【产学研王教授视点】引言：力学——科技大厦的基石架构

力学，作为自然科学中历史悠久且基础深厚的学科，犹如科技大厦的基石，支撑着从古老建筑到现代航天器等各类工程奇迹的诞生。从古代工匠凭借简单力学原理搭建宏伟宫殿，到如今科学家运用先进力学理论设计高超声速飞行器，力学始终在人类探索自然、改造世界的进程中发挥着关键作用。

我国力学学科伴随着国家工业化进程和科技创新战略不断蓬勃发展，已形成涵盖基础理论、应用技术、交叉前沿等多个层面的完整学科体系。它为传统工程领域提供坚实的理论支撑，在新兴科技浪潮中不断拓展边界，与材料、信息、生物等学科深度融合，孕育出一系列具有重大影响力的科研成果。接下来，让我们一同深入我国力学类学科的丰富世界，探寻其发展脉络与独特魅力。

一、基础力学学科：构筑力学理论的坚固根基

（一）理论力学

理论力学是力学学科的基础，主要研究物体机械运动的一般规律。它以牛顿三定律和达朗贝尔原理为核心，通过静力学、运动学和动力学三个部分，系统阐述物体在力的作用下的平衡与运动规律。

在静力学领域，研究物体在力系作用下的平衡条件，分析各种复杂力系的简化方法与平衡方程的建立。在大型桥梁设计中，工程师运用静力学原理计算桥梁在不同荷载组合下的受力情况，确保桥梁结构的稳定性与安全性。运动学专注于描述物体的运动状态，包括位移、速度、加速度等物理量的变化规律，不涉及力的作用。通过运动学分析，精确预测物体的运动轨迹，为机械臂的运动规划、卫星的轨道计算等提供理论依据。

动力学作为理论力学的核心部分，深入探讨物体受力与运动之间的因果关系。拉格朗日方程和哈密顿原理等分析力学方法，为解决多自由度、复杂约束系统的动力学问题提供了有力工具。在航天领域，利用动力学理论计算航天器在轨道运行过程中的姿态调整和轨道转移，确保航天器能够准确抵达目标位置。

（二）材料力学

材料力学聚焦于构件在外力作用下的强度、刚度和稳定性问题，是工程设计中不可或缺的关键学科。它通过研究构件的应力、应变分布规律，为构件的合理选材、尺寸设计和结构优化提供理论指导。

在应力分析方面，材料力学采用截面法、叠加原理等方法，计算构件在不同载荷形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等）下的内力分布，进而确定关键部位的应力大小。在机械轴的设计中，通过材料力学分析计算轴在扭矩和弯矩共同作用下的应力状态，确保轴在满足强度要求的前提下具有合理的尺寸和重量。

刚度分析则关注构件在外力作用下的变形程度，通过计算构件的位移、转角等变形量，评估构件是否能够满足使用过程中的精度和稳定性要求。在精密仪器制造领域，对仪器支架的刚度要求极高，材料力学为支架的结构设计提供了精确的刚度计算方法，保证仪器在运行过程中的稳定性。

稳定性分析是材料力学的重要研究内容之一，主要针对受压构件，研究其在轴向压力作用下发生屈曲失稳的条件和临界载荷。在建筑结构中的柱子、桥梁的桥墩等受压构件，材料力学通过稳定性分析确定其安全承载能力，防止因失稳而导致结构破坏。

（三）弹性力学

弹性力学是研究弹性体在外力、温度变化等因素作用下产生的应力、应变和位移分布规律的学科，它以连续介质力学为基础，采用更精确的数学方法描述弹性体的力学行为。

弹性力学通过建立平衡微分方程、几何方程和物理方程，构成描述弹性体力学问题的基本方程组。在求解方法上，弹性力学发展了应力函数法、位移函数法、变分法等多种解析方法，以及有限元法、边界元法等数值方法。

在工程应用中，弹性力学为解决复杂结构的力学问题提供了精确的理论模型。在航空发动机叶片的设计中，叶片在高速旋转和高温环境下承受复杂的载荷，弹性力学通过精确计算叶片的应力、应变分布，优化叶片的形状和尺寸，提高叶片的疲劳寿命和可靠性。在土木工程领域，对于大型地下洞室、深基坑等复杂工程结构，弹性力学为评估其围岩稳定性和支护结构受力提供了科学依据。

（四）流体力学

流体力学是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科，涵盖流体静力学、流体动力学等多个分支。它在航空航天、能源动力、海洋工程、环境科学等众多领域具有广泛的应用。

流体静力学主要研究流体在静止状态下的力学性质，如压力分布、浮力原理等。帕斯卡定律和阿基米德原理是流体静力学的核心内容，在船舶设计、水利工程等领域有着重要应用。船舶工程师利用流体静力学原理计算船舶的浮力和稳定性，确保船舶在航行过程中的安全。

流体动力学则关注流体在运动状态下的力学行为，研究流体的速度场、压力场、剪切应力场等物理量的变化规律。伯努利方程是流体动力学中的重要方程，它揭示了流体在流动过程中能量守恒的关系，在管道输送、机翼升力计算等方面发挥着关键作用。在航空航天领域，飞机机翼的设计充分利用了伯努利原理，通过机翼上下表面的压力差产生升力，使飞机能够在空中飞行。

随着计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）成为流体力学研究的重要手段。CFD通过数值方法求解流体力学基本方程，模拟复杂流体的流动现象，为工程设计提供精确的数值模拟结果。在汽车空气动力学设计中，CFD技术可以模拟汽车在不同行驶速度和工况下的空气流动情况，优化汽车的外形设计，降低风阻系数，提高燃油经济性和行驶稳定性。

二、应用力学学科：驱动工程创新的强劲引擎

（一）固体力学

固体力学作为力学学科中与工程实际结合最为紧密的分支之一，研究固体材料在各种外力、温度和环境因素作用下的力学响应和破坏规律，在机械制造、土木工程、航空航天等领域发挥着核心作用。

在机械制造领域，固体力学为机械零部件的设计、制造和可靠性评估提供理论基础。在齿轮传动系统中，固体力学通过分析齿轮在啮合过程中的接触应力、弯曲应力等，优化齿轮的几何参数和材料选择，提高齿轮传动的效率和寿命。在航空发动机的涡轮叶片制造中，固体力学研究叶片在高温、高压和高速旋转条件下的热应力、机械应力耦合作用，确保叶片在极端工况下的安全运行。

土木工程中，固体力学是结构设计和安全评估的关键学科。对于高层建筑、大跨度桥梁等大型结构，固体力学通过建立精确的力学模型，分析结构在地震、风荷载等自然灾害作用下的响应，优化结构的设计方案，提高结构的抗震、抗风性能。上海中心大厦在设计过程中，固体力学专家运用先进的数值模拟方法和实验技术，对大厦在不同地震工况下的动力响应进行深入研究，确保大厦在地震发生时能够保持结构稳定，保障人员生命安全。

（二）流体力学工程应用

流体力学工程应用将流体力学基本理论与工程实际紧密结合，在能源、交通、环境等多个领域推动着技术创新和产业升级。

在能源领域，流体力学在石油开采、天然气输送、风力发电等方面发挥着重要作用。在石油开采中，通过研究多孔介质中流体的流动规律，优化采油工艺，提高石油采收率。采用注水、注气等增产措施时，流体力学可以帮助确定最佳的注采参数，使流体在油层中更有效地驱替原油。在天然气输送管道设计中，流体力学用于计算管道内的压力损失、流量分布等，优化管道的布局和尺寸，降低输送成本。风力发电领域，流体力学研究空气在风轮叶片上的流动特性，优化叶片的气动外形，提高风力发电机的发电效率。

交通工程中，流体力学为车辆空气动力学、船舶水动力学、铁路隧道通风等研究提供理论基础。在汽车设计中，通过优化车身外形，降低空气阻力，提高燃油经济性和行驶稳定性。在船舶设计方面，流体力学研究船舶在航行过程中的阻力、推进性能等问题，设计出更节能、高效的船型。铁路隧道通风设计中，流体力学模拟隧道内空气的流动和污染物扩散情况，确保隧道内空气质量符合标准，保障乘客和工作人员的健康。

环境科学领域，流体力学在污水处理、大气污染扩散、海洋生态保护等方面具有重要应用。在污水处理过程中，流体力学研究污水在处理设备中的流动和混合特性，优化处理工艺，提高污水处理效率。大气污染扩散模拟中，流体力学模型可以预测污染物在不同气象条件下的扩散范围和浓度分布，为环境管理和污染控制提供科学依据。在海洋生态保护方面，流体力学研究海洋中的水流、波浪等对海洋生物生存环境的影响，为海洋生态系统的保护和修复提供技术支持。

（三）动力学与控制

动力学与控制学科融合了力学、数学和控制理论，研究系统在动力作用下的运动规律以及如何通过控制手段实现对系统运动的精确调控，在机器人技术、航空航天、车辆工程等领域发挥着关键作用。

在机器人技术中，动力学与控制用于研究机器人的运动学和动力学模型，设计机器人的控制算法，实现机器人的精确运动和操作。工业机器人在生产线上的抓取、搬运、装配等任务，需要精确的动力学模型和控制算法来保证机器人的运动精度和稳定性。服务机器人在家庭、医疗等环境中的应用，也离不开动力学与控制技术，通过感知环境信息并实时调整控制策略，实现机器人的自主导航、避障和人机交互等功能。

航空航天领域，动力学与控制是飞行器设计和飞行安全的核心保障。飞行器的姿态控制、轨道调整、着陆回收等过程都需要精确的动力学建模和先进的控制算法。卫星在轨道运行过程中，需要通过姿态控制系统调整卫星的指向，确保卫星上的天线、相机等设备能够准确对准目标。在载人航天飞行中，动力学与控制技术保障了飞船的发射、对接、返回等关键环节的安全和成功。

车辆工程中，动力学与控制用于提高车辆的行驶性能和安全性。主动悬挂系统通过实时感知车辆行驶状态和路面信息，调整悬挂系统的刚度和阻尼，提高车辆的乘坐舒适性和操控稳定性。防抱死制动系统（ABS）和电子稳定程序（ESP）等安全控制系统，基于动力学原理和控制算法，在车辆制动和转向过程中防止车轮抱死和车辆侧滑，提高车辆的行驶安全性。

三、交叉力学学科：开拓科技前沿的创新疆域

（一）生物力学

生物力学作为力学与生物学交叉融合的新兴学科，研究生物体在生理和病理状态下的力学特性，以及力学因素对生物体生长、发育、疾病发生发展的影响，在医学、生物工程、运动科学等领域展现出巨大的应用潜力。

在医学领域，生物力学为疾病的诊断、治疗和康复提供重要依据。在心血管疾病研究中，通过测量血管壁的应力和应变，评估血管病变的风险，为心血管疾病的早期诊断和治疗提供指导。在骨科领域，生物力学研究骨骼和关节在不同载荷下的力学响应，设计更合理的骨折固定器械和人工关节，提高手术的成功率和患者的康复质量。在口腔医学中，生物力学用于分析牙齿的咬合力和牙周组织的应力分布，指导牙齿矫正和修复方案的设计。

生物工程领域，生物力学为组织工程和再生医学提供技术支持。通过研究细胞和组织的力学微环境，设计出适合细胞生长和组织再生的生物材料和支架结构，促进组织的修复和再生。在皮肤组织工程中，利用生物力学原理设计出具有良好力学性能和生物相容性的皮肤替代物，用于烧伤、创伤等皮肤损伤的治疗。

运动科学中，生物力学研究运动员在运动过程中的力学特征，分析运动技术动作的合理性和优化方法，提高运动员的运动成绩和预防运动损伤。在田径运动中，通过生物力学分析运动员的起跑、加速、冲刺等动作的力学参数，为运动员提供个性化的技术训练指导，提高运动员的竞技水平。

（二）微纳米力学

微纳米力学是研究微纳米尺度下材料和结构的力学行为及特性的学科，随着微纳米技术的飞速发展，微纳米力学在微电子、生物医学、能源等领域展现出广阔的应用前景。

在微电子领域，微纳米力学研究微电子器件在制造和使用过程中的力学问题，如芯片封装中的热应力、机械应力对器件性能的影响，以及微机电系统（MEMS）中微结构的力学特性和可靠性。通过微纳米力学研究，优化微电子器件的设计和制造工艺，提高器件的性能和寿命。在集成电路制造中，控制薄膜生长过程中的应力，防止薄膜开裂和器件失效，确保集成电路的高性能和稳定性。

生物医学领域，微纳米力学为细胞和分子层面的研究提供新的手段。通过研究细胞在微纳米尺度下的力学特性和细胞与微纳米材料的相互作用，揭示细胞信号传导、细胞迁移等生理过程的力学机制，为疾病的治疗和新药研发提供理论基础。利用微纳米力学技术设计出具有靶向作用的纳米药物载体，通过精确控制载体的力学性能和表面特性，实现药物在体内的精准释放，提高药物的治疗效果。

能源领域，微纳米力学在新型能源材料的研发和能源转换设备的优化中发挥着重要作用。在锂离子电池研究中，微纳米力学研究电极材料在充放电过程中的力学变化和结构稳定性，优化电极材料的设计，提高电池的能量密度和循环寿命。在太阳能电池领域，微纳米力学用于分析太阳能电池材料的光电转换机制和力学性能，开发出更高效、更稳定的太阳能电池。

（三）环境力学

环境力学是力学与环境科学交叉形成的学科，研究环境系统中各种力学过程及其对环境质量的影响，以及如何通过力学手段解决环境问题，在环境保护、资源开发、灾害防治等领域具有重要意义。

在环境保护方面，环境力学研究污染物在大气、水体和土壤中的扩散、迁移和转化规律，为环境污染的预测和控制提供科学依据。在大气污染扩散模拟中，环境力学模型考虑气象条件、地形地貌等因素对污染物扩散的影响，预测污染物的扩散范围和浓度分布，为制定大气污染防治措施提供支持。在水环境治理中，环境力学研究水体中的水流、泥沙运动和污染物输移规律，优化污水处理工艺和水资源管理方案，提高水环境质量。

资源开发领域，环境力学为矿产资源开采、油气资源勘探等过程中的环境影响评估和生态修复提供技术支持。在矿产资源开采中，通过环境力学研究开采活动引起的地表沉陷、边坡失稳等环境问题，制定合理的开采方案和生态修复措施，减少对生态环境的影响。在油气资源勘探中，环境力学研究地震波在复杂地质介质中的传播规律，提高油气勘探的精度和效率，同时降低勘探活动对环境的影响。

灾害防治方面，环境力学研究地震、洪水、台风等自然灾害的力学机制和演化规律，为灾害预警、防灾减灾和灾后重建提供科学依据。在地震工程中，环境力学通过研究地震波的传播和建筑物的动力响应，设计出具有抗震性能的建筑结构，提高建筑物的抗震能力。在洪水防治中，环境力学研究洪水的形成、演进和淹没规律，优化防洪工程的设计和调度方案，降低洪水灾害的损失。

四、我国力学学科的发展现状与未来展望

（一）发展现状

经过多年的发展，我国力学学科在基础研究、应用开发和人才培养等方面取得了显著成就。在基础研究领域，我国科学家在固体力学、流体力学、动力学与控制等方向取得了一系列具有国际影响力的科研成果，部分研究成果达到国际领先水平。在非线性力学、多尺度力学等前沿领域，我国学者提出了许多创新性的理论和方法，为力学学科的发展做出了重要贡献。

在应用开发方面，我国力学学科紧密围绕国家重大战略需求，在航空航天、能源动力、土木工程、生物医学等领域开展了一系列具有重要应用价值的科研项目。在航空航天领域，我国力学专家为大型飞机、载人航天、深空探测等重大工程提供了关键的技术支持，保障了工程的顺利实施。在能源动力领域，力学学科在新能源开发、传统能源高效利用等方面发挥了重要作用，推动了我国能源产业的转型升级。

人才培养方面，我国拥有众多高水平的高校和科研机构，培养了一大批优秀的力学专业人才。这些人才在力学学科的基础研究、应用开发和工程实践中发挥着重要作用，为我国力学学科的发展和国家的科技进步提供了坚实的人才保障。

（二）未来展望

面向未来，我国力学学科将迎来新的发展机遇和挑战。随着科技的不断进步，力学学科将与更多的学科领域交叉融合，催生出一系列新的研究方向和学科增长点。力学与信息科学的交叉将推动智能力学的发展，通过传感器、物联网、大数据等技术实现对力学系统的实时监测和智能控制；力学与生物科学的交叉将进一步拓展生物力学的应用领域，为生命科学研究和生物医学工程提供更强大的技术支持。

在基础研究方面，我国力学学科将继续加强前沿理论探索和创新方法研究，聚焦非线性力学、多尺度力学、复杂系统力学等前沿方向，解决力学学科中的重大科学问题，推动力学理论的创新发展。注重国际合作与交流，积极参与国际力学研究计划，提升我国力学学科在国际上的影响力和话语权。

在应用开发方面，我国力学学科将紧密围绕国家重大战略需求，聚焦航空航天、新能源、高端装备制造、环境保护等关键领域，开展具有前瞻性和战略性的科研项目，突破一批关键核心技术，为我国产业升级和经济社会发展提供强有力的技术支撑。在航空航天领域，进一步深化对高超声速飞行器、深空探测器等复杂力学问题的研究，提高我国航空航天技术的核心竞争力；在新能源领域，加强对风能、太阳能、核能等新能源开发利用中的力学问题研究，推动我国新能源产业的快速发展。

在人才培养方面，我国将进一步完善力学学科的人才培养体系，加强基础学科教育和专业学科教育的融合，培养具有创新精神和实践能力的高素质力学人才。注重人才队伍的国际化建设，吸引海外优秀人才回国工作，为我国力学学科的发展注入新的活力。

结语：力学——永不停歇的探索征程

我国力学类学科在基础理论的深耕、应用技术的突破以及交叉前沿的拓展中，不断书写着辉煌的篇章。从古老工程智慧的传承到现代科技前沿的开拓，力学始终以严谨的科学态度和创新的研究精神，推动着国家科技进步和社会发展。

在未来的征程中，我国力学学科将继续肩负起时代赋予的使命，以基础研究为引领，以应用开发为驱动，以交叉融合为契机，不断探索未知、攻克难题，为我国建设科技强国、实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献源源不断的智慧与力量。让我们共同期待我国力学学科在新的时代绽放出更加耀眼的光芒，为人类文明的进步书写更加壮丽的篇章。