近代力学的内容和任务 [复制链接]

第5版()
专栏：

近代力学的内容和任务
钱学森
什么是近代力学？有些同志问：理论力学、量子力学、电动力学、热力学等四大力学是否就是近代力学？还有些同志问：近代力学是否就是专门研究地球卫星和星际航行的？
四大力学不是近代力学，近代力学也不能解决星际航行的所有问题。但是，近代力学和基础学科有密切关系。它需要有四大力学作为基础，而且目前在近代力学方面的工作大部分是为尖端技术服务的。所以，我们对上面两种提法的答复是：不完全对，但是都有道理。
究竟近代力学研究什么？要回答这个问题，我们需要先来对力学的发展过程作一简要的回顾，然后再来谈谈它的内容和任务，同时看看它今后还会有些什么样的发展。
近代力学的任务
近代科学中的力学，如果从牛顿总结出他那著名的三大定律的时候算起，已经有近三百年的历史了。但是，由于牛顿时代的生产还不很发达，力学基本上只是一门属于理论性的学科，它和工程技术没有多大关系。力学开始应用到生产实践中来，那是本世纪初期的事情。这时候，有两个大科学家的名字是值得提出来的：一个是俄国和苏联的科学家茹阔夫斯基，他最先在飞机机翼理论方面作出重要的贡献；另一个是德国的数学力学家克拉茵。他们第一次把基本学科和工程技术结合起来而创造了应用力学；这两位科学家开拓了近代力学的发展道路。
近代力学的一个特点是：它以基础学科为基础，又与生产实践有密切联系，而介乎基础学科和工程学科之间。与基础学科（如数学、物理、化学）相比，它显得更接触到具体问题，而与工程学科相比，它又显得更具有概括性。由于它是用基础理论来解决工程和生产实践中所遇到的问题的，所以它也是理论学科。在近代力学里，把理论和实际紧密结合起来的要求，是十分明显的。我们可以说，近代力学离开了理论基础，就解决不了问题，而离开了生产实践，就将失去其生命力。
从茹阔夫斯基—克拉茵时代算起，近代力学的发展不过五六十年的历史。我们可以看到在这不长的年代里，近代力学已经有了蓬勃的发展，而归根到底，这正是由于近几十年中生产有了巨大发展的缘故。
近代力学的任务，具体说来有三项。第一，为工程师、设计师服务，作他们的助手。在工程师和设计师的工作中，常常会碰到一些新的具体问题，例如设计师设计试制了一台柴油机，试车的结果，发现存在着一种特殊的振动。机器运转的时候有特殊振动产生，应该说这并不是设计师的过错，而是工作中的新问题。设计师有可能自己来解决这个问题，但是在许多情况下，这些新问题可能超出设计师的知识范围。对这些新问题进行分析和研究是力学工作者的责任，分析和研究的依据便是力学理论。力学工作者的工作结果，一般的说是一份建议书（其形式可能是一篇技术报告）。工程师收到这份建议书后，结合工程实际情况，再制定适当的措施。这里我们可以看到，决定采用什么措施的是工程师，力学工作者只是提出建议。这是力学工作者工作量最大的一项。
第二，从工程技术和生产实践所发生的新问题中提炼出具有一般性的课题，作为新的力学理论来研究。实际工作中所遇到的新问题，有一些可以借助于现有的力学理论而很快给以解决，有一些则不能。这些应用现有力学理论难以解决的问题，就成为发展新理论的对象。
对于力学工作者来说，重要的是能否从一系列的具体问题中概括出一般性的理论研究对象，而不在于孤立地去解决一个一个的具体问题。举例来说，设计师会把高速飞行中的气动力加热问题提给力学工作者，这个问题对实现高速飞行的确是不容忽视的。他们也会提出火箭发动机喷管或超高速冲压式发动机的冷却问题，要求力学工作者来帮助解决。所有以上这些具体问题，都是属于同一类型的。用目前研究工作中的术语来说，这是属于“高速高温差附面层”的问题。“高速高温差附面层问题”，是从大量具体问题中提炼出来的概括性很强的理论问题。如果对于这样一个带有普遍意义的理论问题进行研究并获得解决，那么这就不只是解决了个别的具体问题，而且是解决了一系列的问题。
我们回顾这个世纪开始以来近代力学的发展，就是经历了这样一个过程。例如三十年前的气动力学教科书，也许只有一百多页，而目前的气动力学方面的教科书，就可以有一千多页。这是因为近二三十年来在航空、汽轮机、燃气轮等方面提出了许多研究课题，并且得到解决，从而使这门学科增添了新的内容。
但是，一个新理论的建立并臻［zhēn］于完备，总要经过不少的时间，而工程实践中的具体问题往往又迫不及待。在这种情况下，我们也常常看到，工程师并不是单纯地等待力学工作者的研究成果，而是使用经验方法先进行经验设计。例如，土坝的设计，现在是把土坝当作弹性体来处理的。但是，土严格地说并不是弹性体，所以这样的土坝理论是很不完善的；而工程师是靠实践经验和试验数据去修正因理论不完善而产生的误差。
这里说的设计师可以不等待力学工作者的工作结果，照样能解决实际工作中的一些问题，这只是说明实际工程往往赶在理论研究前面，推动理论研究工作，而不是说明理论研究无关重要。就以土坝设计为例，如果土的力学问题真地搞清楚了，工程问题就可以获得更快、更好的解决。
从以上两项任务可知，力学工作者一方面必须深入工程和生产实际，另一方面又必须掌握力学理论，因为他们的主要任务是运用理论协助工程师、设计师解决生产实践中的问题。
第三，力学工作者一方面掌握了生产实践知识，另一方面又掌握了精辟的力学理论，这就具备了创立新的科学见解的条件。所以，从认识自然界的规律，进一步提出新的科学创见，改进工程技术、改造生产，便是第三项任务。
这是一项重大的任务。要满足这个要求，力学工作者需要从研究方法到专门知识，从基本学科到工程学科，进行一番相当严格的锻炼。在这方面我们可以举两个例子。在二十年代的末期，力学工作者对飞机机翼理论的阐［chǎn］明和对流体在表面摩擦阻力的理解，导致了流线形单翼飞机的设计概念，指出这种新设计比当时流行的双翼飞机设计效率高得多，从而指出了飞机设计的发展方向。这个设计概念推动了当时的航空技术的发展，到三十年代中叶终于因全金属薄壳结构的出现而变成事实，完成了飞机设计中的一次革命。另一个例子是超声速飞行。在三十年代末，四十年代初，人们提出超声速飞行可能性的问题。而当时气动力学的工作者就提出了实现超声速飞行的条件，特别是关于翼形的选择及后掠翼的创造，以及计算出发动机功率的要求。这也推动了航空技术的发展，终于在四十年代末出现了超声速飞机。在今天力学之所以对星际航行有这样密切的关系，也是由于近代力学对于这一门崭新的技术能提出设计的概念。例如发射卫星的轨道该是什么样的？星际飞船要能再回返地球是没有升力的还是有升力的？像这一类新的设计概念、新的理论的建立，都是力学工作者的光荣任务。
近代力学的工作方法
这里我们要谈谈近代力学的工作方法。
力学不允许有脱离实际的理论，但这并不是说力学理论里不允许用抽象、概括的方法。例如，实际上刚体是不存在的，但力学里仍然允许使用刚体的概念，这样做了，可以使问题简化。实际工作是否允许作这种简化？我们知道，炮弹不是刚体，但是如果只讨论它的外弹道，把炮弹当作刚体，对弹道特征没有多大影响，所以简化是允许的。同样，无粘性的“理想气体”在客观世界里是不存在的，但在气体动力学的许多问题里，如研究气动压力问题时，引进“理想气体”的概念，可以使问题的计算分析得到简化而不影响问题的大局。这样的抽象、概括在力学中是常用的。当然，脱离实际的随便抽象、随便概括是不容许的。事实上在上面提到的一些例子中，刚体的概念就不能用于炮弹的膛内运动，而在研究飞行器受到的气动阻力时，也不能不考虑到气体的粘性性质。
有些同志说，研究力学，既然是应用基础理论来解决工程实际问题，大概对于数学计算是很注意的。是的，力学工作者是不怕数学计算的。力学计算中不但要在一般原理原则上论证推演，而且要算出具体结果。所以对于数学的方法和演算技巧，力学工作者是很讲究的。但这并不是说，没有高深的数学知识就不能解决问题。事实上有些人不一定懂得微积分，他可以把曲线画在方格上，然后数数方格，求得问题的解答。问题不在于能不能，而在于好不好。用简陋的方法，虽然也能进行复杂的计算，但是太花时间，容易出差错，用高效能的方法就能节省时间，少出差错。所以我们一方面十分重视数学方法，因为它是一个非常有效的研究工具，另一方面又不过高地估价数学方法，它不过是我们计算中的工具。我们不能对数学工具寄予过多的幻想，它不能把本来是没有道理的理论变成有道理。如果你对问题的概念本来就是错误的，那么即使数学工具掌握得再好，数学技巧再熟练，也不能给你多少帮助。
力学工作者还必须掌握实验技术。实验，就是在一定控制条件下进行观察。把某些条件加以控制，是为了更好地弄清楚各个因素之间的相互关系和对具体问题的影响，以免这些因素彼此牵连，找不出问题的症结所在。当实验工作到了一定阶段，你认为数据够了，就进行分析和综合，但往往在综合的时候，又发现数据不够，于是又要再去做实验。分析——实验——分析，再实验，再分析，这便是力学的研究方法。最后还是分析，因为力学是一门理论学科。
计算分析在力学中是很重要的，但仅有这些是不够的。近代力学是理论分析和实验结合的科学，必须会做实验。目前在一些最活跃的力学领域里，如与尖端技术有关的一些部门里，实验工作相当庞大。其实验设备不是一些玻璃管、火漆、橡皮管，而是要用大量钢材和其它材料。从这个意义上说，实验技术也应该给予更多的重视。
要求每一个力学工作者都能掌握计算分析和实验技术，是有一定困难的。因此分工合作就显得更为重要。实际上要解决近代力学的课题，在理论计算方面还需要数学家和计算技术专家参加；在实验方面还需要物理学家、电子仪器和精密仪器专家参加，这就需要有一支相当庞大的研究队伍。
近代力学的内容及其今后发展
近代力学一般分作三个领域：一般力学、固体力学和流体力学。
一般力学这个词，往往容易引起一些混淆，好像是力学通论之类的东西，其实不然。它是从刚体力学发展而来的，主要研究刚体的运动。一般力学中一个比较经典的，也是比较成熟的部门便是振动。虽然振动的理论目前已比较完善，但是由于工程中的许多问题都属于这一类型，其重要性丝毫也没有减低。
这个方面比较重要的发展是非线性振动。所谓非线性振动是指振动物体（机件）所承受的力和变形之间的关系是非线性的，即力与变形之间不是正比例关系，而是曲线关系。转速很高的轴，轴承上的摩擦对振动有影响，这时候出现了非线性振动。这类问题的处理远比线性振动复杂得多。
一般力学中与火箭技术及星际航行有关的，首先是陀螺动力学。陀螺是火箭控制部件中的重要部分。我们知道高速转动着的陀螺（回转仪）有保持其转轴方向不变的惯性，因此如果把回转仪的柜架与箭体固结起来，那么飞行器发生的飞行方向偏斜即可由此得到测量。当然，这不过是一个简单的原理，实际上的陀螺和由陀螺作为主要组成部分的自动驾驶仪是非常复杂的精密仪器，而陀螺的研究及其设计是一个极为重要的问题。其次是飞行动力学。飞行器在推力、空气阻力、重力等一系列力作用下的运动规律如何，当推力改变时对弹道的影响如何等等，这些都是设计飞行器所必须具有的知识。飞行动力学就是解决这个问题的。从这里引伸出来的是星际飞行动力学。在星际航行的情况下，飞行器的活动范围很大。例如图—104飞机的飞行高度不过9至10公里。这可以认为是仍在地球附近进行活动，而宇宙飞行器一飞就是几百公里甚至几万公里。我们知道，在地球附近活动时，飞行器所受地心引力随高度的变化是不很大的，但是在星际航行时，情况就不是这样，这就是星际飞行动力学有别于一般飞行动力学的地方。实现星际航行，要采取什么样的推力系统和什么样的轨道，使有效载重在该推力系统下为最大，这是很重要的问题。解决这样的问题，便是星际飞行动力学的一个任务。
固体力学研究变形体的运动规律。最简单的变形体是弹性体。所谓弹性体是指应变与应力成正比关系的变形体。弹性，是固体中最根本、最简化的一个假设，这个假设在大多数情况下是符合观察结果的。橡皮在一定变形范围内是一个很好的弹性体，这是易于理解的。对于金属构件，实际工程中不允许它们有大的变形，这时候把它们视作弹性体也是许可的。弹性体的固体力学称为弹性力学，它研究弹性体的应力和应变关系。这里有成正比关系的变形，也有突变，后者称为弹性失稳，常见于压杆受力失去稳定而破坏的情形中。
最近我国的许多新建筑里采用了薄壳结构，如北京车站的建筑。薄壳理论是弹性力学的一个分支，采用薄壳结构，有节省材料等许多好处。
固体变形到一定阶段，应力与应变之间不再保持线性关系。而且，即使除去外力，变形也不会完全恢复。研究这个问题的是塑性力学。这种变形是个变化流动的过程，问题远比弹性变形复杂，变形的理论目前也还没有完全弄清楚，虽然在日常生活中我们常常碰到这类变形现象。
塑性力学的一个分支是研究当结构在高温环境下工作时产生的所谓高温蠕［rú］变。例如要设计一个汽轮机叶片盘，蠕滑变形是不能不考虑的。假如要求它有五十年的寿命，那就必须了解它在五十年内的变形。解决这样的问题如果完全依赖实验，那么这个实验得做五十年。工程上要求解决蠕变问题十分迫切，需要从理论上给以解决。
高温结构变形研究的新发展，是在像火箭这样的短寿命的构件方面。火箭的寿命很短，譬如说，只有几分钟。温度很高而寿命又很短，进行实验就有很大的困难。在这里，缓慢加热是不符合实验要求的，而把大量的热量在极短的时间内加到构件上。这种实验中新近有采用电流加热或孤光灯加热的，而这套加热装置所需的能量，是个很大的数字，是一套很复杂的实验技术。
受到气动力作用的火箭外壳，温度可以高达八千至一万度，可以作为上述短寿命高温结构的例子。在这样高的温度下，可以利用一种所谓“烧蚀”的办法，即在火箭壳体外部加一保护层，当火箭因受气动力加热而产生高温时，保护层即被烧掉，从而保护了火箭结构本身。确切地说，这个问题已经超出了固体力学的范围，因为“烧蚀”也是一个化学问题。因此，研究这类问题的固体力学也可以说是化学固体力学。
流体是液体与气体的总称。流体力学研究液体与气体的运动规律。
这方面比较经典的部分是水动力学或不可压缩流体力学。在水轮机船舶、快艇、水翼船的设计计算方面，水动力学有广泛的应用。
飞机飞行时，若飞行速度较低，例如只有声速的一半时，由运动所产生的压力较小。此时可以认为气体是不可压缩的，水动力学的理论也可应用到这个范围。
三十年代的流体力学最活跃的一个分支是气动力学。这里必须考虑到气体的可压缩性。根据气体速度的不同量级，气体动力学问题就有亚声速、夸声速、超声速的区别。
气动力学的模拟实验，是利用风洞进行的，这是把模型固定在风洞的天秤上，让风洞的气流吹过模型，也就像飞行体在空气中飞行一样，在超声速的情况下，要获得风洞里的超声速气流，需要消耗几千到几万瓩或更大量的功率。
一般的超声速，与卫星飞行速度相比，仍是很小的。当卫星进入稠密大气层时，它将以二十倍以上的声速飞行，温度将是几千度乃至上万度。这时必须考虑到在高温情况下气体的分离。区别于一般超声速，这类问题就称为高超声速问题。做高超声速实验，问题将更复杂，实际上目前如何去做这种实验，本身还是一个研究课题。
然而这还只是人造卫星的速度。如果将来火箭发动机改进了，星际航行的速度更提高了，所出现的温度将不只是几千度或一万度，而是二、三万度。这时不只是气体分子分离，而且有原子电离。自由电子和离子的出现，气体将导电而成为所谓物质第四态的等离子体，这样就为流体力学开辟了一个全新的部门——电磁流体力学。它把电磁学和流体力学结合起来，研究导电流体的运动。为了迎接将来更高的速度，现在这个部门的工作是十分活跃的。
流体力学的另一个新发展，是由发动机的设计要求而引起的，它的研究对象是伴随燃烧现象的气体流动。这需要把流体力学和化学结合起来，于是这个分支也就称为化学流体力学。这个方面的研究工作，还开始不久。
还有一个领域也有必要加以发展，这就是把物理、化学和力学结合起来的物理力学。这是因为我们目前常常要处理在极端条件下的力学问题，例如温度很高的情况下的各种物质的性质等。我们知道，在温度不太高的情况下，气体的粘性、导热性等是可以做实验的，而在极端条件下做实验则十分困难。近代物理和化学的发展告诉我们，这些问题，可以用间接的方法加以解决。借助于物理力学的方法，我们可以从分子结构出发，对某些工程材料和工程所用介质进行计算和预测。
以上，我们谈到了近代力学发展中的一些主要问题。在六十年代以后，这门学科还将有些什么样的发展呢？
我们知道，物质除了众所周知的三态以外，还有上面所说的等离子体，即第四态，以及第五态，即在高压下的物态。对于第五态，可以举出地壳深处的物质为例子，在那里物质的分子结构被压破了，其密度显得特别大。天文上观察到的白矮星可以作为第五物态的另一例子，这种天体每立方厘米有近一吨重。对于这种现象，现在的解释是：这种物质受到的压力非常大，使原子的电子层压破了，原子核之间的距离更小，更加密集，所以物质更重了。
随着星际航行的实现和进展，物质第五态力学的研究，今后将肯定地会提到力学工作者的研究日程上来。近代力学在这个世纪的前半叶中的发展是与航空技术分不开的；而近代力学今后的发展也将与星际航行技术的进展唇齿相关。自然，在尖端技术推动下，所发展起来的近代力学反过来又会广泛地促使一切其他工程技术前进，这正是由实践到理论，然后再回到实践这一普遍科学发展道路的又一个实例。