楊衛重返浙大的第一課：力學中的嚴肅八卦

知識 11-05

9月17日，楊衛在浙江大學為本科生主講《力學導論》

導讀

2018年9月17日，剛卸任國家自然科學基金委主任一職的楊衛回到曾經工作過6年的浙江大學，為本科生主講本科生通識課程《力學導論》。楊衛梳理了力學從古至今、從西至東的發展脈絡，強調了工程科學在現實層面上的意義。世貿大廈為什麼會坍塌？日本的「三十三堂」為什麼能夠防震？答案在力學裡。

講者 | 楊衛整理 | 趙沛責編 | 張歡

我先介紹一下什麼是力學。在今年的兩院院士大會上，習近平總書記有這麼一段話：「《墨經》中寫道，『力，形之所以奮也』，就是說動力是使物體運動的原因。」在《大百科全書·力學卷》中，對力學比較新的定義是：「力學是關於力、運動及其關係的科學。力學研究介質運動、變形、流動的宏微觀行為，揭示力學過程及其與物理、化學、生物學過程的相互作用。」力最早是研究機械運動的規律，後來擴展到所有相互作用，有相互作用就有力。六年前在北京召開了在中國舉辦的第一次世界力學家大會——第23屆世界力學家大會，這也是歷屆大會中參會人數最多的。當時，時任北京市市長給參會的所有力學工作者發了一封英文邀請信，裡面提到力學的時候用了三句話：1、Mechanics simplifies the first glimpse of scientific understanding of the human being for the physical world（力學標誌著人類對物理世界之科學理解的第一縷曙光）；2、Mechanics forms the background of science and engineering（力學構成理工的脊樑）；3、Mechanics paves the foundation for infrastructures of numerous cities in the world （力學鋪就了世界上無數城市建設的基石）。我將從五個方面給大家介紹力學往事。

溯源——理工合一

中華文明發展中的「學」和「匠」是分離的。中國古代的學者被稱為「士」，如孔子、孟子等，他們的地位和匠人是不可同日而語的。但是西方科技發展的早期是不分理工的。舉一個例子——達·芬奇（Leonardo da Vinci）。達·芬奇是一位著名的畫家，是位藝術工作者，但是他還有其他許多身份，比如人體解剖學是達·芬奇最早開始研究的，他與醫學的發展有很大關係。我曾經去過義大利的博洛尼亞大學，這是世界上最早的大學，已經有900多年的歷史了。這所大學裡面最珍貴的就是當年他們建校的時候，教授做醫學研究留下的各種各樣的儀器、設備和教學草稿等。所以藝術家和醫師都是共通的，雕刻大理石和拿手術刀沒有太大區別。同時達·芬奇還是位非常偉大的工程師。比如他設計的水輪機中，包括一個彈性勢能的釋放裝置，水輪機一旋轉就把裝置絞緊，沒有水的時候彈簧就鬆開釋放彈性勢能。達·芬奇的手稿里還曾經表現過湍流，由大渦和小渦重重疊疊地構成，這是現代力學研究的一個重要內容。我們的國家博物館曾經展出過一次達·芬奇工程方面的手稿，裡面的設計非常精緻。一兩年前清華大學藝術博物館剛剛開放的時候，裡面最珍貴的展品就是租了一批達·芬奇手稿的高仿複製品，讓觀眾領略達·芬奇當時對工程方面的研究。所以工程、醫學、藝術和達·芬奇都是聯繫在一起的。那個時候的藝術家都非常善於把工程和科學方面的一些研究用藝術的手段表現出來。

500多年前，達·芬奇畫作中的湍流由大大小小旋渦組成

另一位著名的科學家是伽利略(Galileo Galilei)。他是義大利著名的物理學家、天文學家和哲學家，是近代實驗科學的先驅者，其成就包括改進望遠鏡和其所帶來的天文觀測，以及支持哥白尼的日心說。人們傳頌：「哥白尼發現了新大陸，伽利略發現了新宇宙。」史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）說，「自然科學的誕生要歸功於伽利略，他在這方面的功勞無人能及。」伽利略最著名的一本著作叫做《關於兩門新科學的對話》，這本書的書皮是一面牆，中間插著一根梁，下面吊著一個重物，這是我們一個典型的材料力學問題。用我們今天的模型來說，就是一根懸臂樑，它有一定的長度和高度，在一端有一個重物，使它產生彎曲。伽利略在幾百年前就開始研究這個問題，他認為，梁在受到重物彎曲時，最下面的一層是不變形的，而上面的層被拉長，受到的力是上面最大，下面為零。這個模型後來被發現是錯的。所以現在用的不是伽利略的梁模型，而是歐拉-伯努利（Euler-Bernoulli）梁模型，在這個模型里梁的上面受拉，下面受壓，中間有一個地方是不變的，我們叫做中性面或中性軸。所以偉人犯錯誤也是必然的。

艾薩克·牛頓（Issac Newton）爵士是人類歷史上出現的最偉大、最有影響的科學家。他兼具物理學家、數學家和哲學家於一身，晚年醉心於鍊金術和神學。他在1687年7月5日發表的不朽著作《自然哲學的數學原理（The Principia）》里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。這四條定律構成了一個統一的體系，被認為是「人類智慧史上最偉大的一項成就」，由此奠定了之後三個世紀中物理界的科學觀點，被稱為現代工程學的基礎。美國國父托馬斯·傑弗森（Thomas Jefferson）曾說過，「美國憲法是臣服於牛頓力學規律的。」《自然哲學的數學原理》這本書的原本現存於劍橋大學三一學院，這個學院同時還保存有達爾文（Charles Darwin）的《物種起源》原本，這兩本書是三一學院的鎮院之寶。牛頓在書里寫道，「現在我要演示世界體系的框架」。拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）評價牛頓時說，「牛頓是最傑出的天才，同時也是最幸運的，因為我們不可能再找到另外一次機遇去建立世界的體系。」愛因斯坦（Albert Einstein）也說過，「幸運的牛頓，幸福的科學童年！他融實驗者、理論家、機械師（力學師）為一體，同時又是闡釋的藝術家。他以堅強、自信和孤獨的姿態屹立在我們面前。」

和牛頓同時代的還有一位科學家叫羅伯特·胡克（Robert Hooke）。現在一般提到胡克時會提到他最有名的顯微學，把他稱為「細胞學之父」。現在英國還殘存著一個Willen church，是當年胡克設計的。在倫敦的主教門（Bishopsgate）有一個窗戶，上面有胡克的畫像。胡克在力學裡最重要的貢獻是一篇很短的文章，裡面有一個字謎（ceiiinosssttuv）。如果把這個字謎破譯了（ut tensio sic vis），它的意思是「張力和變形成正比」，現在我們把它稱為胡克定律。

當年胡克所設計的Willen Church

我們再介紹一下義大利的三位伯努利：雅各布·伯努利（Jakob Bernoulli），約翰·伯努利（Johann Bernoulli）和丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）。他們一家人在科學研究上都有很大的成就，而且他們在教育學上也有很高的功績。我在美國的一位師兄研究了一下我們的學術家譜，發現可以一直往上數到伯努利家族，大概隔了二十多代。歐洲大陸的科學很多都是起源於義大利，然後傳到法國和德國，沿著這樣一條路線往下傳。

還值得一提的是歐拉（Leonhard Euler）。歐拉是瑞士的數學家和物理學家，他被一些數學史學者稱為歷史上最偉大的數學家之一。他有一個很有趣的問題——歐拉彈性問題（Euler"s elastica），就是說一根彈性的杆子，如果被壓縮的時候就會由直變彎，中間還會彎上好幾次。他發現這個問題要求解一個微分方程，歐拉找到了其中的解，這個方程的解就叫做Euler"s elastica。歐拉一生寫了幾千篇論文，其中有許多都是經典之作。

歐拉計算的一系列彈性直桿變形曲線

還有一位法國著名的科學家泊松（Simeon-Denis Poisson）。我們現在說的泊松比就是以他的名字命名的。什麼是泊松比？一根杆子如果被拉伸，它的橫截面就會收縮，這個收縮和拉長的比就被稱為泊松比。也有一些材料，在拉長的過程中橫截面會產生膨脹，這就是負泊松比材料。泊松還有過許多其他的貢獻，比如縱波和橫波。

法國有一所百多藝學院（école Polytechnique，即巴黎綜合理工大學），這是拿破崙建的一所學校，相當於我國的國防科技大學，一直都是法國最好的大學之一。這個學校當時有許多著名的學者，包括泊松、拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）等，大家學高等數學時碰到的名字基本都是這個學校的教授。其中還有一位教授名叫柯西（Augustin Cauchy），他是把數學嚴格化的代表人物。但是他本人原先在橋樑工程學院，是橋樑工程師和運河工程師，後來他成為了著名數學家，建立了嚴謹的數學分析，也是彈性力學的集大成者。他有很多力學上的貢獻，比如主應力與主應變、廣義胡克定律、應力分量型運動方程與邊界條件等。

柯西之後是拉格朗日。力學裡有兩個著名的構型，一個叫歐拉構型，一個叫拉格朗日構型。歐拉構型是在空間坐標系裡觀察事物，拉格朗日構型是隨著質點的運動觀察事物。拉格朗日創立了分析力學，同時用分析力學的方法去研究天體力學，其中最有名的發現是拉格朗日點。拿破崙稱讚他為「數學科學高聳的金字塔」。哈密頓（William Hamilton）講道，「拉格朗日展現出一個驚世駭俗的公式，描述了系統運動萬變的結果；拉格朗日方法的美在於它完全容納了其結果的尊嚴，以至於他的偉大工作彷彿像一種科學的詩篇。」

再轉至英國。喬治·格林（George Green）是英國人，他本身是一位miller——miller可以翻譯為磨坊主或者磨坊工——後來靠學數學和物理學自學成才。高等數學裡有一個「與路徑無關的積分」，這個積分的條件就是由格林建立的，即在一定條件下存在一個標量勢，可以用來描寫整個過程。當時格林在彈性力學理論中運用這種「與路徑無關的積分」方法推導出了21個獨立的彈性力學常數，與之前柯西推導的結果不同。當時格林與學院派學者們產生了一系列爭論，後來他被證明是正確的。

法國的學派代表人物是聖維南（Saint-Venant）。力學裡有一個著名原理即為聖維南原理。聖維南的一項重要貢獻是半逆法求解：一個問題先通過「猜」，解可能是什麼、大概是什麼類型，如果最後能做出來，就代表猜對了。聖維南用這種方法求解了許多問題，包括非圓截面的彎曲、扭轉問題等。

德國有位工程師叫做基爾霍夫（Gustav Kirchhoff），他是一位電磁學的奠基人，然而他最著名的作品是《力學（mechanik）》，最重要的貢獻是板的理論。另外，亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）創立了自由能理論和亥姆霍茲變換等。他還證明了對於理想流體而言，它的渦面永遠是一個物質面；但是對於真實有粘性的流體，它的渦面就不再是物質面。

還值得一提的是哈密頓，他創立了哈密頓力學。引用薛定諤（Erwin Schr?dinger）的話，「現代物理學的發展讓哈密頓聲譽日隆。他著名的力學-光學類比實際上催生了波動力學。波動力學本身對哈密頓眾多的科學思想並未有多大的拓展，現代物理學所有理論的核心概念就是哈密頓量。所以，哈密頓是有史以來最偉大的人物之一。」

緣起——理工分離

近代100多年的力學發展中，最先開始的是應用力學的興起。最早是德國的哥廷根學派（Gottingen Circle），代表人物是普朗特（Ludwig Prandtl）和他的學生鐵摩辛柯（Stephen Timoshenko），兩人的形象都被他們所在的國家印在了郵票上。普朗特的另一個學生是馮·卡門（Theodore von Kármán），馮·卡門的學生是錢學森、錢偉長等。哥廷根學派另一個著名人物是海森堡（Werner Heisenberg），後來創立了量子力學中的矩陣力學，他的博士論文是關於流體穩定性的。

普朗特相當於哥廷根學派的祖師爺，他最主要的貢獻是解釋了飛機在飛行過程中如何產生升力。升力的產生是由於空氣本身有粘性，而粘性和飛機機翼之間形成了邊界層，邊界層對飛機產生了升力，由此導出了升力線理論。在這一基礎上就可以用空氣動力學計算出飛機飛行過程中升力和阻力的大小。這一理論後來進一步導出了層流和湍流的邊界層理論。層流邊界層理論的解是科學家勃拉休斯（Paul Blasius）獲得的。湍流的邊界層理論比較複雜。北京大學佘振蘇教授最近寫了一篇有七部分的文章討論湍流邊界層，現在前三部分已經發表。

在彈性力學方面，勒夫（A. H. E. Love）寫作了一本奠基之作《彈性力學》。

普朗特的學生鐵摩辛柯後來去了美國，在斯坦福大學任教。所以美國應用力學的興起得益於兩個人，固體力學方面是鐵摩辛柯；另一個是加州理工的馮·卡門，他是流體力學方面的專家。現在美國應用力學的最高獎就是鐵摩辛柯獎，這也是國際上公認的力學最高獎。

同時，前蘇聯的力學也在發展，他們是穆斯赫利什維利（Muskhelishivili）學派，應用複變函數來求解彈性理論的問題。這個學派最著名的貢獻是一本書：《Some Basic Problems in Mathematical Theory of Elasticity》。

到了上世紀三十年代，國際力學界認為應該形成自己的學術組織，於是就成立了國際理論與應用力學聯合會（International Union of Theoretical and Applied Mechanics），也就是IUTAM。IUTAM的提議者是當時在德國的馮·卡門和英國的泰勒（Geoffrey Taylor）。當時參加第一屆IUTAM的只有幾十個人。現在IUTAM的大會每四年召開一次，被稱為力學的奧林匹克，大概有兩千人參加。中國的力學大會是每兩年舉行一次，每次有三千人參加，可見中國的力學發展是非常快的。

上世紀三十年代，國際理論與應用力學聯合會成立

馮·卡門對科學的貢獻非常大，但是工程學界很難獲得諾貝爾獎，美國對這種情況專門設立了一個「科學勳章（Medal of Science）」，馮·卡門是第一位獲獎者。在馮·卡門獲獎以後，記者Lee Edson專門採訪了他，寫了一本書《The Wind and Beyond》，中文翻譯為《雲天之上》，他將馮·卡門描述為航空事業的先驅和探索宇宙空間的尋路人。這本書裡面有一張有意思的照片，裡面是普朗特、馮·卡門和錢學森，我們現在把他們稱為「空天三代」。普朗特是二戰時期德國空氣動力學的領軍人物，馮·卡門是美國航空航天界的領軍人物，馮·卡門的學生錢學森後來回到中國，成為了中國科學界的領軍人物。這張圖的背景是二戰結束以後，前蘇聯把德國的設備運回了前蘇聯，而美國則比較重視人才，就讓馮·卡門和錢學森去德國請普朗特。如果我給大家梳理一下我的師承，我的導師是Freund，他的導師是Achenbach，再往上數是一位台灣的趙教授（Chi-Chang Chao），台灣的航太所是他建立的。趙教授的導師是Boley，也是多年的美國機械工程師學會（ASME）的主席。Boley的導師是Hoff，而Hoff再往上數就是鐵摩辛柯和普朗特，最後一直可以數到柯西、伯努利這些人。

空天三代，普朗特、馮·卡門和錢學森難得同框

現代力學學派成立以後，就形成了兩條發展路線。一條是理論力學，後來發展出四大力學，即量子力學、相對論力學、電動力學和統計力學。量子力學的核心就是剛剛提到的哈密頓量，相對論力學是對牛頓力學的一個重大修正，它揚棄了牛頓力學的一些不準確的地方。電動力學是在基爾霍夫和亥姆赫茲電磁學理論的基礎上建立起來的，統計力學則是基於統計方法。現代物理學就在這四大力學的基礎上發展出來。另外一條發展路線是應用力學，最後就演變成連續介質力學，它主要的應用領域是工程科學和技術科學。

湧現——工程科學

馮·卡門有句名言：「科學家發現現存的世界，工程師創造未來的世界（Scientists discover the world that exists; engineers create the world that never was）。」「Mechanics is at the most exciting stage and we can do both!」錢學森也說過，「工程科學主要是研究人工自然的一般規律，是理論力學和應用力學的結合，主要探索基礎理論的應用問題。」這句話是1947年7月28日，錢學森在竺可楨的陪同下到浙大工學院演講《工程科學與工程》時提出的。後來他在交通大學和清華大學也講過相同的話。他的演講稿於1948年發表在《Journal of the Chinese Institution of Engineers》英文期刊上。後來這個演講被翻譯成中文，在2009年錢學森一百周年誕辰時發表在《力學進展》上。竺可楨在當年的日記中寫道，錢學森「述工程科學之進展必賴基本科學，古代應用科學與純粹科學之合一，十九世紀漸趨於分離，近則以發達過甚又趨於互相聯繫之狀況。次述科學能解決若干問題，可於理論決定，不需實驗已能證明。一般人說理論與實驗為二事之不合理，因理論不正確也。次述理論對將來工程科學之發展。」後來錢學森又專門寫了一篇文章發表在《科學通報》上，題目是《論技術科學》，裡面指出，「1. 技術科學是介於自然科學與工程之間的一門獨立的科學, 也可以稱之為橋樑；2. 技術科學研究的對象是工程環境下的複雜系統, 它追求的是雖不十分精確且帶有一定經驗性的實用規律, 但必需是最大程度上建立在自然科學和數學基礎上；3. 技術科學的目標不是一個具體工程中的個別問題, 而是一類或幾類工程中帶有共性的『一般性』問題；4. 在開發一種新的工程技術時, 技術科學工作者首先要能對其可能性、可行性和克服困難的主要途徑作出判斷。」

之後技術科學不斷發展壯大，中國科學院專門成立了技術科學學部，技術科學部後來又分出來信息技術科學部。同時中國也專門成立了中國工程院。現代世界一流大學越來越注重於工程與科學新原理的結合，也即現在我們常常提到的「新工科」，它的核心思路是理清需求、凝聚學科、建立模型、三位一體（分析/計算/實驗）、提出預測和支撐設計。

二戰後出現了幾位著名的力學家。一位是Koiter，他的博士論文是研究容器屈曲和缺陷的關係。後來為了紀念他對力學的貢獻，美國機械工程師學會設立了一個Warner T. Koiter Medal，其榮譽性僅次於之前提到的鐵摩辛柯獎。我是2017年的Koiter獎得主。二戰後也有一些新的力學學科開始發展起來，其中典型的是斷裂力學。斷裂力學最有名的開拓者是Griffith，2019年是Griffith的標誌性工作發表100周年。另外一位標誌性人物是Irwin，他的主要研究是戰爭期間船舶沉沒時的低應力脆斷現象，最後產生了斷裂韌性這一概念。Rice教授是在世最著名的斷裂力學研究者，是彈塑性斷裂力學的開拓者，在1968年提出了J積分的概念。

力學另外一個重要的里程碑是發展了有限元。現在認為有限元思想最早來源於Courant。後來兩位土木工程師Clough和Ziekiewitz和中國數學家馮康，也為力學界和工程界里有限元的廣泛使用做出了巨大貢獻。

示例——典型問題

力學中的一個非常典型的問題是湍流。湍流是一個複雜性問題，在航空、航天、航海、環境、天體中都能看到湍流的痕迹。湍流是流體運動的普遍形態，是流體力學核心問題，也是一個世紀難題。在物理上，湍流代表了一種多尺度、多結構的強非平衡狀態；在數學上， Navier-Stokes方程解的性質是新千年七大數學難題之一，也是現在很多人正在研究的問題。湍流中有序性和隨機性共存，具有高自由度與強非線性特點。物理學家費曼稱湍流是「經典物理中最後一個重要的未解決問題。」湍流對數學、力學、物理等基礎科學有著深刻影響，已經成為影響國家航空航天航海等工程成敗的關鍵瓶頸之一，是國家迫切需要解決的重大應用基礎課題。湍流早期研究的主要貢獻者是理查德森、泰勒、柯爾莫哥洛夫和朗道，他們共同建立了經典的湍流統計理論。這些早期研究意識到湍流結構的存在，但無法進行準確的觀測，也忽略湍流結構的複雜性，僅僅考慮能量級串簡單模型。理查德森還求解了能量級串物理圖像，通過量綱分析得到大小尺度之間運動能譜的統計規律。湍流結構具有多樣性，如擬序結構和條帶結構等。湍流至今仍是一個難以解決的問題，目前為止力學唯一的一個重大研究計劃就是關於湍流結構的。

湍流結構具有多樣性。黑白圖：實驗中發現的經典湍流結構。彩色動畫圖：後期發現多種湍流結構，按順序依次為：1.邊界層發卡渦；2.熱對流渦卷；3.標量湍流坡崖結構；4.卡門渦街；5.磁流體電流片；6.橫向射流液柱破碎；7.對稱流中長渦管；8. Rayleigh-Taylor不穩定性氣泡尖釘結構；9.射流雜訊結構；10.圓管流中Puff結構

另一個例子是世貿大樓的坍塌。當年恐怖分子劫持了飛機後撞在了大樓的80多層，引起了大火，大火燃燒了一段時間後大樓就發生了坍塌。世貿大樓的建設是符合摩天大樓的建築規範的，主要由鋼結構構成。後來美國土木工程師協會的期刊上發表了一篇名為《Why Did the World Trade Center Collapse?——Simple Analysis》的論文，其中認為當飛機撞擊在大樓中部時引起了結構的損壞和大火，進一步引起中間結構的變軟和屈曲變形，但是上部還有二十多層的大樓重量，從而引起上部大樓類似自由落體的下墜，並進一步引起應力波，造成大樓的坍塌。這種情景在當時設計建造大樓的時候是從未考慮過的。

911事件世貿大樓坍塌現場圖（上）與《Why Did the WorldTrade Center Collapse?——Simple Analysis》一文中的坍塌原理圖（下）

有許多著作都曾經論述了力學在重大工程中的應用，其中有一本有代表性的是李國豪和吳有生編著的《力學與工程》。這本書提出了許多重大工程中的例子，如水輪機中發電機臨界轉速的控制，上海東方明珠塔天線在風振作用下的運動等。另外，地震中也有許多有趣的力學現象。例如1999年發生在土耳其的一次地震中，可以明顯發現地震波往兩個方向的傳播上有很大差別，朝其中一個方向的速度甚至達到了超音速。這就導致了地震中心一側受到的影響很小，而另一側則發生了巨大破壞。我國的汶川地震當時向西傳播的地震波很快就停止了，而向東傳播的地震波則從映秀鎮破口停頓了一下以後突然轉彎朝著北川方向以超音速傳播，因此對北川的影響就非常大。日本人對地震的了解比較多。日本著名的建築「三十三間堂」，經歷過多次地震完好無損，原因就是這個建築的地基採用的是一層一層的結構，所以震心的剪切波無法向上傳播。剪切波是地震中對建築產生破壞的最主要的因素。日本以前也是沒辦法造高層建築的，後來他們發現了一種可以主動控制地震危害的方法，就是在建築的四角裝有主動式避震器，在地震的時候可以感覺到地震波的方向並主動產生反方向的運動，從而抵消地震的危害。

飛行器設計也可以應用新的力學觀念，設計出採用複合材料的具有全新外形的飛機。比如機翼的方向是朝著機頭方向，可以使飛機具有新的空氣動力學行為。另外，在飛機測試中，掛鉛彈是檢測飛機可靠性的一種重要方式，這也是一種基於力學的測試方法。此外，用輕型太陽能電池板設計出全新的飛行器，可以不依靠其他能源進行全天候的飛行。

再看太空梭的設計。火箭在發射的時候，非常重要的一點是這個過程中振動的情況。以前的火箭設計比較保守，所以結構係數較低。例如潛水艇在水中發射對空火箭的過程中會在水中形成空泡。這個空泡在水壓不對稱的情況會淬滅，其間產生的卸載波作用在火箭上，使得原本應該承受水體壓力的火箭改為承受拉力，許多導線連接都發生了斷裂，造成我國早期火箭發射中的幾次失敗。

不單在我國遇到過這種情況，其他國家也都有過相似的事件。例如美國哥倫比亞號太空梭的失事就是一個著名的事例，七名航天員不幸殉職。後來調查事故原因時，尋找到當時墜落下來的太空梭碎片，發現由於哥倫比亞號太空梭的熱防護材料曾經進行過改造，更換了一種更輕更薄的材料，目的是讓大氣層中飛機產生的熱不會傳到飛機內部。結果起飛過程中，一截抗熱閥掉落，砸在了這種新型防護材料上，這個衝擊過程給材料造成了裂紋，大氣層產生的熱量沿著裂紋傳給了下方抗熱性較差的材料，最後導致了整個太空梭的解體。

哥倫比亞號太空梭失事，七名航天員不幸遇難

另一個力學的分支是生物力學。這個分支的創立者是華人，華人科學家馮元楨先生是美國科學院、工程院和醫學院三院院士，被稱為「現代生物力學之父」，曾經獲得過羅素獎和美國國家科學獎章。生物力學描述了材料的大變形行為，這種行為不僅僅我們生活中經常見到，甚至一些電影拍攝中也有運用。比如大導演詹姆斯·卡梅隆導演的著名電影《阿凡達》，通過把真實演員的動作特徵與電影中「阿凡達」角色一一進行映射，這其中人體動作的行為就是通過生物力學理論來進行捕捉的。馮元楨先生的另外一個貢獻是提出了應力-生長關係理論。比如說，如果一個人骨折了，當骨頭被接好打上夾板後，很多時候還要進行牽引，也就是讓骨折的地方有個受力的工作，這就是應力能夠促進骨骼生長的例子。馮先生把他的許多研究結果都用在了實際生活中，比如他研究應用汽車安全設計使得撞車死亡率下降了30%。此外，他對於燒傷治療、理療也有很多貢獻。馮元楨先生當年創辦了美國第一個生物醫學工程系——美國加州大學聖地亞哥分校生物醫學工程系。後來由錢煦教授繼任該系主任，他和錢學森先生一樣都來自於浙江錢氏家族，也是美國三院院士和美國國家科學獎章獲得者。

中國力學學會

最後再介紹一下中國力學學會。中國力學學會從創會開始目前共經歷了十任理事長，分別為錢學森先生、錢令希先生、鄭哲敏先生（原來力學所所長、國家最高科技獎得主）、王仁先生（力學和地學專家）、庄逢甘先生（空氣動力學專家）、白以龍先生、崔爾傑先生（空氣動力學專家）、李家春先生（環境力學專家）、胡海岩院士（原來北京理工大學校長），我是第十任理事長。中國力學學會1957年成立，當時許多著名力學家都在第一屆理事會中，比如錢學森、錢令希、張維等。

中國力學學會歷任理事長，左起分別為：錢學森、錢令希、鄭哲敏、王仁、庄逢甘、白以龍、崔爾傑、李家春、胡海岩、楊衛

現在的中國力學學會已經有兩萬餘名會員、33個分支機構和18個學術期刊，並經常會為國家的重大項目提供諮詢，服務於國家重大科技需求。比如在2006年，中國力學學會組織了50餘位院士專家開展調研論證，向國家提交了《大型飛機研製中的關鍵力學問題建議書》，為我國的大飛機研製起到了非常重要的作用。此外，在高鐵、石油等方面，中國力學學會也起了非常大的作用。

2012年中國力學學會第三任理事長鄭哲敏先生獲得了國家最高科技獎。鄭哲敏先生的主要貢獻是提出了一種新的力學模型——流體彈塑性體模型，可以滿意地表徵介質在流體性質和固體性質之間的緊密耦合及其運動在時間和空間上連續變化的天然特徵，能夠統一處理從高壓氣體（幾百萬大氣壓）到低壓固體的爆炸與高速衝擊問題。這一理論是強動載荷力學效應領域標誌性的進展，奠定了作為新興的爆炸力學學科的理論基礎，已經被廣泛應用於地下核爆炸、坦克與反坦克武器、空間反導以及鑽地核爆彈等重要軍事應用。