介质，对于一般介质来说，可以采用传统流体力学的研究方法。如：常用的拉格朗日法和欧拉法处理；非连续性介质的研究方法比较复杂，因此在解决一些问题时常认为流体是由流体质点毫无空隙的聚集在一起、完全充满所占空间的一种连续介质，也就是引入连续介质的概念。生物流体力学的研究对象复杂多样，可分为两类：一类指的是生物体内流体流动；另一类指的是外部流体对生物体运动的影响，其特点是流体力学和固体力学的密切结合，比如人体生理流动总是以软组织为其边界；
18、力学过程同物理和生化过程联系；流体动力通细胞生长相关。生物流体力学研究问题主要分布在以下两方面：以昆虫飞行和鱼类游动为研究对象的仿生力学研究和以血管、心脏和大脑中血液为研究的血液动力学研究。前者的研究目的有生物学家需要了解飞行和游动的力学效应对生物的生理学、生态学、动物行为及其进化的相互影响。工程技术专家要利用仿生力学的研究成果改进人造机器。后者的研究获得了各种典型性心脑血管疾病的血液粘弹性指标和触变性指标。这些研究的继续会很大的造福人类。参考文献郑哲敏，周恒，张涵信，黄克智，白以龙 ，1996，21 世纪初的力学发展趋势，力学进展，1996 年 01 期杨敏，陈海秋，2005，航空航天综合多
19、学科交叉与技术是力学发展的源动力，力学进展，2005 年 01 期林颖,梁彬 ，2010 ，对空气动力学发展的研究，价值工程， 2010 年第 36 期：227 页范绪箕，董葳，2004，计算流体力学在飞行器研究中的应用， 民用飞机设计与研究，2004年 第 4 期 崔尔杰，2005，空天技术发展与现代空气动力学，力学进展，第 35 卷第 2 期John D.Anderson.Jr，2004，计算流体力学入门，清华大学出版社白以龙，许向红，夏蒙棼 ，柯孚久 ，2006，航天器损伤评估和安全管理中多尺度力学问题，2006 年 10 月第 38 期第五卷;249 页252 页何国威， 夏蒙棼 ，柯孚久 ，白以龙，2004，多尺度耦合现象：挑战和机遇，自然科学进展，2004 年 02 期冯元桢，1993，生物力学，北京科学出版社崔京浩，徐凡力，王志浩，陈肇元，1996，骨骼生物力学，工程力学，增刊：88 页107页 Alfred L Copley ，严宗毅，1992， 流体力学与生物流变学，力学进展，1992 年 02 期1 2 刘人怀，王璠，2001，浅谈我国生物力学的研究近况（综述），暨南大学学报（自然科学版），第 22 卷第 1 期1 3 陶祖莱， 孟庆国 ，2000，关于我国生物力学发展的几点意见，力学进展，2000 年 03 期
