力學(古希臘語:μηχανικ?,mēkhanik?,英語:Mechanics)是物理學的一個分支,是關于力、運動及其關系的科學,主要研究介質運動、變形、流動的宏微觀行為,揭示力學過程及其與物理、化學、生物學等過程的相互作用規律。已形成以動力學與控制、固體力學、流體力學、生物力學為主的分支學科,以材料學、環境力學、物理力學等為重要交叉學科的力學學科體系。
力學的發展歷程是從靜力學開始的,靜力學的理論論述源自古希臘亞里士多德(Aristotle)和阿基米德(Archimedes)的著作。在近代早期,萊昂哈德·歐拉(Leonhard Euler)、約瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)、威廉·羅恩·哈密頓(William Rowan Hamilton)和艾薩克·牛頓(Isaac Newton)等科學家奠定了現在所謂的經典力學的基礎。
20 世紀以來,力學出現了許多分支學科,一系列新概念、新理論和新方法被創立,推動了航空、航天、艦船、土木、機械制造等工業的進步和發展。力學在解決高新技術科學和工程問題及向其他學科滲透中得到了豐富和發展,是一門活躍的前沿學科。
發展簡史
力學知識最早起源于對自然現象的觀察和在生產勞動中的經驗。人們在建筑、灌溉等勞動中使用杠桿、斜面、汲水器具,逐漸積累起對平衡物體受力情況的認識。古希臘的阿基米德對杠桿平衡、物體重心位置、浮力等作了系統研究,確定它們的基本規律,初步奠定了靜力學即平衡理論的基礎。歐洲文藝復興時期以后,對力和運動之間的關系逐漸有了正確的認識。伽利略·伽利萊(Galileo Galilei)在實驗研究和理論分析的基礎上,最早闡明自由落體運動的規律,提出加速度的概念,并提出慣性定律,用以解釋地面上的物體和天體的運動。艾薩克·牛頓繼承和發展前人的研究成果,提出物理運動三大定律。伽利略、牛頓奠定了動力學的基礎,牛頓運動定律的建立標志著力學開始成為一門科學。此后力學的進展在于它所考慮的對象由單個的自由質點轉向受約束的質點和受約束的質點系;這方面的標志是讓·達朗貝爾(Jean le Rond d'Alembert)提出的達朗貝爾原理(D'Alembert's principle)和約瑟夫·拉格朗日建立的分析力學。萊昂哈德·歐拉又進一步把牛頓運動定律推廣用于剛體和理想流體的運動方程。歐拉建立理想流體的力學方程可看作是連續介質力學的開端。運動定律和物性定律這兩者的結合產生了彈性固體力學和黏性流體力學基本理論,在這方面做出貢獻的是納維(Claude-Louis-Marie-Henri Navier)、泊松(Siméon Denis 西莫恩·泊松)、喬治·斯托克斯(George Stokes)等人。彈性力學和流體力學基本方程的建立,使得力學逐漸脫離物理學而成為獨立學科。另一方面,從約瑟夫·拉格朗日分析力學基礎上發展起來的哈密頓體系,繼續在物理學中起作用。從艾薩克·牛頓到哈密頓的理論體系組成物理學中的經典力學或牛頓力學。20世紀初,在流體力學和固體力學中,實際應用同數學理論結合,創立了許多新的理論,同時也解決了工程技術中大量的關鍵性問題。從20世紀60年代起,電子計算機應用促進力學在應用上和理論上的發展。20世紀70年代以來混沌理論方面的進展,說明確定性動力學系統中廣泛存在長期不可預測性,則使人們對于以牛頓運動定律為基礎的經典力學有了新的認識。
十七世紀之前:靜力學奠基時期
靜力學奠基時期的力學研究主要以積累和完善天文觀測資料和靜力學資料為主要特征,代表人物有阿基米德、克羅狄斯·托勒密(Claudius Ptolemaeus)、西蒙·斯蒂文(Simon Stevin)等。阿基米德是靜力學和流體靜力學的奠基人,并且享有“力學之父”的尊稱。古希臘數學家帕普思(Pappus)的著作中記載,阿基米德曾經幫助將當時制造的一艘巨輪從海灘上弄下水,并在這個場合說出了著名的“給我一個支點,我就能移動地球”。這句論斷表明了他對杠桿性質的理解。在阿基米德的著作《論平面板的平衡》中,他用歐幾里得(Euclid)的方式來對其中的內容進行演繹,即建立公理、提出定理、給出證明,最終給出了他的結論:“質量相等的兩個物體如果到支點距離相等,則處于平衡狀態,距離不等則處于非平衡狀態,而且杠桿將向著距離更遠的物體傾斜?!贝送?,阿基米德完成了《論浮體》和《有關力學定理的方法》等著作,闡述了他在早期流體力學和工程學中的一些發現等。
十七世紀中期:自由質點動力學原理奠基時期
以艾薩克·牛頓的《自然哲學的數學原理》一書中動力學原理的成功建立為標志,動力學研究進入自由質點動力學原理奠基時期,這一時期的代表人物有:伽利略·伽利萊、牛頓等。伽利略最著名的一本著作為《關于兩門新科學的對話》。伽利略在這本書中表達了他對于數學、運動學和力學等的思考,如自由落體現象、拋體的運動軌跡、擺的周期性問題等。這本著作中有一個著名的懸臂梁問題(如下圖),這一問題的討論引出了對正確的梁模型的研究,而這一模型直到大約兩百年后才逐漸完善,也就是現在廣為接受的萊昂哈德·歐拉—伯努利梁,這一模型是固體力學的代表理論。艾薩克·牛頓出版的著作《自然哲學的數學原理》(以下簡稱《原理》)奠定了他在力學研究領域的重要地位。牛頓在第三卷的前言中所說,為了“演示世界體系的框架”,牛頓用數學方法闡明了宇宙中最基本的法則——萬有引力定律和三大運動定律。牛頓在《原理》的開篇即提出了著名的三大運動定律。首先,伽利略·伽利萊等提出的“不受阻礙的運動將一直保持下去”的這一“思想結論”被牛頓明確命名為“勻速直線運動定律”,今天也被稱為“慣性定律”;其次,艾薩克·牛頓首次指出,力的作用結果不是產生速度,而是產生加速度,包括運動速率的變化和運動方向的變化,從而成功地將變速直線運動和勻速圓周運動進行了等效,也正式通過這種方式將運動的分析納入了數學之中;最后,艾薩克·牛頓用“作用力與反作用力定律”對他所提出的“力是微粒之間的互相吸引作用”進行了數學上的說明。
十八世紀:約束體系動力學時期
需要首先提及的是。該時期的力學研究以剛體運動為主,最早的約束運動是克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)1673年發表的關于單擺與圓周運動的研究。這一時期,約瑟夫·拉格朗日把新的基本原理和數學工具運用到力學研究中,拉格朗日1788年出版的著作《分析力學》標志著分析力學,的正式形成,而后由哈密頓繼續發展,將其推上巔峰。這一時期的動力學的發展首先要追溯到“最小作用量原理”(principle of least action),最小作用量原理代表著人類對這個世界運行規律最本質的認識。在這一原理的基礎上,數學分析方法得以重塑牛頓力學。當作用量用一個函數來表達時,對最小作用量的求解成為一個變分法問題。最小作用量原理引出了約瑟夫·拉格朗日——哈密頓力學(或稱為分析力學)這一體系。約瑟夫·拉格朗日把牛頓力學的運動方程從以力為核心改寫為以能量為核心,這也是分析力學和之后整個物理學的基礎。哈密頓思考力學的出發點來自他對光學的研究。1835年,哈密頓發表論文《變分作用原理》與《波動力學的一般方法》,在皮耶·德·費瑪(Pierre de Fermat)最小光程原理的基礎上,提出了“力學—光學類比”理論。
十九世紀中葉:連續介質力學時期
這一時期以流體運動為主要研究對象,代表人物有雅各布·伯努利(Daniel Bernoulli)、路德維希·普朗特(Ludwig Prandtl)等。1738 年伯努利在斯特拉斯堡(Strasbourg)出版了《水動力學》一書,奠定了該學科的基礎。他提出理想流體的能量守恒定律(能量 conservation law),即單位質量液體的位置勢能、壓力勢能和動能的總和保持恒定,后稱為“伯努利原理”(Bernoulli's principle)。在此基礎上,他又闡述了水的壓力和速度之間的關系,提出了流體速度增加則壓力減小這一結論。機翼橫剖面的“流線型”,即上沿為彎曲線而下沿為平直的流線設計,就是利用伯努利原理而產生升力的典型案例。路德維?!て绽侍?/a>最重要的貢獻在于邊界層理論、薄機翼設計和升力線理論。1904 年,路德維?!て绽侍?/a>在德國海德堡(Heidelberg)舉行的第三屆國際數學家學會上,宣讀了題為《關于摩擦極小的流體運動》的論文,建立了邊界層理論。他提出邊界層的概念,即黏性極小的流體繞物體流動時,在緊靠物體附近存在著一層極薄的邊界層,其中黏性起著很大的影響。而在邊界層外,流體中的黏性可以忽略不計,可將其認為是理想流體。基于這個假設,普朗特對黏性流動的重要意義給出了物理上的解釋,同時對相應的數學上的困難做了最大程度的簡化。經簡化納維斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)可得到路德維?!て绽侍?/a>邊界層方程,該方程可以精確地分析若干重要實際問題中的黏性流動。
二十世紀:平衡與運動的不同型態之間的轉變與轉變條件時期
進入二十世紀,人們需要判斷的不同類型的平衡與運動型更多,流動的渦旋產生與消失、固體的平衡與斷裂、裂紋的維持與擴展、混沌的產生與消失、運動的可控與失控等。由此,工程中最重要的三種物質形態一固體、液體和氣體成為應用力學主要關注的對象,后兩者又被統稱為流體。處于固體和流體形態的物質在受到外力時的穩定性,也成為應用力學研究的主要內容,這一時期的代表人物有埃萬杰利斯塔·托里拆利(Evangelista Torricelli)、李雅普諾夫(Lyapunov)、雷諾(Osborne Reynolds)等。一般認為,意大利的托里拆利是最早把物體的平衡分為現在的穩定和不穩定平衡的學者,1892年,李雅普諾夫在他的博士論文《運動穩定性》中正式將運動分為穩定和不穩定,運動穩定性一般理論可以概括為,當動力系統的一個原始運動受到擾動時,如果隨著時間增加,受擾運動狀態仍能始終保持在原始運動狀態附近,那么該原始運動是穩定的;如果原始運動不僅是穩定的,而且其附近的受擾運動隨著時間的推移還都逐漸趨于它,則稱該原始運動是漸近穩定的。1883年,英國學者雷諾提出了層流和湍流的概念,從此將流體的穩定研究正式帶入了湍流的世界。
現代力學時期
現代力學的本質特點包括:(1)與物理學有明確的分工將注意力放到了宏觀世界。量子力學、相對論和以規范場論等為代表的物理學理論正式地將現代物理學和現代力學區分開來,而現代力學研究以應用力學為代表。1956 年,錢學森、錢偉長與郭永懷在力學研究室的基礎上成立了中國科學院力學研究所,從此力學研究在我國有了專門的機構。力學研究所的三位創辦人均為西奧多·馮·卡門(Theodore von Kármán)的學生,所以一定程度上可以說,中國的現代力學發展很大程度上是由哥廷根市應用力學學派推動的。(2)研究的主要問題是非線性問題,如:流形、微分形等。(3)力學與其他基礎學科形成眾多的交叉學科,如:計算力學、海洋動力學等。(4)推動了工程與新技術的發展,是人類第三次產業革命的主力,如:航空工程、宇航工程等。
主要理論
經典力學
經典力學是研究宏觀物體低速機械運動的現象與規律的學科。經典力學是物理學中研究宏觀低速物體運動的最早分支,起源于靜力學,后經過伽利略·伽利萊、牛頓等科學家的貢獻逐漸發展成為系統的學科。其中,牛頓的運動定律和萬有引力定律為經典力學奠定了堅實基礎。長城歐拉對剛體動力學的系統研究進一步豐富了經典力學體系。約瑟夫·拉格朗日和哈密頓的分析力學則將核心概念從力轉向能量,采用廣義坐標和標量變量描述運動,為量子力學等無法用力描述的現象提供了新的研究思路。
以牛頓運動定律為基礎的經典力學使用了絕對時間與絕對空間的概念,具有一定的局限性。特別是當運動速度接近光速時,經典力學無法準確描述物理現象,這時應使用阿爾伯特·愛因斯坦創立的相對論。經典力學也不適用于微觀世界。微觀粒子的屬性與經典力學中的質點完全不同,它們的行為無法用空間和時間的確定關系來表達,描述微觀粒子的運動與行為需要使用量子力學。此外,經典力學研究的確定性系統通常被認為是決定論的,即系統的運動狀態是可以預測的。然而,在非線性系統中發現了大量的“隨機”運動現象,這使得確定性系統的運動也變得長期不可預測。這種現象被稱為餃子現象,研究這類現象的科學就是混沌科學。盡管經典力學存在上述局限性,但在一般的技術領域,如機械制造、土木建筑、航空航天等,經典力學仍然起著基礎理論的作用。因為在這些領域中,物體的運動速度相對較低,微觀效應和混沌現象的影響可以忽略不計。
量子力學
量子力學是研究微觀粒子基本運動規律的物理學科,量子力學不僅奠定了人們探索基本粒子、原子核、原子分子和凝聚態物質的物理基礎,而且在化學、生物學等學科和當代技術創新中得到了廣泛應用。20世紀前的經典物理學(經典力學、電動力學、熱力學與統計物理學等)只適用于描述常規宏觀情況下宏觀物體的運動,不能很好地描述包含原子和亞原子的微觀世界。通過量子力學,人們能夠正確理解物質基本屬性與微觀結構關系。例如,物體為什么有導體、半導體和絕緣體之分,元素周期表的本質是什么,原子與原子是怎樣結合成分子的,諸如此類問題的正確理解均以量子力學作為理論基礎。借助量子力學,人們還能夠解釋多體系統的衍生現象,如超導、超流、薩特延德拉·玻色—阿爾伯特·愛因斯坦凝聚等極低溫下的宏觀量子效應。量子力學促進了諸多技術創新,包括核能、半導體、激光、計算機、電視、光纖通信和互聯網技術、電子顯微鏡和核磁共振成像等。
相對論
相對論包括狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論是愛因斯坦(Albert Einstein)在1905年建立的平直時空理論;廣義相對論是1915年愛因斯坦建立的一種彎曲時空的引力理論(在時空的局部而非整體滿足狹義相對論的要求)。
狹義相對論的出發點是兩條互相獨立的基本假設:狹義相對性原理和光速不變原理。狹義相對論的內容分為運動學和動力學。運動學的核心是洛倫茲變換,動力學指的是滿足(狹義)相對性原理的近代物理理論。阿爾伯特·愛因斯坦在狹義相對論的基礎上對牛頓引力理論進行改造,在深入分析引力質量與慣性質量等價的基礎上,提出等效原理;將狹義相對論中慣性運動的相對性推廣到加速運動,上升為廣義協變原理;提出時空性質應由物質及其運動決定的思想;采用黎曼幾何來描述具有引力場的時空;寫出愛因斯坦引力場方程,由此提出了廣義相對論。廣義相對論是使用彎曲時空描寫引力相互作用的近代引力理論,該理論在局部時空具有亨德里克·洛倫茲不變性(即強等效原理)。
研究對象及方法
研究對象
力
牛頓第一運動定律指出,一個物體,如果沒有受到其他物體的作用,它就保持其相對于慣性參考系統的速度不變。這也就是說,如果物體相對于慣性參考系統的速度有所改變,必是由于受到其他物體對它的作用,在力學中將這種作用稱為力。力學中常遇到三種類型的力: 萬有引力、彈性力、摩擦力。
萬有引力
萬有引力指的是存在于任何兩個物體之間的由質量引起的相互吸引力,力的作用線約在兩物體質心的連線上,其大小與兩物體的質量成正比,與兩物體的距離平方成反比。萬有引力定律由艾薩克·牛頓于1687年正式發表。以m1、M2表示兩物體的質量,r表示兩者之間的距離,G為 萬有引力常數。則相互吸引的力F為:
彈性力
彈性物體因外力產生形變后的恢復力。簡稱彈力。形變也存在于物體內部,因此物體內部的各部分間都有彈性力相互作用。彈性力有各種名稱:相互壓縮時稱壓力,垂直于物體表面的壓力稱法向壓力;相互拉長時稱張力。物體給平面或斜面的法向壓力的反作用力,稱支持力或反力,實質上也是壓力。一定范圍內彈性力和變形程度成正比,這個范圍稱彈性限度。彈性限度內,撤去外力物體能恢復原狀;超過這限度,變形程度不再和外力成正比,撤去外力后物體也不能恢復原狀。
物體與物體相接觸時,在接觸面上還有一種阻止它們相對滑動的作用力。這種力稱為摩擦力。產生于兩固體之間的摩擦稱為干摩擦。固體同液體(或氣體)之間的摩擦稱為濕摩擦。重要的摩擦類型有以下三種:①滑動摩擦。它又有靜摩擦與動摩擦之分。當兩個保持相對靜止又相互接觸的一個物體受到外力作用,而具有對于另一物體作相對滑動的趨勢時,在這兩個物體的接觸面上會產生一個阻礙這一相對滑動發生的摩擦力,這個摩擦力稱為滑動靜摩擦力;②滾動摩阻。它是由于兩物體發生滾動(或具有滾動趨勢)而在接觸面處產生彈塑性變形而引起的一種滾動阻力。它亦分為靜摩擦與動摩擦兩種;③固體在流體中的摩擦 當固體在液體或氣體中作相對運動時,液體或氣體也將在固體表面上產生阻礙運動的摩擦力。由于在運動物體的邊界出現邊界層,實際上摩擦在流體質點間發生,這是一種濕摩擦。
運動
研究力學,即研究機械運動。包括機械運動現象,即運動學;以及機械運動的內在規律、怎樣的條件下發生怎樣的運動,即動力學。運動學用幾何方法描述物體的運動,而不考慮力和質量等因素;動力學研究物體的運動和力的關系,同時也是力學的一個分支學科。
點的運動學描述點在空間的位置隨時間變化的規律。點在空間所經過的路線稱為軌跡,按軌跡形狀可分為:點的直線運動、點的平面曲線運動(如圓周運動,橢圓運動和拋物線運動等)和空間曲線運動(如空間螺旋線運動)??臻g曲線運動是最一般的情況。點在參照系中的位置用點對于某固定點的矢徑r 表示,點的運動規律用矢徑的時間函數r=r(t)表示。剛體運動學研究剛體的各種運動規律。按剛體運動形式可分為以下幾種運動:①平動(平移)。運動中剛體上任一直線保持平行;剛體的運動可歸結為剛體上任一點的運動;②定軸轉動。剛體上一軸線固定不動,剛體的運動方程為θ=θ(t);③平面運動。剛體上任一點在運動中始終和一固定平面距離不變;④定點運動。即剛體上一點固定不動。
介質
固體
固體是物質的一種凝聚態。具有一定的體積和形狀,在外加切應力作用下顯示有剛性。實際固體在小應力作用下變形,去掉應力能恢復原來形狀,因而是彈性體。但在較大應力時,它不能恢復原來形狀,因而是塑性體。液體則不同,具有流動性。流動性好與差,依賴于液體黏滯系數是小還是大。黏滯系數超過1015泊的屬于固體,小于此數值的是液體。從結構上來說,固體可分成晶體、準晶和非晶態固體三類。
液體
液體是一種幾乎不可壓縮的流體,無論壓力如何,它都符合其容器的形狀,同時保持幾乎恒定的體積。是唯一具有確定體積但沒有固定形狀的狀態。液體由微小的振動物質粒子(例如原子)組成,通過分子間鍵結合在一起。與氣體一樣,液體也可以流動并形成容器。與氣體不同,液體保持相當恒定的密度,并且不會分散以填充容器中的每個空間。
氣體
氣體是物質聚集態的一種。通常情況下氣體分子之間的平均間距約為分子本身線度的幾十倍,甚至上百倍,遠大于分子力的有效作用半徑,故可忽略氣體分子之間的相互作用力。只有當氣體分子間的平均間距接近或小于有效作用半徑之后,才需考慮分子力對氣體性質的影響。通常還把氣體分為理想的和非理想的兩種。理想氣體是研究氣體性質的一個物理模型,它完全忽略氣體分子間的相互作用力,從而給出一些表述簡明、能解釋稀薄氣體行為的氣體定律。實際氣體分子間的相互作用力不能忽略,是非理想氣體。
等離子體指的是尺度大于德拜長度的宏觀電中性電離氣體,其運動主要受電磁力支配,并表現出顯著的集體行為。等離子體是不同于固體、液體和氣體的物質第四態。它由電子、離子,也可能還有一些中性的原子和分子所組成,從宏觀上看正負電荷幾乎處處相等,因此它是近似電中性的。最常見的等離子體是高溫電離氣體,如電弧、霓虹燈和日光燈中的發光氣體,又如閃電、極光等。金屬中的電子氣和半導體中的載流子以及電解質溶液也可以看作是等離子體。
研究方法
實踐觀測
力學研究的起點是通過實踐觀測來發現自然界的現象和現象背后的規律。力學家們通過定量觀測、生產過程中的經驗和數據,以及特定目的的科學實驗結果,提煉出量與量之間的定性或數量關系。在觀測和實驗過程中,力學家要注意抓住起主要作用的因素,并排除一些次要因素。
例如,力學問題通常涉及到物體的運動狀態、速度和加速度等量,因此需要進行定量觀測。此外,力學問題還可能涉及到材料本身的性質,如彈性系數、斷裂強度等,這些都需要通過科學實驗來進行測量。伽利略·伽利萊在著作《關于兩門新科學的對話》中開創了材料力學性能機械量測的方法。這一方法在力學研究中得到了廣泛的應用。例如從飛機設計到試飛,需要在材料、組件和整機多個層面開展機械量測。下圖為美國F-35戰斗機結構力學響應的測試平臺,數以百計的作動機構作用在飛機機身的不同位置,按照一定的時間順序施加載荷,以獲得不同載荷下機身的響應。
同時,力學問題還需要考慮物體的空間位置信息,如物體的位置和方向,因此需要涉及到幾何和向量等數學工具。例如,在流體力學中,有限差分法是主要的數值方法;在固體力學中,有限元法出現以前,也主要采用差分方法。
建立模型
力學研究中的關鍵步驟是建立模型。各種不同的模型,如質點、質點系、剛體、彈性固體、粘性流體、連續介質等,用來描述不同的物理系統。在建立模型的基礎上,力學家們運用已知的力學或物理學規律,結合適當的數學工具,進行理論上的演繹工作,以導出新的結論。這個過程要求力學家善于將實際問題轉化為數學問題,并通過邏輯推理進行分析。在建立剛體模型時,研究者需要將物體看作一個整體,忽略其內部材料狀態的變化;在建立連續介質模型時,需要將物體看作是由無數微小粒子構成的連續流體。為了建立這些模型,研究者還需要掌握相關的物理規律和數學工具。此外,在研究物體運動過程中,研究者需要采用牛頓運動定律、動量守恒定律等規律,并借助微積分等數學工具進行推導和分析。
例如,基本粒子的標準模型是力學理論中的代表性模型。這一模型規范場論給力(也就是物體間的相互作用)賦予了新的定義。它認為,力是通過規范粒子來完成的,力的作用方式實際上就是這些規范粒子在物體間的傳播過程。描述這些規范粒子和其他基本粒子的理論,被稱為基本粒子的標準模型(如下圖)。在標準模型中,基本粒子包括 48 種構成物質的費米子( 自旋為半奇數的粒子)12 種傳播相互作用的玻色子(自旋為整數的粒子)和一種“賦予質量”的希格斯玻色子。夸克就是構成質子和中子的基本費米子,而光子就是用來傳播電磁力的玻色子。
著名問題
三體問題
三體問題的歷史可追溯到艾薩克·牛頓時期,在二體問題框架下求解了月球相對地球的運動之后,牛頓考慮了太陽對月球運動的影響,但并未能給出分析解。這可認為是三體問題的雛形。萊昂哈德·歐拉忽略了月球的質量并假定了地球繞太陽的軌道為圓軌道以研究月球的運動,從而引生出了著名的限制性三體問題模型,三體問題直至今日尚無法獲得精確求解。三個天體的質量分別為,位置向量為,為萬有引力常數,它們在以慣性空間中點為原點的坐標系下的運動方程如下圖,該運動方程允許十個積分,包括6個質心運動積分、3個角動量積分和1個能量積分。
納維斯托克斯方程
納維斯托克斯方程是描述黏性流體動量守恒的運動方程,簡稱N—S方程。黏性流體的運動方程首先由納維在1821年提出,只考慮了不可壓縮流體的流動。泊松在 1831年提出可壓縮流體的運動方程。圣維南在 1843 年,斯托克斯在1845年獨立提出黏性系數為一個常數的形式,其沿用形式稱為納維喬治·斯托克斯方程。N-S 方程反映了黏性流體( 或真實流體)流動的基本力學規律,N-S方程解的存在性和光滑性是千禧年大獎難題(也稱世界七大數學難題,其中的龐加萊猜想(Poincaré conjecture)已經解決)之一。從計算機問世和迅速發展以來,N-S 方程的數值求解有了較大的發展。
湍流問題
湍流是一種非常復雜的流體運動形式,其機理至今仍未完全理解。物理學家理查德·費曼(Richard Phillips Feynman)認為湍流是經典力學尚未解決的難題中最重要的一個。由于流體宏觀運動控制方程具有高度的非線性,因此湍流運動既表現為一定的確定性(如剪切湍流中存在大尺度的擬序結構等),也表現為一定的隨機性(如遠離壁面區小尺度漲落速度的概率密度函數滿足正態分布等)。周培源提出了對湍流理論研究工作的新看法: 流運動的基本組成部分是流體黏性作用所引起的渦旋運動。
如下圖所示,湍流問題中有序性和隨機性共存,故具有極高的復雜度?,F有的湍流研究方法可粗略地分為湍流結構與湍流統計兩個學派:前者是從完全確定性的方程出發,如利用動力系統理論、渦模型與渦動力學等研究湍流;后者是從完全隨機性的概率統計觀點與隨機過程出發,如利用場論、非平衡態統計物理方法等研究湍流。
主要應用領域
航空航天
航空航天工業根植于力學。力學家在高超聲速飛行器、載人航天、月球探測、大型飛機、新型戰機的設計與研發中做出了關鍵的貢獻。
一是圍繞高超聲速飛行器在大氣層實現有動力飛行必須解決的關鍵問題開展的相關空氣動力學和超燃科學的前沿基礎研究。錢學森很早就提出了高超聲速飛行的力學原理和機身構型。在高超聲速實驗手段研制方面,中國科學院力學所俞鴻儒、姜宗林的團隊建成了JF12激波風洞,采用了獨創的反向爆轟驅動方法,在國際上實現了馬赫5~9的高高超聲速平穩飛行條件,且JF12的氣流持續時間和平穩度都處于國際領先地位(如下圖)。2016 年,美國航空航天學會把該學會的地面試驗獎頒發給姜宗林團隊。隨著高超飛行器的出現,很多力學問題(如乘波體的內外流一體化設計,空氣動力學和燃燒問題的一體化設計,氣動、傳熱和結構的一體化設計,跨流域飛行等問題)都成為高超飛行的關鍵問題。我國力學家通過獨創的反向爆轟驅動方法,建成了 JF12 激波風洞,在國際上首次實現了馬赫5~9的高超高燴飛行條件,并正在新建由正向爆轟驅動的JF22 激波風洞,可模擬馬赫數10~25、溫度為 10000K 的高超高飛行條件。我國已相繼建成高超聲速風洞、脈沖燃燒風洞等一批具有世界先進水平的空氣動力試驗設施,并應用于臨近空間飛行器的氣動力、熱、輻射問題研究。
二是在大型飛機的研制方面,其減阻降噪的關鍵包括:(1) 考慮湍流與轉挨、非定常流動、漩渦/分離與激波干擾、發動機內流精確預測等空氣動力學計算、實驗模擬問題,我國學者發展了基于物理約束的約束大渦模擬模型,并應用于大型運輸機氣動設計。該方法對 C919大型客機巡航狀態的約束大渦模擬,幫助飛機設計師修改了該飛機的氣動外形,使氣動阻力明顯下降;(2) 綠色航空對航空飛行器提出的舒適性、安全性、經濟性可靠性的苛刻要求。
三是通過納米示蹤粒子與激光散射、仿復眼成像等飛行器流場測量技術突破超聲速流場與三維流場“看不見、測不出”的瓶頸問題。實現了流場、速度場、密度場等關鍵力學信息可視化測量,服務于我國重大型號關鍵部件氣動優化設計。
四是圍繞未來航天器結構多功能融合、結構輕量化發展趨勢及增材制造技術等新制造工藝技術,發展結構/材料一體化技術、超常環境材料力學、復合材料結構力學、結構拓撲優化等方法。
五是為解決高超聲速飛行器極端熱環境下的測試難題,為航天部門多種類型號飛行器的氣動熱問題進行實驗研究。
六是在運載火箭系統、載人飛船系統、載人航天器交會-對接、月球探測器著陸、柔性航天結構控制、在軌服務航天器技術、飛行器結構完整性分析、飛機載荷譜實測等領域開展系列工作,支撐我國航空航天事業的快速發展。
武器裝備
武器裝備的主要效能可概括為“打的遠、打的準、打的狠”,提高這三項效能都離不開力學。力學家在提升武器裝備的效能上做出重要貢獻。例如,在深侵徹戰斗部研究中,通過對復雜介質與結構的高速侵徹規律、鈍感高能炸藥點火起爆、安全性設計與控制等關鍵力學問題研究,構建了深侵徹戰斗部設計的力學理論體系,解決了斜侵徹抗跳彈、深侵徹規律、裝藥安全性設計和爆炸毀傷效能等關鍵問題。又如,針對潛射武器特有的力學問題,綜合運用水動力學、超空泡力學、振動控制的研究手段,建立水中兵器仿真計算和實驗研究平臺,研究潛射武器裝備動力學、復雜海況下高速航行體動力學等問題,為武器裝備的關鍵技術攻關做出了重要貢獻。再如,通過結構優化提升武器裝備輕量化與功能化設計水平,在航母艦載設備、國產核主泵等研制中做出貢獻。
高端準備
動力是各種機械裝備的心臟,也是我國裝備制造業的軟肋。我國的力學家積極參與航空發動機與燃氣輪機重大科技專項的論證和研究,在燃機高溫葉片先進冷卻結構設計、熱障涂層失效機制、熱障涂層制備工藝改進等核心技術領域取得重要進展,并將研究成果用于我國F級重燃自主研發,建立了航空發動機服役環境下熱障涂層性能的表征理論、檢測與評價技術句。此外,對多種反應堆內不同構形構件的流致振動、穩定特性、核燃料組件安全、組件結構高溫動態屈曲、控制棒落棒過程等核島核心部件的安全可靠性進行計算模擬或實驗測試,開發了核電關鍵部件無損檢測方法與檢測裝置,推動了我國核電、壓力容器等國防裝備可靠性評價與技術的進步。
盾構裝備是地下設施建設的重型裝備。在以前,我國缺乏盾構裝備的核心技術,長期依賴進口。力學家在攻克盾構核心部件的數字化設計、掘進載荷建模、刀具狀態監測等關鍵技術中取得突破,參與了我國具有自主知識產權的首臺復合式盾構和首臺巖石隧道掘進機的刀盤數字化設計工作,為國內盾構制造龍頭企業自主研發提供技術支撐。
我國高速鐵路工程中,高速列車運行安全性與乘車舒適性是設計與運營必須解決的重大問題。力學家基于動力學理論開展跨學科協同創新,率先創建了車輛—軌道耦合動力學理論體系,建立了高速列車—軌道—橋梁動力相互作用理論,開發了具有自主知識產權的大型鐵路工程動力學仿真系統與安全評估技術,為我國鐵路提速及高速鐵路系統動態安全設計提供了先進理論和關鍵技術支撐,解決了軌道交通重大工程中的一系列難題。
海洋裝備是國家安全發展戰略中的新領域,力學家主持深??臻g站研制,主持深海潛水“蛟龍號載人潛水器”自主研制,參與大型艦船動力傳動推進裝置的設計制造,發展艦船裝備核心部件數字化仿真算法與檢測技術;在載人潛水器安全性設計、安靜級潛水艇研制、復雜環境下精準操控、大功率船舶動力推進系統動態仿真、高能效低激振優化等關鍵問題的攻堅克難中發揮作用,為實現深海等極端條件下裝備安全性服役貢獻力量。
基礎設施建設
?力學家積極參與特大災害治理、特大事故調查等工作。例如,參加5·12汶川地震后的抗震救災和災后重建工作,利用破壞力學理論與檢測技術,為災后的房屋和工程結構的安全性進行勘察和定損;承擔災后部分受損公路、大橋和隧道等交通設施恢復重建中的檢測和評估工作,對高鐵路基沉降的研究需要借助于車輛軌道路基的耦合動力分析理論,并通過這一理論來細致地刻畫列車運行引發路基沉降的種種復雜效應,如列車高速行駛的速度效應對軌道路基的影響、地鐵盾構施工造成的擾動效應等。可以通過嚴格控制實驗參數的實驗力學測試方法,借助于高速鐵路全比尺動力試驗創新裝置所積累的大量數據(如下圖)將這些因素從模糊的概念變為得到實驗嚴格標定的定量預報公式,按照這一思路,可以得出控制和修復路基沉降的方法;開展地震廢棄物混凝土再利用和結構加固修復等專項研究。又如,參與天津港瑞海公司危險品倉庫特別重大火災8·12天津濱海新區爆炸事故調查工作,利用自主研發的高精度爆炸計算軟件對事故進行數值模擬,確定事故爆炸能量和著火物,為事故調查提供科學依據。
力學家積極參與西部大開發等重點工作,發揮力學學科的獨特作用。例如,在我國中國西南地區基礎設施建設中運用力學理論及重大地質災害防控技術,在大型遠程滑坡—碎屑流災害早期識別、怒江傈僳族自治州流域高山運程泥石流預警、堆填及復雜場地深基坑支護技術、滇東北峨眉山市玄武巖災難性滑坡防控等一批基礎設施建設工程中取得成果,為川藏鐵路和西南地區特殊地質條件下的公路與水利設施建設積極出謀劃策。又如,在我國西部沙漠邊緣地區防治沙害工作中,采用力學在風沙領域研究成果,結合大量野外觀測數據,通過數值模擬方法對沙障結構進行優化,提出了斑馬線狀的等施工模式,為地區防風固沙提供了指導。再如,對霧霾這類環境污染問題,其對應著諸多力學問題:如多相流問題,湍流邊界層問題,氣溶膠傳輸問題,顆粒物與包裹水滴的碰撞、聚集、疏散尺度效應等問題,靜穩天氣形成機制問題等。
力學家積極參與國家的海洋工程、海岸資源開發等重大項目,從中提煉出更好的科學問題。例如,在海洋防災減災關鍵技術領域,提出深水/寒區海洋工程裝備抗冰設計理論與方法,發展了海洋工程結構海冰風險預警技術,并應用于我國冰區海洋工程結構抗冰設計與安全保障;研發海洋工程裝備腐蝕防護與監測軟硬件系統,并應用于“中國海洋石油集團有限公司 981”鉆井平臺。又如,開展海嘯成災機制與預警方法研究,對海嘯生成、傳播與成災過程進行理論建模與數值模擬,開展基于多浮標觀測的南中國海嘯震源參數反演及預警方法等方面研究,為建立南中國海海嘯預警系統發揮了重要的作用。
分支學科
動力學
動力學是研究物體機械運動與受力之間的關系的學科。自然界與工程中存在大量的動力學問題。研究動力學問題時,應首先進行分析、簡化,抽象成物理模型,再建立動力學方程,即物理模型的受力與運動之間的關系。這個過程稱為動力學建模,簡稱建模。對有限多自由度的離散系統,得到的是常微分方程;對無限多自由度的連續系統,得到的是偏微分方程。動力學問題通常有兩種提法:①已知系統的運動規律,求作用于系統的力。②已知系統的受力,求系統的運動規律。有時也有兩者的混合提法。運動微分方程有時有解析解,但多數情況下它們是非線性的,只能求數值解。利用特定的數學方法求解,可以將一個動力學問題轉變為一個幾何問題。例如,動力學中的行星運動、流體運動等,它們的運動規律可以用牛頓運動方程或者是納維 斯托克斯方程來描述,這樣在數學上這兩個方程就分別構成了動力系統。
生物力學
該理論以美籍華人科學家馮元楨先生的工作為奠基。馮元 1919 年生于江蘇省武進區,他在生物力學、航空工程、連續介質力學等領域有重要成就。馮元楨先生認為,生物力學是將“生物科學的原理和方法與力學的原理和方法相結合,從而(定量地)認識生命過程的規律,并用于維持、改善人的健康”。馮元楨和他領導的實驗室取得了三項具有里程碑性質的成就,即生物軟組織本構關系的研究,肺血流動力學規律的研究以及生物組織器官生長和應力關系的研究,其中第三項成就尤為重要。生物力學的核心是應力與生長的關系。對活性的連續介質來說,其總變形不僅包括應力產生的變形,還應包括長期應力作用下造成的組織生長,而后者的穩態應該使組織和器官內的應力分布符合其功能優化的需要。
反映應力與生長關系的例子有很多,比如地球的重力,以及由于重力而造成的應力分布,是各種生物代際演化的一個核心因素,基于應力與生長的關系的重力生物學可以揭示這些演化的發展趨勢。在血流動力的影響下,血管壁流產生的切應力造成組織生長,導致血栓的形成。血栓的不斷長大和突然脫落是大量心血管類疾病的主控原因,如何控制血栓形成穩態,或使血栓不斷融消,在其演變過程中不產生災難性的脫落,是一個重要的生命力學問題。
固體力學
固體力學是研究固體在外部作用(載荷、熱流和溫度、化學腐蝕、電磁場等)條件下,其內部各點所產生的位移、速度、應力和應變以及壽命和破壞規律等行為的學科。彈性固體的力學理論是在實踐的基礎上于17世紀發展起來的。英國的羅伯特·胡克(Robert Hooke)于1678年提出:物體的變形與所受外載荷成正比,后稱為胡克定律(Hooke's law)。瑞士的萊昂哈德·歐拉于1744年建立了受壓柱體失穩臨界值的公式,又于1757年建立了柱體受壓的方程,成為第一個研究穩定性問題的學者。這些研究為深入研究彈性固體的力學理論奠定了基礎。1822年,奧古斯丁-路易·柯西(Augustin-Louis Cauchy)以應力和應變的嚴格定義導出矩形六面體微元的平衡方程,這一理論對后來數學彈性理論乃至整個固體力學的發展產生了深遠的影響,從而奠定了彈性力學的基本理論框架。固體力學界的近年研究專注于材料的塑性行為與本構表征。對塑性體的研究方興日盛,主要有以下原因:(1)塑性理論處于固態物理、固體方學與材料科學的交叉路口,其宏觀與微觀方面的研究始終得到這三個學科進展的推動;(2) 在數學和物理方面,塑性理論本身具有足夠的復雜性;(3) 近年來連續介質力學除塑性理論外的框架已經大致落成,在計算機技術和材料測試技術的高速發展下,塑性理論與應用或成為固體力學領域最具有挑戰性的問題。
流體力學
流體力學研究在各種力作用下流體本身的靜止狀態和運動規律,以及流體和固體、流體和流體之間、流體與其他運動形態之間有相對運動的相互作用和流動規律的學科。力學的分支學科。包括流體靜力學與流體動力學。流體是氣體和液體的總稱。流體力學遵循牛頓第二運動定律,能量守恒定律、熱力學第二定律。該定律說明了一定條件下流體流動的可逆與不可逆。
1643年意大利物理學家埃萬杰利斯塔·托里拆利研究并提出了流速的大小同重力加速度和水的落差之間的關系:,后稱為托里拆利公式,或托里拆利定律。萊昂哈德·歐拉提出了連續介質的概念,并把靜力學中壓力的概念應用于運動流體中,建立了歐拉方程(如下圖),他還用微分方程組描述了無黏流體的運動規律。
雅各布·伯努利(Jakob Bernoulli)從經典力學的能量守恒出發研究供水管道中水的流動,得到了流體定常運動狀態下的流速、壓力及高度之間的關系,即伯努利定理:無粘性正壓流體在有勢外力作用下,作定常運動時,表達總能量沿流線守恒的一個定理。它是上述條件下運動方程的一個第一積分,又稱伯努利方程。定常流動的伯努利定理可寫成:。其中,為流速;為質量力的勢,即,其中和分別為流體的壓力和密度;為積分常數,它沿同一條流線取同一常數值,不同流線可取不同的值,因此是流線號碼的函數。歐拉方程和伯努利方程的建立是流體力學作為一個經典力學分支學科創建的標志,從此開始了用微分方程和實驗測量對流體運動進行系統的定量研究。
與其他學科的關系
數學和數據科學
力學在數學和數據科學中的應用主要是對其動力學特征的研究。通過對數據演化和數據云流動的動力學分析獲得數據繁衍的宏微觀或因果性規律,并助力于數據學習過程和計算表征。借助于非線性動力系統的定性框架和計算力學的定量手段,可適用于研究不確定性非常大或具有多層數據結構和代際傳承的復雜問題。研究重點包括:大數據計算力學、數據動力模式識別、動力型深度學習、混沌動力學、稀疏優化、數字孿生等。例如,愛丁堡大學研究團隊用深度前饋網絡模型進行訓練,實現了四足動物步態自適應生成網絡。該模型可以結合運動狀態(如身體姿態、質心速度和當前步態等)和人機交互的指令(諸如站立、停止、蹲下、跳躍等)實時生成運動步態。
智能介質科學
在新世紀,力學的研究對象開始轉向包含電子—離子—分子相互作用和運動的智能介質。智能介質是以天然或者人工方式嵌含有智能的物理介質,智能的體現有其微觀動力、細觀構筑、宏觀涌現和能量信息循環。盡管擬神經憶阻介質這一最基礎的技術已經為類腦智能芯片的發展揭開了新篇章,但當前的力學研究仍然難以解決類腦介質和人類大腦等智能系統方面的問題。
力學在智能介質學科中的應用是研究智能介質的物質—信息—能量關聯與其全域智能響應的聯系。這包括兩個方面:一是物質—信息—能量關聯規律。智能介質的力學響應與物質—信息—能量運動緊密關聯:除物理場驅動形變和產生功能性之外,信息場也可以驅動形變。智能介質在上述激勵作用下可做出主動性響應,其本身屬于開放系統,對連續介質框架下的確定性原理局部作用原理、守恒性、增原理等形成了挑戰。揭示智能介質與系統的物質—信息—能量關聯規律需要發展新的力學理論,以克服如下科學挑戰:(1) 描述非平衡態氣—液—固多相體系中電子—離子—分子間的動力學耦合、局域場與外場耦合、物質運動變形、信息態與能量轉換等的多相—多場—多尺度耦合。(2) 理解神經元與神經系統等室溫非平衡體系,描述智能介質與系統在物理場、信息場、控制場作用下的智能激發、引導與控制及其多層次動力學過程。
物理學
物理力學起源于錢學森先生的倡議,旨在從物質科學的宇觀、微觀、細觀、宏觀諸表征層次的關聯出發,闡述其力學行為的物理本源。除體相物質外,物理力學還可以應用于探討低維物質。物理力學還致力于探討在力、熱、聲、光、電、磁、核、能量、信息、生命等多因素作用下的耦合力學行為。研究重點包括:細觀力學、物質的跨層次理論、多場耦合力學、低維物質力學、爆炸力學、等離子體力學、核爆過程穩定性等。物理力學的發展既瞄準學科前沿,注重與材料科學、計算科學、物理化學的交叉融合,研究介質的宏微觀力學性質和運動規律,發展跨時空尺度的理論和計算方法以及大型儀器設備加強實驗觀測與大規模數值模擬的有機結合,又瞄準國家重大工程需求,著力解決核武器、激光武器、能源技術發展中的關鍵物理力學問題。
需要深入研究的問題包括:(1) 基于物理力學,從微觀角度自下而上地設計具有特殊功能的新材料;(2) 發展新型裝備和大型計算方法,實現深海、深空等極端條件下的材料和器件服役性能模擬和服役可靠性保障;(3) 表面、界面設計等概念在先進材料、微納系統、生物醫學、軟體機器等領域的應用:(4) 設計和制備低維材料、微納結構新材料、新型智能材料、結構和器件等;(5) 發展爆炸力學研究,既注重解決傳統爆炸過程帶來的力學問題,又非常關注強激光電磁場等多場耦合下的物質相互作用;(6) 發展高溫、低溫、空間與天體等離子體力學研究,在磁約束等離子體物理過程和燃燒等離子體物理過程研究熱等離子體研究、大氣壓非平衡等離子體研究、空間和天體過程的等離子體力學中取得進展。
材料學
材料學涉及與物質和力的相互作用、材料本身性能和結構特征的研究。力學在材料學中的運用主要是探討材料受到外力作用后的變形、破壞和疲勞等問題,從理論上分析材料的本質和表現形式,為工程領域提供科學依據。材料力學為美國國家科學基金會(NSF)長期設定的交叉領域旨在研究力學和材料科學的交疊區中的重要科學問題,成為力學的機制性和材料科學的多樣性的完美結合。該方向新的交叉點包括:計算材料學與材料基因組、低維材料力學、多功能與多層次復合材料、超材料、納米材料力學、能源材料力學、仿生材料力學等。力學建模和分析計算往往可起到提綱望領的作用。材料的力學行為與其微觀結構有著密切的關系,并涉及多層次的復雜物理機制。
化學與環境
力化學已經成為新的交叉力學前沿。宏觀與微觀力環境對化學反應有調控作用,化學鍵價狀況對局部力學行為( 如斷裂、黏接、界面滑錯、相變、鈍化)等有主導作用,力環境對生物介質(如細胞中化學過程的信號傳遞有誘導作用,力化學氛圍對功能材料的化學勢觸發有著總體控制作用。環境力學的發展既圍繞國家經濟和建設需求,又立足科學前沿。
需要深入研究的問題包括:(1) 環境領域的共性力學問題,包括流動與輸運的基本理論和方法,氣、液、固界面的相互作用,多相、多組分、多過程耦合,環境力學中模型實驗的尺度效應等;(2) 針對西部和沿海經濟開發、城市化進程及重大工程中的實際問題,包括西部干旱環境治理(土壤侵蝕、沙塵暴、荒漠化治理等),河流、河口海岸泥沙、污染物輸運及其對生態環境的影響規律,城市空氣污染,重大環境災害發生機制及預報(熱帶氣旋,洪水、滑坡/泥石流、全球變暖)等。
研究方向
交叉方向
力學研究命題的交叉包括介質交叉、層次交叉、質智交叉、剛柔交叉等。這些命題的交叉往往催生新的學科。如介質交叉,即流體與固體的交叉,可以產生廣義軟物質力學,其研究領域可拓展至水凝膠力學、腦物質力學、社會力學等分支。社會發展的動力學,包括學科樹、學科交叉圖等,都可以用動力學的辦法進行研究。有些社會科學的問題,比如農民工流動的問題,可處理為可相變的兩相流,將農民工變成城鎮人轉變過程列為由關聯資源流和信息流所確定的相變條件。除流體力學外,系統動力學方法擅長處理高階、非線性的含時問題,因此在人口遷移中結合系統動力學,可以評估不同錯綜復雜因素對人口遷移所產生的影響(如下圖),包括分析遷移動力學方程平衡點的存在性和唯一性、人口變化狀態的穩定性等,最終建立起定性且定量的力學模型,在很大程度上預測出人口宏觀而長期的變化趨勢及未來的人口規模。再如層次交叉,將其與信息科學中的深度學習、機器學習相結合,可以產生信息力學,其內容包括多層次深度學習、賽博空間力學、數據驅動動力學等。又如質智交叉,其進一步的發展可導致神經心理力學,與心理學從古典心理學發展為神經心理學的態勢相類似。若考察擴散張量場與應力場、應變場的關系,與腦密度、水含量等標量場耦合在一起,會導致對腦的思維環境起著宏觀調控作用的神經心理研究。最后提及剛柔交叉,有關的研究可以涉及動力學與控制學科與機器人科學的交叉,探討設計具有最優力學性能的機器人之路。
未來方向
力學的一個未來的新方向是極端力學。極端力學研究極軟或極硬的物質,在極高或極低的溫度下,承受極強或極迅速的加載方式,所呈現的特殊力學行為。該方向將極大地拓展力學學科的疆域。其前沿方向有:400Gpa力學、軟物質力學、超強超硬物質構造、超硬材料力學、極高溫力學與極限耐高溫結構、溫熱物質力學、低溫力學、 冰力學、超高壓力學、高超聲速流體力學和超燃,超高速沖擊動力學等。
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30倍聲速!我國JF22超高速風洞預計2022年建成.揚子晚報網.2024-01-26
【人民網】首個“中國風洞”誕生始末:托起空天飛機的“巨龍”----中國科學院.中國科學院.2024-01-26
三十而立!中國載人航天30年的高光時刻-中新網視頻.中國新聞網.2024-01-12
我國首臺套盾構機用超大直徑主軸承研制成功.中國科學院.2024-01-20
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