縱觀力學(xué)的發(fā)展歷史，可以看出，力學(xué)的發(fā)展一方面和探索天空的秘密相關(guān)，另一方面和解決工程技術(shù)問題相關(guān)。因此在力學(xué)發(fā)展的歷史上，有兩類學(xué)者發(fā)射出耀眼的光芒。
前一類關(guān)注天空的學(xué)者如哥白尼、開普勒、伽利略、牛頓、高斯、龐卡萊、愛因斯坦等；后一類學(xué)者如阿基米德、斯提芬、雷諾、納維、圣維南、普朗特、泰勒、馮卡門等。不過在一般力學(xué)史敘述中，對在解決工程技術(shù)問題的同時也發(fā)展和豐富了力學(xué)理論的杰出工程師卻很少提到。
本文就是要列舉幾位杰出的工程師在力學(xué)上的貢獻。他們畢生所從事的職業(yè)是設(shè)計和制造或施工，不過他們并不滿足停止于此，他們要從日常工作中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象或提升出帶普遍性的規(guī)律，上升為理論，從而推動力學(xué)學(xué)科的發(fā)展。
由于在文藝復(fù)興以前，學(xué)者與工程師的分工并不像以后那樣明顯，例如像阿基米德、斯提芬，就既是學(xué)者也是工程師。所以我們只舉比較近代職業(yè)明確的幾位工程師為例來敘述。他們是達(dá)西、羅素、蘭金、埃菲爾、蘭徹斯特和太沙基六位。
達(dá)西(Henry Darcy, 1803-1858)
法國供水和道橋工程師
在他大學(xué)畢業(yè)后，于第戎(法國東部的城市)城市供水與道橋工程部門工作。1828年他被任命去打一口深井以解決當(dāng)?shù)氐墓┧畣栴}，結(jié)果以失敗告終。后來他主張以距該市十多公里處的水庫供水來解決用水問題。他總共用了十多公里的暗渠和28000m的管線，解決了上百條街道的主要建筑物的供水問題，而且是完全利用重力而無需一臺水泵。后來他轉(zhuǎn)到巴黎工作，擔(dān)任供水和道橋部門的高級職位和指導(dǎo)。
達(dá)西在水工設(shè)計之余，關(guān)注流體流動規(guī)律的探求。他從在第戎供水工程中，就注意滲流的規(guī)律，后來在他1855年退休后，又進行實驗驗證，最終確立了現(xiàn)今所稱的達(dá)西定律，即滲流的流速與壓強的梯度成正比。這個定律是滲流運動的第一個定量的精確描述的定律，也可以說它開創(chuàng)了現(xiàn)代滲流力學(xué)。
達(dá)西的另外兩項重要貢獻是：一是改進了皮托管，皮托管是法國工程師Henri Pitot發(fā)明的，以感受流體壓差來測量流速的裝置，達(dá)西對它進行了重要的改進得到多方面的實際應(yīng)用；二是提出了管道流動速度與壓力差的關(guān)系，即現(xiàn)今所稱的達(dá)西-維斯巴赫方程(Darcy-Weisbach equation)，這個方程是：
h=fLV2/(2Dg)
其中h為壓力損失，f為粘性因子，L是管長，D是管徑，V是平均流速，而g是重力加速度。值得注意的是，他在研究管道流動的時候已經(jīng)注意到有邊界層的現(xiàn)象。
達(dá)西的滲流規(guī)律最早描述是在他1856年的著作《第戎的供水》。達(dá)西關(guān)于皮托管和管流研究的結(jié)果在他1857年的著作《關(guān)于管流的實驗研究》中有介紹。
羅素(John Scott Russell,1808-1882)
英國海軍工程師
1825年羅素17歲時畢業(yè)于格拉斯哥大學(xué)，之后他在愛丁堡大學(xué)教授數(shù)學(xué)。1844年羅素移居倫敦，他組織了羅素造船公司，以生產(chǎn)游艇、小船、駁船和輪船為主。并且克服了種種困難建造了輪船大東方號，于1858年下水，并且于1860年的處女遠(yuǎn)航到達(dá)紐約。
1834年當(dāng)他指導(dǎo)實驗確定運河中船的最有效的設(shè)計時，注意到了在運河中的波動傳播問題。他花了許多時間從理論上和實踐上來研究波的傳播問題。為此他在自己家里建造了一座專門研究波傳播的水槽進行實際測量。并且得到了這些波是穩(wěn)定的，其速度與波的大小有關(guān)，并且它的寬度和水深相關(guān)。此外還得到了一些波的合并于分開的規(guī)律。這就在定性上構(gòu)成了現(xiàn)今所說孤立波的主要部分。
羅素在1842和1843年關(guān)于波動的精彩報告：“我相信我還是最好描述下首次親身與之相識的情況來介紹這個現(xiàn)象。當(dāng)時，我正在觀看沿著狹窄水道由兩匹馬牽引向前的一只小船的運動。當(dāng)小船驟然停止時，水道中為小船所推動的一大堆水卻并不停止，水積聚在船頭前面猛烈地激蕩著，然后水浪突然呈現(xiàn)出個很大的、孤立的凸起，那是一個滾圓而光滑、周界分明的“水堆”。它以巨大的速度向前滾動，而將小船留在它后面。這一水堆沿著水道繼續(xù)行進并且沒有明顯地改變其形狀或降低其速度。我騎馬緊跟，并追上了它，它仍保持其原來的大約30英尺長、1英尺至l英尺半的高度以大約每小時8或9英里的速度滾滾向前?！@是我第一次有機會見到這樣一個獨一無二的現(xiàn)象?！?/p>
這些結(jié)果都表述在羅素的兩部著作《近代海軍構(gòu)筑物系統(tǒng)》(The Modern System of Naval Architecture(1864))。與《廣闊水域中的波傳播》(The Wave of Translation in the Oceans of Wate(1895))中。
羅素的這些工作實際上是近代非線性孤立波研究的開始。孤立波后來受到許多科學(xué)家的重視，到二十世紀(jì)六、七十年代，形成物理、力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的熱門研究方向。
最后還值得一提的是，1842年多普勒發(fā)表了他的多普勒效應(yīng)的理論結(jié)果后，羅素是最早進行實驗來驗證多普勒效應(yīng)。
蘭金(William John Macquorn Rankine,1820-1872)
英國著名的工程師
蘭金出生于蘇格蘭一個從事法律與銀行業(yè)的家庭。從1834年起，他在軍事與海軍學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。1836年轉(zhuǎn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理和自然哲學(xué)。早年在J.B.麥克尼爾指導(dǎo)下成為工程師，1855年起擔(dān)任格拉斯哥大學(xué)土木工程和力學(xué)系主任。1853年被選為英國皇家學(xué)會會員。
蘭金最重要的貢獻是他系統(tǒng)地發(fā)展了蒸汽機或者說一般的熱機的理論，在1849年，他發(fā)現(xiàn)了飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系，他利用這一理論建立了對于有潛熱液體的氣體的溫度壓力和密度的關(guān)系。由此他準(zhǔn)確解釋了飽和蒸汽的表觀比熱為負(fù)值的奇怪現(xiàn)象。
其后蘭金進一步把這些結(jié)果應(yīng)用于能量守恒定律的更為廣義的表述，繼承和發(fā)揚了托馬斯楊關(guān)于能量的概念。利用熱力學(xué)理論，他給出了在氣體激波傳播時激波前后物理量的關(guān)系，這種關(guān)系后人也稱為蘭金-于戈尼奧條件(Rankine–Hugoniot condition)。
蘭金是最早關(guān)注金屬疲勞問題的學(xué)者。早在1840年，他就注意到車軸斷裂開始于脆性裂紋的增長，特別是1842年凡爾賽發(fā)生的一次火車機車車軸斷裂事故，造成50名乘客喪生。他發(fā)現(xiàn)裂紋是從車軸的頸部應(yīng)力集中的地方逐漸擴展造成的。隨后由于另一位從事土木、造船和結(jié)構(gòu)的著名工程師費爾貝恩(Sir William Fairbairn, 1789 –1874)的研究，才揭示了再重復(fù)應(yīng)力作用下，金屬的強度減弱的現(xiàn)象，這就是金屬疲勞現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。
蘭金在土力學(xué)、擋土墻和邊坡穩(wěn)定方面、在造船與結(jié)構(gòu)力學(xué)方面都已重要的研究工作。他主編的《應(yīng)用力學(xué)手冊》(1858)是一部在工程界影響深遠(yuǎn)的參考書。
蘭金的才能是多方面的，他是一位有相當(dāng)水平的業(yè)余歌唱家，鋼琴彈得很好，還善于大提琴演奏，此外還寫過不少詩歌。蘭金終身未娶。
埃菲爾(Gustave Eiffel,1832-1923)
法國著名的結(jié)構(gòu)工程師
出生于法國東部的第戎城。其祖父來自德國，他的父親是軍隊的文職人員。母親是一位富有想象力的婦女。埃菲爾12歲進入本地的一所皇家中學(xué)學(xué)習(xí)。開始時他的學(xué)業(yè)不算好，中學(xué)畢業(yè)也沒能考上著名的巴黎理工大學(xué)。到了20歲那年，終于以優(yōu)異的成績考上了培養(yǎng)工程師的技藝學(xué)校。畢業(yè)后，埃菲爾經(jīng)朋友介紹進入西部鐵路局研究室任工程師。
埃菲爾最早出名是從設(shè)計和建造橋梁開始的。1860年，艾菲爾完成了當(dāng)時法國著名的波爾多大橋工程，將長達(dá)500米的鋼鐵構(gòu)件，架設(shè)在跨越吉隆河中的6個橋墩上。這項巨大工程的完成，使艾菲爾在整個工程界的名聲大振。
1867年至1869年間，他完成了在南法四座巨大的橋梁，其中最著名的是索爾河(River Sioule)上的高架橋，用兩座高達(dá)59米的鐵塔從山谷為基支撐著整個橋梁結(jié)構(gòu)，這兩座支撐塔上端逐漸變細(xì)，可以有效地承受強風(fēng)，這可以說是巴黎艾菲爾鐵塔的設(shè)計之前的預(yù)演。
其后，在1877年建造了葡萄牙跨杜羅河的瑪麗亞鐵路橋梁。這座橋，埃菲爾采用了雙鉸拱橋技術(shù)，在力學(xué)計算上，采用了1864年麥克斯韋剛發(fā)表的論文《On the calculation of the equilibrium and stiffness of frames》中所提出的求解超靜定結(jié)構(gòu)的力法。因此，在材料的節(jié)約和結(jié)構(gòu)造型的優(yōu)美上，都勝過了其他投標(biāo)者。
隨后，埃菲爾的公司設(shè)計建造了數(shù)十座橋梁、教堂、紀(jì)念塔、車站等建筑。它們遍及世界各國，有智利、匈牙利、俄羅斯、墨西哥、土耳其、越南、比利時、葡萄牙、美國等等，每一座建筑都成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑。其中有著名的巴黎埃菲爾鐵塔和紐約自由女神的支撐結(jié)構(gòu)。
埃菲爾建筑的特色，充分體現(xiàn)了時代的特點。他的建筑風(fēng)格領(lǐng)潮流于19世紀(jì)后半葉。19世紀(jì)后半葉，人類迎來了鋼鐵時代。1851年在倫敦第一屆國際博覽會上，英國完全用鋼鐵和玻璃建造了一座“水晶宮”作為會場。1856年，貝塞麥(Henry Bessemer，1813-1898)，首先在不列顛科技協(xié)會的一次會議上描述了他的煉鋼法，當(dāng)時他稱之為“不加燃料的煉鐵法”。
隨后大量低成本生產(chǎn)鋼鐵成為可能，逐漸開啟了鋼鐵時代。把鋼鐵真正作為主要的建筑材料，以取代以往以磚石土木為主要材料結(jié)構(gòu)建造的代表性人物，正是埃菲爾。
以磚石、土木為主要結(jié)構(gòu)材料的時代，對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，主要是靜力學(xué)，對于強度、剛度和穩(wěn)定性的要求并不高。因此，建筑所能夠達(dá)到的高度和復(fù)雜程度是有限的。而以埃菲爾開辟的新的建筑結(jié)構(gòu)的時代，把古老的結(jié)構(gòu)設(shè)計和現(xiàn)代力學(xué)相結(jié)合，設(shè)計出新的具有時代感的結(jié)構(gòu)。1889年的法國巴黎埃菲爾鐵塔，就是這種潮流的代表。后來人們給埃菲爾起了一個外號，叫“鋼鐵魔術(shù)師”(magician of iron)。
埃菲爾不僅是世界著名的工程師，也是一位成果卓著的力學(xué)家。作為結(jié)構(gòu)力學(xué)家，他利用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析手段，創(chuàng)造了許多新型鋼結(jié)構(gòu)。不僅如此，他還是一位流體力學(xué)學(xué)者。在他設(shè)計諸多橋梁，特別是設(shè)計像巴黎鐵塔時，需要著重關(guān)注這些結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)載。而且在他的晚年，大部分精力從事于流體力學(xué)的研究。
首先，他利用巴黎鐵塔實測大氣中風(fēng)在不同高度的流速。他在鐵塔的不同高程，布置了一些風(fēng)速計，獲得風(fēng)沿高度的剖面圖，即現(xiàn)今所稱的大氣近地邊界層的剖面圖。這個剖面圖，不僅對結(jié)構(gòu)設(shè)計是重要的，而且對氣象學(xué)也是很重要的資料。
其次，他為了深入研究風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用，他建造了風(fēng)洞，進行各種物體在空氣流動時的阻力實驗。為此他建設(shè)了法國最早的空氣動力實驗室。與當(dāng)時其他學(xué)者研究的重點有所不同。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，較多的學(xué)者，為航空問題的需要所驅(qū)動，比較多的注意力是空氣動力的升力。而埃菲爾卻致力于空氣動力的阻力的研究。
1912年，他在研究球體受流動的空氣阻力時發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象。本來在低速流動時，計算空氣阻力的公式是F=Cx(Re)ρAv2/2。
其中，Cx是阻力系數(shù)，Re是雷諾數(shù)，ρ是流體的密度，A是物體的迎風(fēng)截面積，v是流速。實驗結(jié)果，當(dāng)?shù)屠字Z數(shù)時， Cx幾乎是常數(shù)。對于球體來說，通常 大約是0.47左右。當(dāng)雷諾數(shù)Re達(dá)到大約15000時， 就很快降低，不論是對于光滑球體還是對于粗糙球體都大致是相同的。對圓柱也有同樣的現(xiàn)象。
這個現(xiàn)象，作為一個理論公式和實驗的矛盾，一開始人們并不十分清楚是什么原因。被稱為埃菲爾佯謬。后來隨著人們對湍流的深入研究，認(rèn)識到這正是流動從層流向湍流轉(zhuǎn)化時，由于流動不穩(wěn)定所帶來的必然結(jié)果。
蘭徹斯特(Frederick W. Lanchester,1868-1946)
英國著名的工程師
蘭徹斯特被譽為英國汽車三位杰出工程師之一。
1868年出生于英國倫敦的一個建筑師的家里。1888年，20歲上蘭徹斯特以沒有正式文憑結(jié)束了他受教育的階段。隨后在專利局找到了一份每周報酬為3英鎊的描圖員的工作。后來開始研究汽油發(fā)動機技術(shù)。他擔(dān)任工程師時改進汽油發(fā)動機并發(fā)明過一種新的發(fā)動機起動器。之后他在1894年開始制造第一部蘭徹斯特汽車。到1899年創(chuàng)辦蘭徹斯特汽車公司擔(dān)任總工程師和總經(jīng)理。
在發(fā)展汽車工業(yè)的同時，1892他開始研究并發(fā)展了飛行的環(huán)流空氣動力學(xué)理論。1894年提交了這方面第一篇論文。這是關(guān)于飛機機翼升力理論的最早的無限翼展理論的精確結(jié)果。奠定了人類飛行的最重要的理論基礎(chǔ)。而且在萊特兄弟1903年成功飛行的9年以前。
蘭徹斯特是第一個對飛機在戰(zhàn)爭中的作用進行嚴(yán)肅和科學(xué)分析的人，1914年他發(fā)表了一系列有關(guān)飛機應(yīng)用和空戰(zhàn)方面的論文，1916年出版《戰(zhàn)爭中的飛機，第四種武器的出現(xiàn)》一書。該書的第五、六、八章的內(nèi)容都與運籌學(xué)有關(guān)，書中提出的運籌學(xué)思想是運籌學(xué)和作戰(zhàn)模擬的基本淵源之一。
著名力學(xué)家馮卡門在1912年曾經(jīng)在劍橋會見過蘭徹斯特。馮卡門說蘭徹斯特“多才多藝，想象力異常豐富。比如，第一次世界大戰(zhàn)中，他還發(fā)表過關(guān)于戰(zhàn)爭理論的論點。幾年前，我看到了，美國第一本關(guān)于軍事科學(xué)的書就是從他的理論開始論述的。這本書叫作《戰(zhàn)術(shù)分析》。他一生對應(yīng)用數(shù)學(xué)的許多方面都提供了很多的見解，同時在工業(yè)方面又不斷提出新的創(chuàng)造發(fā)明。蘭徹斯特就是這樣一個人。”(見馮卡門著的《空氣動力學(xué)的發(fā)展》)
太沙基K(Karl Terzaghi,1883-1963)
美國著名的土木工程師
卡爾· 太沙基 1883年出生于當(dāng)時的奧國波希米亞地方首府布拉格即現(xiàn)今的捷克斯洛伐克首都。在1904年畢業(yè)于格拉茲工業(yè)大學(xué)，他學(xué)的是機械工程系。
在一年的義務(wù)兵生活之后，再次進入母校，攻了一年地質(zhì)學(xué)。在這以后的三年間，他在奧地利建設(shè)公司充當(dāng)工程現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，從事土木工程的實際工作。后來，他又在南斯拉夫參與電源開發(fā)計劃，從事地質(zhì)和水文調(diào)查工作，而他對工程現(xiàn)場的調(diào)查工作，尤其喜愛。在編寫地質(zhì)報告期間，從朋友那里聽說俄國圣· 彼得堡即現(xiàn)在的列寧格勒因地基開挖而發(fā)生周圍建筑物下沉的問題，施工感到很為難，太沙基便趕到那里，據(jù)說他僅用四個星期的時間就把這個問題解決了。
他在1912年曾以鋼筋混凝土方面的論文，獲得母校的博士學(xué)位。
之后他對土力學(xué)和地質(zhì)問題產(chǎn)生了濃厚的興趣，當(dāng)時的美國聯(lián)邦墾務(wù)局在美國興建大量的欄河壩，建設(shè)地點分布于美國全國各地，會遇到各種各樣的地質(zhì)條件。太沙基認(rèn)為這是一展自己雄才的好時機，他便利用自己的積蓄，于1912年到美國。
此后的兩年間，太沙基每天忙于野外觀察、資料記錄和整理工作。可是，在這期間，他帶來的個人積蓄，快要花光了，為此他還利用業(yè)余時間當(dāng)過鉆探工人。在回到歐洲整理這些資料，才發(fā)現(xiàn)這些資料沒有多大用處。 這時，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了，太沙基被征人奧地利陸軍航空試驗所，與著名的力學(xué)家馮卡門、馮米賽斯共同度過兩年的軍隊生 活。
1916年，太沙基受聘于土耳其工業(yè)學(xué)校的工程學(xué)教授。在這期間他總結(jié)以往關(guān)于土力學(xué)的文獻，給地質(zhì)學(xué)的土下了明確的定義。結(jié)合在美國實測的經(jīng)驗制定了嚴(yán)格定量的土力學(xué)實驗研究計劃。經(jīng)過大約7年的實驗研究，得到了土的壓密理論和一系列的成果。
太沙基最早在土力學(xué)中引進有效應(yīng)力原理。他把物理的土看作土、空氣和水的三相復(fù)合體，其中水和空氣不可能承受剪應(yīng)力。只有排開水之后的固體骨架才能夠承受剪應(yīng)力，也稱為有效應(yīng)力。他的這一結(jié)論于1924年在荷蘭舉行的世界土力學(xué)學(xué)術(shù)會議上宣讀，引起廣泛的注意認(rèn)為是現(xiàn)代土力學(xué)的基礎(chǔ)，一舉成名。后來連同他1925年出版的著作《土力學(xué)》被稱為現(xiàn)代土力學(xué)的奠基性的著作，他本人則被稱為現(xiàn)代土力學(xué)的奠基人。
其后太沙基輾轉(zhuǎn)于美國、南美和奧地利進行考察、研究和教學(xué)。1938年春，希特勒德國占領(lǐng)了奧地利以后，太沙基便受聘為哈佛大學(xué)的客座講師而移居美國。晚年太沙基結(jié)合實際工程對于水壩的軟土地基進行過深入的研究。
小結(jié)
這幾位著名工程師，在工程上都留下值得紀(jì)念的業(yè)績。他們所以能夠在工程上取得成就也許和他們更關(guān)注普遍規(guī)律的素質(zhì)有關(guān)。而他們在完成工程任務(wù)的同時又不停止于具體工程任務(wù)，能夠從中提出普遍規(guī)律和力學(xué)問題加以解決。換句話說，工程師需要有科學(xué)家的頭腦，他們的科學(xué)研究又要與具體工程相結(jié)合。這也許是大多數(shù)圍繞國計民生展現(xiàn)才能的技術(shù)人才應(yīng)當(dāng)具備的最重要的品質(zhì)。
本文轉(zhuǎn)載自科學(xué)網(wǎng)武際可的博客，作者：武際可，北大退休教授。
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