物理力學

物理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律出發，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，闡明介質和材料的巨觀性質，並對介質和材料的巨觀現象及其運動規律作出微觀解釋。

基本介紹

• 中文名：物理力學
• 類型：力學的一個分支
• 出現時間：20世紀50年代末
• 提出人：錢學森

產生背景

物理力學作為力學的一個分支，是20世紀50年代末出現的。首先提出這一名稱並對這個學科做了開創性工作的是中國學者錢學森。物理力學產生的背景是：①出現了極端條件下的工程技術問題，所涉及的溫度可高達幾千開到幾百萬開，壓力達幾萬到幾百萬大氣壓（1大氣壓等於101 325帕），應變率達10⁶～10⁸秒^-1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。②在一些力學問題中，出現了特徵尺度與微觀結構的特徵尺度可比擬的情況，因而必須從微觀結構分析入手處理巨觀問題。③出現一些遠離平衡態的力學問題，必須從微觀分析出發，以求了解耗散過程的高階項。④由於對新材料的需求以及大批新型材料的出現，要求尋找一種從微觀理論出發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，促使了物理力學的建立。物理力學之所以出現，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參量變化的規律；另一方面是近代科學的發展，特別是原子分子物理和統計力學的建立和發展，物質的微觀結構及其運動規律已經比較清楚，為從微觀狀態推算出巨觀特性提供了基礎和可能。

特點

物理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。它們是：①注重機理分析：物理力學著重於分析問題的機理並藉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，才求助於新的實驗。②注重運算手段：能直接利用物理力學的成果，而不滿足於問題的原則解決，要求作徹底的數值計算。因此，物理力學的研究力求採用高效率的運算方法和現代化的電子運算工具。③注重從微觀到巨觀：以往的技術科學和絕大多數的基礎科學，都是或從巨觀到巨觀，或從巨觀到微觀，或從微觀到微觀，而物理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，建立起物質巨觀性質的微觀理論，這也是物理力學建立的主導思想和根本目的。

雖然物理力學引用了近代物理和近代化學的許多結果，但它並不完全是統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。物理力學所面臨的問題往往要比基礎學科里所提出的問題複雜得多，它不能單靠簡單的推演方法或者只藉助於某一單一學科的成就，而必須儘可能結合實驗和運用多學科的成果。

主要內容

物理力學主要研究平衡現象，如氣體、液體、固體的狀態方程，各種熱力學平衡性質和化學平衡的研究等。對於這類問題，物理力學主要藉助統計力學的方法。

物理力學對非平衡現象的研究包括四個方面：一是趨向於平衡的過程，如各種化學反應和弛豫現象的研究；二是偏離平衡狀態較小的、穩定的非平衡過程，如物質的擴散、熱傳導、粘性以及熱輻射等的研究；三是遠離于衡態的問題，如開放系統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下所發生的突變過程，如相變等。解決這些問題要藉助於非平衡統計力學和不可逆過程熱力學理論。

物理力學的研究工作，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、強度以及本構關係等。

展望

物質的性質及其隨狀態參量變化規律的知識，無論對科學研究還是工程套用都極為重要，力學本身的發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展，特別需要深入研究各種巨觀狀態下物體內部原子、分子所處的微觀狀態和相互作用過程，從而認識巨觀狀態參量擴大後物體的巨觀性質和變化規律。因此，物理力學的建立和發展，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展創造條件。

參考書目

錢學森編：《物理力學講義》，科學出版社，北京，1962。