任何自然科学学科发展与社会发展的关 系都是作用力与反作用力，固体力学也不例 外，学科随着社会的需求而发展，固体力学 的发展又进一步促进了社会的进步。

　　脆性破坏力学是人类早期大型建筑的基 础。 早期的人类，不管是八十万年前印度尼 西亚的爪哇人，还是十万年前的北京猿人， 还没有足够的意识去改变世界，只是生活在 洞穴或者树上，社会需要还没有对力学提出 要求。力学的产生一开始是源于古代人类社 会对结构分析的需要，例如公元前 3500 年 左右埃及人开始建造金字塔、神庙(图 1) ， 公元前 200 年秦朝开始修建长城(图 2) 。 早期人类的研究对象主要是以黏土为基础的 脆性材料，这类材料的破坏特性：容易受拉 破坏而不容易受压破坏。因此防止此类材料 脆性破坏成为当时社会关注的重点，古代埃 及人在长期的生活和实践中发现，沙石的堆 积角度为 30 度 -55 度之间(图 3) ，大于这 个角度，脆性材料将发生坍塌。因此，著名金字塔的堆积角度为 51 度(图 4) 。桥梁是 人类社会交通的必须。早期只能采用脆性的 砖石结构，必须考虑该类材料的特点。不管 是中国的赵州桥还是法国加尔桥，结构工程 师都做了相应的力学分析，见图 5，即采用 合理的结构设计，使得桥梁在使用过程中不 受拉。南法的加尔桥，见图 6，建于公元 1 世纪，不仅仅是座桥，也是罗马时代精巧的 供水系统，全部使用就地取材 - 采用当地的 一种典型脆性材料石灰岩建筑而成，一直使 用至今。

图 1 卢克索神庙(公元前 3500 年)

图 2 长城(公元前 200 年)

图 3 沙漠沙石在风作用下的堆积角 [1]

图 4 胡夫金字塔堆积角

图 5 弓形桥受力分析

图 6 南法加尔桥(建造于 1 世纪)

　　弓箭力学 - 早期冲击破坏力学，改变了 早期人类的生存方式。恩格斯曾说：  “弓矢 对于蒙昧时代，正如铁剑对于野蛮时代及枪 炮对于文明时代一样， 乃是决定性的武器”。 著名原始社会历史学家摩尔根曾把弓箭的发 明作为高级蒙昧社会开始的标志，在原始社 会，人类的社会需求是生存，狩猎主要通过 投掷石块和削尖的木头，直到人们发现可以 利用弓弦的弹力，将势能转变为动能以产生 强大的破坏力 [2]。弓箭作为狩猎工具，使人 类征服了野兽， 大大增强了人类的生存能力。 而中国境内发现的最早的石箭头确定为距今 28000 年左右，发现于山西朔县峙峪村 [3]， 见图 7。弓箭的破坏力，使它逐渐演变成战 争武器。中国弩在春秋战国时期就大量装备 部队，秦汉时已经成为了王朝军队中装备数 量最大的武器。早期的箭头为木质，主要用 于猎食动物。后期为了增加穿透强度，多采 用金属。箭头需要有相当的强度，23 公斤的 推力作用于 0.02 公斤的箭头上， 释放箭的一 瞬间将在箭头上产生大于 1000g 的加速度(g 为重力加速度) [4]。当接触目标时刻，接触 的加速度取决于目标的材料，大部分情况将更大，能达到 10000g 量级。古代对弓箭力 学性能的研究无从考证， 自 20 世纪中叶起， 当代数学力学家对弓箭的稳定性做了系统的 研究，见图 8，大部分研究成果用于奥运会 射击比赛。

图 7 三弓床弩(北宋)[3]

图 8 弓箭的力学模型 [4]

　　刀剑加工 - 最早的表面加工力学，极大 的推动了社会和生产力的发展。 从希腊的“达 摩克利斯之剑”到中国千古闻名的“湛卢”、 “太阿”，刀剑是冷兵器时代具有大杀伤力 的近战武器之一。从石器时代，石刀即是狩 猎的重要工具。而当石兵器被投入战争后， 古人为提高其杀伤力对其不断进行改造和发 展，制作出了以青铜为材料的青铜剑。春秋 战国时期，青铜剑已经成熟，并且出现了复 合剑：用含锡较低的青铜做剑脊 , 韧性强不 易断折；用含锡较高的青铜做刃 , 硬度高且 特别锋利，提高对战时的杀伤力 [5]。随着铁 铠的大量使用及骑兵的日益发展，更适合于 劈砍的刀成为了更优良的近身格斗武器。环 首刀兴起于西汉，现已发现的年代最早的环 首刀是从河北满城刘胜墓出土的，见图 9， 约西元前一百多年，属西汉初期 [5]。环首刀 是一种优质的高碳钢刀，很多刀身上都刻有 “百练(炼)清(精)刚(钢) ”等字样， 刀身经过反复折叠锻打， 极其坚硬而有弹性， 韧度高，猛力劈砍时能很好的吸收应力而使 其不易折断 [5]。鉴于钢在人类社会发展中的 重要地位，这种百炼钢技术的出现无疑又极 大的推动了社会和生产力的发展。刀剑不仅 在战争中极其重要，在社会文化方面也有非 常高的地位。“青铜礼器”即是将一些用于 祭祀和宴饮的青铜器物， 被赋予特殊的意义， 成为礼制的体现。而剑也作为一种礼器成为 一种礼仪配饰。在《通典   吐蕃传》中记载： “人皆用剑，不战亦负剑而行”，说明当时 上至赞普，下至百姓平民，佩戴刀剑成为一 种基本的日常行为，见图 10。

图 9 环首刀(西汉)

图 10 佩剑壁画(北朝)

　　材料缺陷引起的断裂力学发展，是工业 革命的基础。工业革命后，人类生产钢铁的 能力大幅提升，与砂土类材料相比，钢铁材 料能够承受拉伸载荷，人们终于突破了材料 对结构的限制。不过人们发现，在远低于设 计载荷下， 钢结构建筑会突然发生断裂事故。 例如 1969 年， 美国俄亥俄河上的一座大桥突 然断裂，造成严重的伤亡后果，当时载荷仅 为设计载荷的 40%。在第二次世界大战及其 以后， 大量高强度和超高强度材料在工程(特 别是宇航和军事工业)中广泛采用，用这些 材料制成的工程结构元件，曾根据传统的强 度理论作过计算和校核，但却发生了许多严 重断裂事故。二次世界大战期间，美国建造 的 2000 多艘 Liberty 货船， 发生 了 1000 起 以上的断裂事故，其中有 200 艘因为断裂导致沉没或者彻底破坏。图 11 为一艘 Liberty 货船的断裂事故图。1950 年，美国北极星导 弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸， 其破坏是由于壳体中存在 0.1~1mm 裂纹源引 起的。1975 年， 美国一架 DC-10 大型客机 在芝加哥奥黑尔国际机场起飞后不久坠毁。 据分析，事故是由于飞机发动机螺钉疲劳断 裂引起的。一系列的破坏事故，直接导致了 断裂问题从实验室科学家的兴趣爱好转变为 一个重大的工程问题，直接关系到社会安定 和国民经济。20 世纪初，Griffith 发展了断 裂力学，由此可以对有缺陷的材料进行力学 评估。随后 1948 年，Irwin 将 Griffith 的断 裂理论推广到韧性金属中，后提出应力强度 因子概念，逐步建立起线弹性断裂力学，用 于结构的安全性评估。1968 年，J. Rice 等 提出 J 积分概念，进而发展出弹塑性断裂力 学，将它们和传统的强度理论结合起来，可 以设计出更安全和更经济的工程结构 [8]。近 年来， 蓬勃发展的汽车工业、航天航空工业， 都得益于弹塑性断裂力学的发展。

图 11 二战期间美国 liberty 货船发生整体断裂 [7]

　　纳米科技的兴起，将固体力学带入了宏 微观结合的世界。20 世纪 90 年代初，纳米科技兴起，给人类社会的诸多领域带来了不 可思议的变革。纳米概念具有两个内涵：其 一，它是人类认识不断向微观层次推进的结 果。第二，它将使人类的认识从分离走向综 合。纳米科技所带来的不仅是科技和经济上 的革命，它将把一种全新的文明——纳米文 明展现在人类面前。固体破坏力学也开始向 小尺度发展。德国萨尔兰大学格莱德和美国 阿贡国家实验室席格，先后成功研究出了纳 米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良 好的韧性， 在 180℃经受弯曲而不产生裂纹， 这一突破进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近 一个世纪的科学家们看到希望。美国著名科 学家卡恩在 nature 上撰文说“纳米陶瓷是解 决陶瓷脆性的战略途径”[9]。这说明，裂纹 扩展与材料的一些微观特性，如晶粒大小、 位错等关系很大。同时，大量小尺度实验 表明，材料力学性能呈现出很强的尺度效应 [10-11]。因此，小尺度破坏力学需要考虑微 观效应。从哲学层面，宏观世界是由微观世 界所组成的，但在某种相对的意义条件下， 二者是可辨证性的。宏观是建立在微观之上， 是微观积累到一定的产物，从整体和部分来 讲，宏观是微观的集合。两者是统一的，微 观和宏观只是一个角度，微观的影响会制约 着宏观的发展 [12]。

　　任何学科的发展归根结底是为社会发展 服务。解决科学前沿或工程需求问题都是社 会进步的动力。当前，采用多学科交叉融合 和宏微观结合的方法，结合重大科学问题发 展固体力学成为趋势 [13]。社会需求业已比 较明确，方法论上已提出要加强多学科交叉融合和宏微观结合，而个人的作用只是在两 者之间建立桥梁。至于这个社会需求到底是 工程需求还是基础前沿，已经与历史车轮的 前进无关。

　　参考文献：

　　[1] H. Al-Hashemi, S . Al-Amoudi. A review on the angle of repose of granular materials. Powder Technology. 2018 330: 397-417

　　[2] 杜君立，历史的细节，上海三联书店出

　　版社，2016.

　　[3] 韩国玺，   弓弩杂谈 - 中国古代弓弩概述，

　　《现代兵器》，2009 .7，65  – 69

　　[4] B .W .  Kooi & J .A .  Sparenberg.  On  the mechanics of the arrow: Archer's Paradox. Journal of Engineering Mathematics. 1997 31: 285 – 303

　　[5] 皇甫江，中国刀剑，明天出版社，  2007 年

　　[6] 王藏毛，浅析藏族古代兵器的发展，西 藏艺术研究，2018.1，83-89

　　[7]  C . Leiber  and B . Dobratz . Assessment of Safety and Risk with a Microscopic Model of Detonation, Elsevier Science, 2003

　　[8] Anderson  TL,    “Fracture  Mechanics: Fundamentals and Applications”, 3rd ed., CRC Press

　　Inc., Boston, 2005.

　　[9] 徐志军，初瑞清，“纳米材料与纳米技术”， 化学工业出版社，2010 年

　　[ 10]  F le c k  NA ,  Mu l le r  G M,  A s h by  M F , Hutchinson JW,   “Strain gradient plasticity: Theory and experiment”, Acta Materialia, 1994, 42(2):475-

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　　[11] St？lken JS, Evans AG,   “A microbend test method for measuring the plasticity length scale. Acta Materialia”, 1998, 46(14): 5109-5115.

　　[12]Hutchinson JW,    “Linking  Scales  in Mechanics”, In: Karihaloo BL, Mai YW, Ripley MI, Ritchie RO, eds. Advances in Fracture Research. Amsterdam: Pergamon Press, 1997, 1-14.

　　[13] 杨卫，    “中国内地的力学研究地貌图”， 中科院力学所报告，2020 年 3 月 26  日