现代力学与其他学科结合的情况简介

AaronSpark

作者：何伟 （现就读于 美国 加州大学伯克利分校土木工程系）
摘 要 本文主要介绍了现代力学与其它学科间结合的情况，特别是讨论了力学与材料科学、计算机科学、生物工程等学科领域的结合，分别介绍了复合材料力学、细观力学、计算力学、生物力学等交叉学科的基本情况，以及正兴起的微机电工程对力学的新的要求。
关键词：力学，结合，材料科学，计算机科学，生物工程，微机电工程,
力学是一门古老的学科，兼具技术科学和基础科学的属性，它既为工程设计和发展生产力服务，也为发展自然科学服务。特别的，作为一门技术科学，现代力学已经在许多工程领域发挥着重要的作用，如航空航天工程、造船工程、机械制造、土木工程、材料科学与工程、微电子技术、生物工程等。可以说力学对工业的进步具有先导作用，而工业也带动了力学学科的发展。\Fr5F
随着在其它领域中应用的不断深入，现代力学与其它学科不断结合，形成了一些新的交叉学科，这也是现代科学发展的一个普遍现象。现代科学研究呈现出两个有趣的特征。一方面，科学发展使得原有的学科不断裂变成各有特色的专门学科；另一方面，不同的学科却可能围绕某一共同点形成交叉学科。这种不断分化和组合的态势是科学发展的特征之一。这里主要谈一谈力学与材料科学、计算机科学、生物工程等学科领域的结合。
材料科学领域在本世纪末期出现了百舸争流的繁荣态势，涌现出了一批新技术材料，以适应各种高技术发展的要求，而研究这些新材料的力学性能的任务落在了材料科学与力学工作者的身上。例如，复合材料由于具有比重轻，刚度大，强度高的优异力学性能而被广泛地应用。特别是纤维增强型复合材料正在快速地替代传统材料，这是因为纤维状的材料具有特殊的性能。将具有优良性能的纤维与互补的基材料相结合，能够制造出高性能的复合材料。要进行力学的分析和测试，来了解两种主要材料间的相互作用，从而有效地使用每一种材料。如何选取各相材料和它们组合方式使得合成的复合材料性能最优是最基本的问题。对于这样的问题，由于材料科学与力学都无法单独解决，从而推出了复合材料力学这一新的研究方向，它的目标是从力学工作者的角度考察、分析、阐明乃至指导设计复合材料的变形和破坏行为。另外，各种材料内部初始就可能有宏观或细观缺陷，需要对受载后缺陷的演变过程进行尽可能详细的研究，从而在此基础上建立材料从损伤到疲劳、破坏的理论模型。这种研究导致了细观力学这一分支的形成，缺陷与强度是它关心的核心问题。
计算机科学无疑是近年来极具活力的一门学科，计算机功能的日新月异的发展对其它学科的发展产生了巨大的推动作用，力学也不例外。大容量、高速计算机的出现为我们进行大量、复杂的计算提供了物质依据，促进了计算力学这一分支的形成，它横贯各力学分支，有力地推动了力学的现代化。有限元法就是在固体力学和结构力学的基础上发展起来的，对整个工程界都产生了重大的影响。现代工程问题中的非线性有限元计算尽管仍然很昂贵，需要大量的存储和处理时间，然而同实验的费用和设计不当造成的后果相比，即使很冗长的计算的花费也都是值得的。显然，计算机性能的改进为计算力学的发展提供了广阔的空间，使过去受制于物质条件而不能进行的工作能够得以完成。然而这并不是说一切工程上的问题都能迎刃而解了，这里仍然需要改进计算方法的效率，以便使它们能够应用到更多的实际问题中去。毕竟现有的计算机水平提供的计算能力并不是无限的，这种矛盾在设计和检验一些超大或特殊的结构（如东方明珠）时尤为明显。现在，计算的方法正与固体力学中解决问题时常用的解析的和实验的方法想结合，有效地提高了效率和精确性，这仍然需要力学专家的参与。计算要想真正成为应用于工程的手段，必然要求大规模的计算力学程序系统，要求成熟、方便甚至是智能化的计算力学软件，这些都需要力学和计算机科学相互协作，共同推动计算力学这门分支在实践中发展。
作为另外一门交叉学科，生物力学则反映了力学与生物工程领域的结合，它为血液流动、骨骼运动与受损、心脏的运动提供了精确的描述，这为我们设计人造脏器提供了理论依据。要了解有生命的有机体的生物力学功能需要力学的知识，我们必须要有生物力学模型来模拟实际的生理条件。因此，首要的任务是建立能描述生理材料在不同的生理条件下的变形行为的精确、可靠的本构方程。这使得生物力学研究的工程问题要比一般的力学问题难度更大。而且，由于大部分生理学中的材料都是非线性的，因此生物流体力学和生物固体力学问题也主要都是非线性的。另外，大部分的生物系统都是非常复杂的，通常都需要考虑肌体不同部分之间的相互作用问题，以便能够了解整个系统的行为。例如，要了解身体任一部分的运动都要求了解肌肉、骨骼、关节和中枢神经系统的相互作用。这也使问题大大复杂化。
最后要提到的是力学与微电子机械工程领域的结合，这是一门崭新的学科。微机电系统集合了微传感器、驱动器、微型计算机和信号处理器，根据指令来执行特定的功能。这里微型机器的尺寸都是在几个到几百个微米量级，系统的动作幅度则在几个到几百个纳米量级。这种机器的设计、制造，以及纳米量级的运动的测量与控制无疑将把21世纪的技术推进到一个新的高度。这不仅是对机电工程与计算机技术的挑战，也是对现代力学的挑战。众所周知，连续介质力学理论不再适用于研究亚微米量级的材料体的运动，同样，量子力学也不再适于研究在纳米尺寸区域内的运动。应用力学专家们正在发展适用于微粒的新的力学理论，这涉及到多种细观力学研究课题，或许我们可以期待在不远的将来一门新的交叉学科会在这里诞生。
力学与其它学科的结合还有很多范例，众所周知，力学与土木工程学科的结合可以说由来已久，无论是盖一座普通的住宅楼，还是建造高层建筑、高耸的电视塔或大跨度的桥梁，其中的力学问题都是关注的核心问题。
力学它之所以有如此强的渗透力是因为作为一门基础技术学科它有着研究对象的普遍性、数学的高介入性、研究结果的精确性以及研究方法上的独特性这些优势决定的。而力学与其它学科在研究命题、研究方法和应用对象上的结合导致了交叉学科的萌生，这种结合为力学的发展注入了新的活力。

yaolonghe

好贴，对思路的展开有借鉴意义。