摘要：力之大道兩周天，旨在說明無論是工程還是科學問題，處處都有力學的道理。以此為綱，交流7個工程問題，7個科學問題，各取一周天之數。講述內容分三部分。先介紹錢學森先生的傳承與思想，第二、三部分分別介紹7個工程案例和7個科學案例，工程的案例旨在說明力學之碩果，科學的案例旨在說明力學之源泉。

關鍵詞：錢學森，工程問題，科學問題，力學

 

一、錢學森先生介紹

先介紹錢學森先生的傳承與思想。以前力學和物理是不分家的，到20世紀初出現了應用力學學派，如當時有名的哥廷根學派。由于邊界層理論的工作，普朗特先生被譽為“空氣動力學之父”，且執哥廷根學派之牛耳。他的一位弟子是鐵木辛柯。圖1是烏克蘭的一張郵票，所緬懷的肖像就是鐵木辛柯。我曾經訪問過基輔技術大學，他們查了我的師承，知道鐵木辛柯（多年前在該校工作過）是我的五代師祖，就送給我這張郵票以示紀念。這張郵票上列出了一個方程式，它就是材料力學中著名的鐵木辛柯梁方程。鐵木辛柯早期做了很多力學建模工作，把復雜的工程問題凝煉為力學方程。   

圖1 紀念郵票，左：鐵木辛柯；右：馮·卡門

 

普朗特還有另一位弟子叫馮·卡門。二戰前夕，希特勒在德國迫害猶太人，馮·卡門和很多猶太人科學家來到美國，輾轉至加州理工學院。馮·卡門和鐵木辛柯在加州一南一北（分別于加州理工學院和斯坦福大學），把美國的應用力學學科帶動起來。馮·卡門著名的學生、助手有幾十位，其中包括錢學森先生和錢偉長先生。我訪問過馮·卡門曾經工作過的實驗室，在馮·卡門當年的辦公桌上放著一本小冊子，內中逐一評述馮·卡門的學生，其中就有錢學森先生。囿于冷戰時的政治環境，那本小冊子對中國頗有偏見，在對錢先生的介紹中講到“很不幸后來錢學森回到了中國，在紅色中國發展了導彈”。小冊子認為錢學森先生回國是美國的一大損失。哥廷根學派的另一位代表人物是海森堡，他博士論文的工作是研究固體結構的屈曲，后來成為量子力學的主要創始人之一。

德國戰敗之際，美國和前蘇聯接收團來到德國。前蘇聯把德國大批軍工裝備和儀器設備運回國內；而美國更重視人才的接收。當時在加州理工學院任教的馮·卡門和他的學生錢學森一道，來到德國，成功說服普朗特來到美國，參見圖2。這張照片出自馮·卡門的回憶錄 The Wind and Beyond。該回憶錄由一位記者整理，記錄了馮·卡門的生平。其中圖2這張照片非常珍貴，因為普朗特是德國空氣動力學的代表（如機翼理論和V2飛彈），馮·卡門是美國航空航天的代表，而錢學森后來成為了紅色中國導彈技術的領軍人物。可稱這張圖為“空天三代”。除了普朗特以外，當時還有一位叫布萊恩的科學家也受邀來到美國，他對美國核武器發展起了重要的作用。

圖2 空天三代，引自馮·卡門的回憶錄The Wind and Beyond，圖中師承三代，分別是德國、美國和中國的空天事業開拓者

 

師承是非常重要的。我本人有兩條師承線。第一條線源于我的美國導師Ben Freund教授，他曾任國際理論與應用力學大會的主席。Freund教授的導師是Jan Drewes Achenbach教授，他年近八十，仍在學壇耕耘。Achenbach的導師是一位姓趙的先生Chi-Chang Chao，他從美國回到臺灣，在臺灣成功大學創辦了航太研究所。Chao的導師是Bruno Boley教授，他多年來擔任美國機械工程師學會的主席。再往上數，數到鐵木辛柯是第5代，數到普朗特是第6代。如果按照這一條線溯及以往，可以得到師承譜系樹，一直可以追溯到拉普拉斯、高斯、伯努利等學術大家。

另一條師承線源于我的碩士生導師黃克智先生，黃先生的師母是陸士嘉，陸先生是普朗特先生唯一的女弟子，   華人弟子，關門弟子。陸先生回國后在清華任教，在院校調整時轉到北航任教。北航最近成立了陸士嘉空氣動力學實驗室以示緬懷。從這條師承線上數三代就到普朗特了。錢學森先生非常尊重師承。他回國不久，國家為他工作方便配了一輛車。錢先生每次乘車去北航，車到北航校門口必下車步行，講不能開車進去，師姑在里面。

美國航天之父馮·卡門，他的學生中國航空之父錢學森，他們兩位是怎么闡述科學和工程呢？馮·卡門講“科學家發現現存的世界，工程師創造未來的世界”。他又講“力學既可以發現現存的世界，也可以創造未來的世界”。錢學森先生講“工程科學主要是研究人工自然的一般規律，是理論研究和應用研究的結合，主要探討基礎理論與應用理論”。

71年前，二戰剛剛結束，錢學森先生回到中國進行短暫度假。錢學森先生本人是杭州人，他本科求學于交通大學。大三時他去杭州筧橋機場做暑期實踐。筧橋機場當時是國民黨空軍的一個主要機場，總工程師叫王助。當錢先生還是一名大學生的時候，王助先生已經頗有名氣，他是麻省理工學院的碩士，參與創建波音公司，后來成為波音公司的總工程師。王助先生認為一位華人在波音公司的發展會受到限制，所以就回國，到筧橋機場主持技術工作。錢學森先生通過暑期實踐與王助先生成了忘年交。他1947年回到杭州時又去看望王助先生，并到杭州、上海、北京3個學校進行演講。他首先在竺可楨校長的陪同下到浙江大學工學院進行演講。其兩小時講演的題目是“工程科學與工程”。在《竺可楨日記》中是如此描述錢先生的講演的：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于分離，近則以發達過甚又趨于互相聯系之狀況。次述科學能解決若干問題，可于理論決定，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”。這里，竺可楨校長專門講到了錢學森先生的觀點，即以往都認為：如果理論的結果和實驗的結果不符合，則認為理論有誤；而錢學森先生的意見與之不盡相同，他認為：如果是好的理論，而實驗沒有對上，那也可能是實驗沒有做好。“工程與工程科學”這篇文章于1948年刊登于Journal of the Chinese Institution of Engineers。后來這篇文章被譯為中文，于2009年11月25號在《力學進展》上再度刊登，注明這是錢先生于1947年夏天在國立浙江大學、交通大學和國立清華大學對工科學生所做的講演。

力學最早的研究對象以機械運動為主。今天，百科全書上關于力學的表述是高度包容的，即“力學是關于力、運動及其關系的科學”。“力學研究介質的運動、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規律”。新的定義把力學的概念拓寬了，力學是研究交互作用，交互作用就產生了力，這就是力學。習近平總書記2018年5月28日在兩院院士大會的講話中談到了力學：“《墨經》中寫到，‘力，形之所以奮也’，就是說動力是使物體運動的原因。”這段話講得很深刻，總書記認為各種經濟問題，文化問題、政治問題、發展問題，歸根到底都是力和運動的問題。這就是本篇演講中所力圖勾勒的“力之大道”。特以此作為緣起。

來源：力學與實踐

作者：楊衛