力学与工程:一名优秀的工程师首先是力学家(5)

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大型汽轮机转子

原有的工程类别，由于基础研究的指导，产生了质的变化，如建筑，从1875年芝加哥开始的高层结构，1859年开始的钢铁造船，1867年开始的钢筋混凝土结构。

芝加哥的高层建筑

我们再举两个例子，说明力学对工程的影响:

一个例子是在1940年建成的美国的西北部一座吊桥，长853.4m的塔科姆 (Tacoma) 大桥，建成后不久，由于同年11月7日的一场不大的风(仅每秒19m)引起了振幅接近9m的“颤振”，在这样大振幅振荡下结构不一会便塌毁了。

在此之前，设计工程师没有流体力学的知识，他们以为风这样吹来的时候，风激起的桥的振动是沿着风的方向振动，即顺着风向来振动。那么桥这么宽，这个刚度足够大，没有问题。他没有想到桥会垂直于风向振动，即垂直于来流的方向来振动。这个事情就是当时的工程师缺乏流体力学的训练。经过这一事实的教训，现在设计这种吊桥，全部必须要有流体力学方面的计算和实验。著名的力学家冯卡门就参加了这个桥的风洞实验，在用桥的模型，在风动洞里头吹风，然后来论证他能够承受多少级风。这就是由于力学的发展，在土木结构的设计中必须考虑新的因素的一个例子。

被风吹垮的塔科姆 (Tacoma) 大桥

另一个例子是复合材料力学的诞生。人类早期应用的复合材料有麻刀、钢筋混凝土等。20世纪七八十年代在冶金和力学指导下，产生了纤维金属合成板。被大规模应用于航空航天工程中。

为了提高这种材料的性能，需要解决诸如界面强度问题、多尺度多层次的优化问题以及加工等一系列力学问题。于是迅速形成了一门新学科--复合材料力学。

单向碳纤维--网状碳纤维和环氧树脂--玻璃纤维内层

撑杆跳高用的复合材料撑杆

就以撑杆跳高用的撑杆来说。仅仅由原来的木杆，到1910年采用竹竿，到1960年之后采用复合材料杆，跳高的记录就提高了一倍还要多。

奥运撑杆跳高记录

因之，可以说由于近代力学的发展，使整个工程领域获得了新生、面貌一新。由于这些新的工程面世，改变了人类的社会生活方式、劳动形式和社会结构。

三、20世纪最伟大革新与力学

人类进入20世纪，新的发明不断浮现，这些新的发明形成新的工程领域。其中，最为伟大的新的工程，对人类的生活影响至关深远的领域有以下六个方面:核工程(包括原子弹，原子能发电，氢弹，和核聚变能源的研究)、半导体工程(包括后来的大规模集成电路)、计算机和新的信息产业(包括智能手机、数码相机、笔记本和放送技术等)、航空工程、航天工程、遗传基因工程。

以上这六个领域，无一例外，都是基础学科指导下产生的新工程。如核工程和半导体工程是物理学指导之下产生的新工程;计算机是在数学和电子学指导之下产生的新工程;而遗传工程则是在生物学指引下形成的工程;航空工程、航天工程则完全是在力学指导之下产生和发展的新工程。

值得关注的是，在航空、航天这两个领域之外的四个新工程领域，力学虽然不是关键学科，但这些新工程领域拥有许多关键技术问题需要力学介入，有些领域，力学问题还是具有十分重要和决定性的。例如，核工程要求提炼铀235到一定浓度，其关键技术不管是离心还是扩散法，都是和力学有关的技术。世界第一台计算机的研制，就是为解决弹道这种力学问题的计算大量重复性计算来服务的，计算机投入使用后，为适应最大量的计算，适应各种各样的计算力学问题的需求来不断改进的。

现在我们就航空和航天两个领域的发展和力学的关系来简要地进行回顾:

航空方面:

1903年12月17日，莱特兄弟第一次实现了人类飞行的梦想。开辟了航空时代。

人类对飞行的向往是源远流长的。一般通俗地介绍航空历史的书上，只提到飞机的发明是两个卖自行车的莱特兄弟完成的。这给人一个错觉，似乎飞机是他们心血来潮的幸运所得。其实航空的产生和发展是人类世代前赴后继奋斗和积累的结果，其中首先是力学家研究贡献，在莱特兄弟之前，至少应当提到三位科学家的力学研究。

文章来源：《工程力学》 网址: http://www.gclxzz.cn/zonghexinwen/2020/1018/373.html