工程力學是力學的一個新分支,它從物質的微觀結構及其運動規(guī)律出發(fā),運用近代物理學、物理化學和量子化學等學科的成就,通過分析研究和數值計算,闡明介質和材料的宏觀性質,并對介質和材料的宏觀現(xiàn)象及其運動規(guī)律作出微觀解釋。
工程力學的產生
工程力學作為力學的一個分支,是20世紀50年代末出現(xiàn)的。首先提出這一名稱并對這個學科做了開創(chuàng)性工作的是中國學者錢學森。
在20世紀50年代,出現(xiàn)了一些極端條件下的工程技術問題,所涉及的溫度高達幾千度到幾百萬度,壓力達幾萬到幾百萬大氣壓,應變率達百萬分之一~億分之一秒等。在這樣的條件下,介質和材料的性質很難用實驗方法來直接測定。為了減少耗時費錢的實驗工作,需要用微觀分析的方法闡明介質和材料的性質;
在一些力學問題中,出現(xiàn)了特征尺度與微觀結構的特征尺度可比擬的情況,因而必須從微觀結構分析入手處理宏觀問題;出現(xiàn)一些遠離平衡態(tài)的力學問題,必須從微觀分析出發(fā),以求了解耗散過程的高階項;
由于對新材料的需求以及大批新型材料的出現(xiàn),要求尋找一種從微觀理論出發(fā)合成具有特殊性能材料的“配方”或預見新型材料力學性能的計算方法。
在這樣的背景條件下,促使了工程力學的建立。工程力學之所以出現(xiàn),一方面是迫切要求能有一種有效的手段,預知介質和材料在極端條件下的性質及其隨狀態(tài)參量變化的規(guī)律;另一方面是近代科學的發(fā)展,特別是原子分子物理和統(tǒng)計力學的建立和發(fā)展,物質的微觀結構及其運動規(guī)律已經比較清楚,為從微觀狀態(tài)推算出宏觀特性提供了基礎和可能。
工程力學雖然還處在萌芽階段,很不成熟,而且繼承有關老學科的地方較多,但作為力學的一個新分支,確有一些獨具的特點。
工程力學著重于分析問題的機理,并借助建立理論模型來解決具體問題。只有在進行機理分析而感到資料不夠時,才求助于新的實驗。
工程力學注重運算手段,不滿足于問題的原則解決,要求作徹底的數值計算。因此,工程力學的研究力求采用高效率的運算方法和現(xiàn)代化的電子運算工具。
工程力學注重從微觀到宏觀。以往的技術科學和絕大多數的基礎科學,都是或從宏觀到宏觀,或從宏觀到微觀,或從微觀到微觀,而工程力學則建立在近代物理和近代化學成就之上,運用這些成就,建立起物質宏觀性質的微觀理論,這也是工程力學建立的主導思想和根本目的。
雖然工程力學引用了近代物理和近代化學的許多結果,但它并不完全是統(tǒng)計物理或者物理化學的一個分支,因為無論是近代物理還是近代化學,都不能完全解決工程技術里所提出的各種具體問題。工程力學所面臨的問題往往要比基礎學科里所提出的問題復雜得多,它不能單靠簡單的推演方法或者只借助于某一單一學科的成就,而必須盡可能結合實驗和運用多學科的成果。
工程力學的主要內容
工程力學主要研究平衡現(xiàn)象,如氣體、液體、固體的狀態(tài)方程,各種熱力學平衡性質和化學平衡的研究等。對于這類問題,工程力學主要借助統(tǒng)計力學的方法。
工程力學對非平衡現(xiàn)象的研究包括四個方面:一是趨向于平衡的過程,如各種化學反應和弛豫現(xiàn)象的研究;二是偏離平衡狀態(tài)較小的、穩(wěn)定的非平衡過程,如物質的擴散、熱傳導、粘性以及熱輻射等的研究;三是遠離于衡態(tài)的問題,如開放系統(tǒng)中所遇到的各種能量耗散過程的研究;四是平衡和非平衡狀態(tài)下所發(fā)生的突變過程,如相變等。解決這些問題要借助于非平衡統(tǒng)計力學和不可逆過程熱力學理論。
工程力學的研究工作,目前主要集中三個方面:高溫氣體性質,研究氣體在高溫下的熱力學平衡性質(包括狀態(tài)方程)、輸運性質、輻射性質以及與各種動力學過程有關的弛豫現(xiàn)象;稠密流體性質,主要研究高壓氣體和各種液體的熱力學平衡性質(包括狀態(tài)方程)、輸運性質以及相變行為等;固體材料性質,利用微觀理論研究材料的彈性、塑性、強度以及本構關系等。
物質的性質及其隨狀態(tài)參量變化規(guī)律的知識,無論對科學研究還是工程應用都極為重要,力學本身的發(fā)展就一直離不開物性和對物性的研究。
近代工程技術和尖端科學技術迅猛發(fā)展,特別需要深入研究各種宏觀狀態(tài)下物體內部原子、分子所處的微觀狀態(tài)和相互作用過程,從而認識宏觀狀態(tài)參量擴大后物體的宏觀性質和變化規(guī)律。因此,工程力學的建立和發(fā)展,不但可直接為工程技術提供所需介質和材科的物性,也將為力學和其他學科的發(fā)展創(chuàng)造條件。
工程力學的產生
工程力學作為力學的一個分支,是20世紀50年代末出現(xiàn)的。首先提出這一名稱并對這個學科做了開創(chuàng)性工作的是中國學者錢學森。
在20世紀50年代,出現(xiàn)了一些極端條件下的工程技術問題,所涉及的溫度高達幾千度到幾百萬度,壓力達幾萬到幾百萬大氣壓,應變率達百萬分之一~億分之一秒等。在這樣的條件下,介質和材料的性質很難用實驗方法來直接測定。為了減少耗時費錢的實驗工作,需要用微觀分析的方法闡明介質和材料的性質;
在一些力學問題中,出現(xiàn)了特征尺度與微觀結構的特征尺度可比擬的情況,因而必須從微觀結構分析入手處理宏觀問題;出現(xiàn)一些遠離平衡態(tài)的力學問題,必須從微觀分析出發(fā),以求了解耗散過程的高階項;
由于對新材料的需求以及大批新型材料的出現(xiàn),要求尋找一種從微觀理論出發(fā)合成具有特殊性能材料的“配方”或預見新型材料力學性能的計算方法。
在這樣的背景條件下,促使了工程力學的建立。工程力學之所以出現(xiàn),一方面是迫切要求能有一種有效的手段,預知介質和材料在極端條件下的性質及其隨狀態(tài)參量變化的規(guī)律;另一方面是近代科學的發(fā)展,特別是原子分子物理和統(tǒng)計力學的建立和發(fā)展,物質的微觀結構及其運動規(guī)律已經比較清楚,為從微觀狀態(tài)推算出宏觀特性提供了基礎和可能。
工程力學雖然還處在萌芽階段,很不成熟,而且繼承有關老學科的地方較多,但作為力學的一個新分支,確有一些獨具的特點。
工程力學著重于分析問題的機理,并借助建立理論模型來解決具體問題。只有在進行機理分析而感到資料不夠時,才求助于新的實驗。
工程力學注重運算手段,不滿足于問題的原則解決,要求作徹底的數值計算。因此,工程力學的研究力求采用高效率的運算方法和現(xiàn)代化的電子運算工具。
工程力學注重從微觀到宏觀。以往的技術科學和絕大多數的基礎科學,都是或從宏觀到宏觀,或從宏觀到微觀,或從微觀到微觀,而工程力學則建立在近代物理和近代化學成就之上,運用這些成就,建立起物質宏觀性質的微觀理論,這也是工程力學建立的主導思想和根本目的。
雖然工程力學引用了近代物理和近代化學的許多結果,但它并不完全是統(tǒng)計物理或者物理化學的一個分支,因為無論是近代物理還是近代化學,都不能完全解決工程技術里所提出的各種具體問題。工程力學所面臨的問題往往要比基礎學科里所提出的問題復雜得多,它不能單靠簡單的推演方法或者只借助于某一單一學科的成就,而必須盡可能結合實驗和運用多學科的成果。
工程力學的主要內容
工程力學主要研究平衡現(xiàn)象,如氣體、液體、固體的狀態(tài)方程,各種熱力學平衡性質和化學平衡的研究等。對于這類問題,工程力學主要借助統(tǒng)計力學的方法。
工程力學對非平衡現(xiàn)象的研究包括四個方面:一是趨向于平衡的過程,如各種化學反應和弛豫現(xiàn)象的研究;二是偏離平衡狀態(tài)較小的、穩(wěn)定的非平衡過程,如物質的擴散、熱傳導、粘性以及熱輻射等的研究;三是遠離于衡態(tài)的問題,如開放系統(tǒng)中所遇到的各種能量耗散過程的研究;四是平衡和非平衡狀態(tài)下所發(fā)生的突變過程,如相變等。解決這些問題要借助于非平衡統(tǒng)計力學和不可逆過程熱力學理論。
工程力學的研究工作,目前主要集中三個方面:高溫氣體性質,研究氣體在高溫下的熱力學平衡性質(包括狀態(tài)方程)、輸運性質、輻射性質以及與各種動力學過程有關的弛豫現(xiàn)象;稠密流體性質,主要研究高壓氣體和各種液體的熱力學平衡性質(包括狀態(tài)方程)、輸運性質以及相變行為等;固體材料性質,利用微觀理論研究材料的彈性、塑性、強度以及本構關系等。
物質的性質及其隨狀態(tài)參量變化規(guī)律的知識,無論對科學研究還是工程應用都極為重要,力學本身的發(fā)展就一直離不開物性和對物性的研究。
近代工程技術和尖端科學技術迅猛發(fā)展,特別需要深入研究各種宏觀狀態(tài)下物體內部原子、分子所處的微觀狀態(tài)和相互作用過程,從而認識宏觀狀態(tài)參量擴大后物體的宏觀性質和變化規(guī)律。因此,工程力學的建立和發(fā)展,不但可直接為工程技術提供所需介質和材科的物性,也將為力學和其他學科的發(fā)展創(chuàng)造條件。

