向中国著名应用力学家徐秉业教授学习

向中国著名应用力学家徐秉业教授学习
继承和发扬现代力学哥廷根学派的传统

孙博华

2010年10月1日于南非开普敦

一、荣幸被邀为徐老师祝寿

2010年7月12日收到如下征文启示:2011年4月,清华大学徐秉业教授年届八十。徐教授是我国著名力学家,清华大学工程力学系博士生导师,长期担任中国力学学会理事及教育工作指导委员主任,自1963在清华大学任教,数十年耕耘,其科研成果蜚声国内外,辛勤教书育人,桃李满天下。为此编辑出版“徐秉业教授80寿辰纪念文集”,作为献给徐教授八十寿辰的贺礼,以彰尊师敬道之风,以报师长培育之德,以显同仁同好之谊,以励后学上进之志。希望徐秉业教授的亲友、同事、学生提供各种文字。其文字内容拟为十个方面:1、师德;2、师品;3、师恩; 4、师情;5、师学;6、师业 7、师言;8、师行;9、师亲;10、师趣。

文章不拘文体,不限文风,亲情别感,繁简由人,往事今思,各尊其便,通过这些文章,记忆往事,记忆情感,记忆人生,记忆历史。我们期许的标准是:真情实感;言之有物;长短皆宜;陈言务去。

这个征文启示非常别致,能被邀请参加祝寿我感到非常荣幸,这是一个对徐老师表达敬仰的机会。我一定要写些祝福的材料。想到这里,思绪把我带回到国内的求学时代…..。

二、国内求学时就知道徐秉业先生的大名,徐教授是一位非常好的力学教育家,出版了许多印刷量大影响几代人的力学教材

我是工程力学本科专业毕业,后来一直攻读的硕士和博士学位都与力学有关,在力学的所有课程中弹塑性力学是比较重要和难的,特别是习题的求解有时需要特别的技巧和智慧。徐老师参与编写的《弹性与塑性力学(例题和习题)》是我的案头参考书之一,是考研究生的主要参考书。这部书非常厚,是一部大全式的习题集,影响了几代学人,几乎所有的与这门课有关的学生都学习过,如果是按现在流行的著作引用率可能要几十万次!后来知道就是这本上千页的大书在的机械工业出版社(1952年成立)30周年时就出版了3万2千册,并获机械工业出版社30周年纪念优秀图书一等奖!如果统计到今天,那就更多了!作为专业教材能有如此大的发行量与影响面是非常难得的。

当然,徐老师不止出版过这样一部好书,而是有许多的好书,比如《塑性理论简明教程》在国内颇有影响,并获国家教委高校优秀教材二等奖,发行量达几万册。据不完全统计,徐老师曾参与编著了约19部教材和专著。

为了表彰他对教学工作的贡献,清华大学曾4次给予他教学工作优秀奖,并聘请他为校教材委员会副主任,校数学、力学学科评议组成员,清华大学出版社顾问。他所在的固体力学博士点获1993年国家教委教学优秀特等奖。他长期担任中国力学学会理事及教育工作指导委员主任,为这个委员会组织了许多有意义的活动,团结了一大批高等院校中从事力学教育工作的教育工作者,促进了中国力学教育的发展。

从徐老师对中国力学教育的贡献看,他作为中国著名的力学教育家是当之无愧的。

三、在波兰接受完整高等教育,从大学直到获得博士学位,是同龄人获得国外博士学位的少数学者之一,雄厚的工程师训练,结识了许多波兰著名力学学者,促进了中国与波兰的科技交流

波兰是科学大国,曾对世界的科学发展有过巨大的贡献,如欧洲文艺复兴的伟大全才学者家哥白尼N. Copernicus (1473-1543),化学家居里夫人M.Curie (1867-1934)。能到波兰留学一直都是中国人的追求。50年代能到国外留学的人非常少,所以能被选派出国留学的一定是非常优秀的学生。徐老师就是其中的一位幸运者。

1953年,徐老师入波兰华沙工业大学工业建筑系学习,他和同学郭仲衡等中国留学生分外刻苦学习,所取得的优异成绩。1960年他以优秀的成绩通过了硕士学位论文《折板结构的强度与稳定性计算》答辩,获得了华沙工业大学硕士·工程师学位。毕业后回国在清华大学经短期实习后,又去波兰科学院基础技术问题研究所攻读博士学位,名师出高徒,师从著名力学家W·奥尔沙克(Olszak)教授。那时他参加了较多的国际学术交流活动,当时国际上力学界的一些著名大师如Ph.霍奇(Hodge)、Л·И·谢多夫(Cедов)、P·H·拉包特诺夫(Paбтнов)、W.诺瓦茨基(Nowacki)、B·B·索柯洛夫斯基(Cоколовский)等精湛的学术报告,对他以后在学术上的发展有较大的影响;他的波兰同事Z·姆鲁思(Mroz)、P·波任纳(Perzyna)、A·萨乌楚克(Sawcauk)等人后来都成了波兰固体力学领域的学术带头人。

大家都知道,中国人出国一直都很困难,别说在波兰学习10年完成博士学位。特别是那个年代,能出国学习的人是凤毛麟角,可见徐老师当时是非常优秀的,能获得博士学位更是少数人的荣耀。虽然当时许多人出国留学到苏联和东欧,后来知道绝大多数是进修性质,就是后来力学届有些有名的学者,当时也没有得到博士学位,一般都是获得硕士学位。

这些早年的学术友情为徐老师在改革开放后的国际交流提供了基础,将波兰的最新力学成就介绍到了中国大陆,促进了中国与波兰的科技交流。

四、理论联系实际,敢于将力学理论和方法应用到复杂的工程问题,很好地体现了现代力学学派哥廷根学派的学术传统,是中国应用力学的杰出代表,曾受到张维先生的高度评价

力学是人类最早研究的领域,到了18世纪,古典力学已经相当成熟,成了自然科学中的主导和领先学科。许多科学大师对力学都曾有过贡献,如德国学者开普勒(Johannes Kepler,1571~1630),他於1609年和1619年先後提出了行星运动的三条规律,即开普勒三大行星运动定律。意大利的伽利略(Galileo Galilei,1564~1642)为代表的物理学家对力学开展了广泛研究,得到了自由落体定律。伽利略的两部著作:《关於托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(1632年)和《关於力学和运动两种新科学的谈话》(简称《两门新科学》)(1638年),为力学的发展奠定了思想基础。随後,牛顿(Isaac Newton,1642~1727)把天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合,进一步得到了力学的基本规律,建立了牛顿三大运动定律和万有引力定律。牛顿建立的力学体系经过伯努利(Daniel Bernoulli,1700~1782)、拉格朗日(J. L. Lagrange,1736~1813)、达朗贝尔(Jeanie Rond d’ Alembert,1717~1783)等人的推广和完善,形成了系统的理论,取得了广泛的应用并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分枝。

18世纪力学还是物理学的一部分,比较注重理论。约1900~1960)20世纪上半叶,物理学发生巨大变化。狭义相对论、广义相对论以及量子力学的相继建立,冲击了经典物理学。前两个世纪中以力学模型来解释一切物理现象的观点(即唯力学论,旧译机械论)不得不退出历史舞台。经典力学的适用范围被明确为宏观物体的远低于光速的机械运动,力学进一步从物理学分离出来成为独立的学科。
这半个多世纪中力学的主要推动力来自以航空事业为代表的近代工程技术。1903年莱特兄弟飞行成功,飞机很快成为交通工具。1957年人造地球卫星发射成功,标志着航天事业的开端。力学解决了飞机、航天器等各种飞行器的空气动力学性能问题、推进器的叶栅动力学问题、飞行稳定性和操纵性问题以及结构和材料强度等问题。在航空和航天事业的发展过程中,人们清楚地看到力学研究对于工业的先导作用。超声速飞行和航天飞行器返回地面关键问题,都是仰仗力学研究才得到解决。1945年第一次核爆炸成功,标志着核技术时代的开始。力学解决了对猛烈炸药爆轰的精密控制,材料在高压下的冲击绝热性能,强爆炸波的传播,反应堆的热应力等问题。此外,新型材料出现如混凝土在建筑中的应用,合成橡胶和塑料的制成,都向力学提出了新的课题。
力学实验规模日益扩大,有些实验研究已不是少数人所能完成的,如作流体力学实验用的风洞、激波管、水洞、水池,作动态强度试验用的振动台、离心机、轻气炮等就需要复杂的机器设备和精密的控制测量仪表,有的还需要巨大的能源,因而需要多种技术人员协同工作。

在力学内部,一个重要的特点是19世纪中叶开始的理论研究和应用研究脱节的倾向开始发生变化。19世纪中叶侧重理论研究的水动力学和弹性力学,往往应用较深的数学而不很关心工程师们的实际运用,侧重应用研究的水力学和材料力学常用经验的或半经验的公式而不大关心力学现象的内在机理。而到了1904年在德国哥廷根大学数学教授F.克莱因的倡导下成立了应用力学研究所,力求把当时称为“数学理论”的水动力学和弹性力学应用于工程实际。一个典型的例子就是L.普朗特为解决飞行阻力这一实际问题而创立了边界层理论。此后哥廷根应用力学学派的影响遍及世界各国。
近代力学的代表人物有德国学者普朗特,美籍匈牙利学者T.von卡门,英国学者G.I.泰勒,苏联学者Л.И.谢多夫和中国学者钱学森,他们善于从错综复杂的自然现象、科学实验结果和工程技术实践中抓住事物的本质,提炼成力学模型,采用合理的数学工具,从而掌握自然现象的规律或者进而提出解决工程技术问题的方案,最后再和观察结果反复校核直到接近实际为止。他们这一套工作方法逐渐形成应用力学的特殊风格。这种风格后人称为现代力学的哥廷根学派。这个学派解决了许多的工程力学难题,一直是应用力学的主流。

对于哥廷根学派的思想,张维院士教诲我时,对为什么要科研和实际、以及学术和应用相结合的重要性作了很好的解释:

· 如果完全以学术跟随西方,就中国的实际水平,可能总是落后,因为你不知他们产生这些学术的实际来源,科研对自己国家可能没有,或就是为发表一些文章,这实际是在利用中国的资源为外国工作,解决人家的问题,是巨大的资源浪费!

· 由于没有实际背景,或不完全了解实际,就不知方向真正朝哪去,所以只有跟随西方的某个学者,容易成为个人兴趣和学术游戏。就是做别人提出的问题,自己提不出问题。

· 最严重的是由于不了解实际只知有关学科的简单知识,所以只能做表面的研究,不可能有深度和深刻的研究。

· 只有积极投入到本国的实际需要,才能有机会遇到有可能突破的问题,摆脱跟随的学生状态,反而可能作出更好的成果

但实践和落实现代力学的哥廷根学派并不是那么容易的,这比只懂理论的要求要高。你不仅要有宽深的理论基础,还要有丰富的工程知识,能抓住事物的本质提炼出模型,并采用合理简单的数学工具找出工程问题的方案。高水平的解决工程问题实际上更难,有时还要有科学上的大胆!敢于将力学理论和方法应用到复杂的工程问题。

在中国力学行业内只有很少的学者达到了这个境界,大部分的学者只是多发表了几篇论文或增加几篇印刷品,但严格看来可能没有解决什么问题。徐老师应该是达到了这个境界的屈指可数的几位中国力学家之一。

徐秉业教授献身教育事业与工程事业,在将力学引入到工程领域方面取得了许多创新性的成果,比如:
  (1)将固体力学应用于采矿工程,他提出的脆塑性材料模型是岩土类软化材料的一种合理的描述,既能反映这类材料的主要性质,而且在分析中也比较方便,特别是采用正则化最小二乘法对复杂边坡岩体进行材料参数弹塑性位移反分析能较好地再现地表变形过程,具有重要的理论意义和应用价值。
  (2)将极限分析和安定分析方法用于研究带体积型缺陷的容器,从而定量地找到了带凹陷容器的极限承载能力。在保证安全的前提下,对现有凹坑容限值的规定有较大的放宽,此方法在昆明钢铁厂及荆门炼油厂应用时取得了重大的经济效益和社会效益。

(3)将加权残值法引入到结构塑性极限分析,获得了系列有价值的结果,特别是在分析炮筒机械自紧问题中,获得了工程中有意义的各项参数,为建立我国机械自紧规范提供了理论依据。

徐老师的学术成就得到国家的认可,曾获得国家科技进步二等奖两次(2001年,压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估工程方法研究)和(2005年,压力管道安全检测与评估研究)。徐老师在2001年(压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估工程方法研究)获得的国家科技进步二等奖是当时是工程力学系建系以来所获得的最高国家奖,徐老师是第二获奖人,第一获奖人是徐老师的学生陈钢,陈刚当时是特种设备检测中心的总工程师,在此之后,郑泉水和黄克智又得过一次国家自然科学二等奖。可见徐老师的科研成果在清华大学工程力学系的历史上是非常重要的发展。

清华大学工程力学系的创始人张维先生,早年留学英德,特别推崇现代力学的哥廷根学派,一生都在宣传和推广这个流派的思想。我有幸成为张先生的唯一的博士后,亲身受到他老人家的教诲,他曾告诉我徐秉业老师将力学应用到工程实际非常成功,非常好。所以在我们组织1998南非力学大会时,原希望邀请张先生代表中国力学来做大会报告,但张先生特别推荐了徐秉业老师代表他和中国力学首次在南非力学大会上作闭幕式大会报告。

五、中国力学家徐秉业首次在南非力学年会(1998)上作大会邀请报告,展示了中国应用力学的部分成果,促进了中-南科学家的交流,为两国的交往做出了民间的贡献

第二届南非力学年会(SACAM98)于1998.1.13-15在美丽的开普敦大学召开,参加会议的各国代表共有150多人,非常国际化。其中中国籍代表共5人,他们是来自清华大学的徐秉业教授,西安建筑科技大学的黄义教授,原北京理工大学现在澳门大学任教的薛大为教授,及来自开普敦的孙博华博士及其研究生黄达。

本届南非力学年会的筹备工作在1997年3月份开始,由于我所在学院是发起单位之一,加上南非力学学会的当时秘书处挂靠在我们的应用技术研究中心,故在初期参加了组织本次会议的工作。在组委会讨论邀请国际知名学者作大会报告时,我即向组委会建议邀请一位中国力学家,并讲①以前的大会报告人都是欧美的,无一来自东方;②中南两国将要建交(注:当时还没有建交,中国和南非建交于 1997年12月30日),如能邀请一位中国学者,将无疑有助于两国的民间学术交流。经讨论,组委会同意以上建议,并委托我联系一位中国知名学者。

受委托之后,我即去联系我在清华大学做博士后时的导师-著名力学家张维教授。希望张先生能抽百忙来做指导。而终因张先生太忙,无法来这做报告。不过张先生表示,他将为我们推荐一位力学家代表他参加会议。后来有一天我收到张先生传真过来的推荐信。张先生推荐的是知名力学家清华大学徐秉业教授,徐老师是我在清华大学做博士后时的教研组主任。接到推荐信,我即可提交组委会,并附我的推荐信。最后,由于徐老师的傲人成就,组委会就选定徐老师作大会闭幕式特邀报告。

1998年5月份,我们给徐老师发去客座教授的邀请。但由于当时中国-南非还没有外交关系,据徐老师后来说出国手续很复杂,除了所在单位及部位审批外,还要报外交部审批,花了很长时间,最后终于在建交前得到批准并得到了签证,然后乘新加坡飞机来到对很神奇的南非母亲城——开普敦。

在南非力学大会上,徐老师的报告题目是《中国计算力学及极限分析的发展》,其精彩的报告引起了南非及来自各国的学者的关注;特别是如何将力学理论应用到工程实际的过程和大胆的提炼非常引人入胜。由于南非曾经是荷兰和英国的殖民地,完全的西方学术环境和理念,所以对徐老师的报告给予很高的评价,得到南非力学学会主席、开普敦大学副校长马丁教授John Martin的好评,为中国力学在南非的宣传做出了历史性的贡献。这样,徐老师就成为在南非力学年会上作大会报告的中国第一人!【注:John Martin是国际著名塑性力学家,其著名的专著《Plasticity: Fundamentals and General Results》曾被薛大为,杨桂通和徐秉业等联合翻译成中文。】

徐秉业和黄义教授还被特别邀请列席了南非力学学会会员大会。

参加南非力学会议后,徐秉业和黄义教授作为客座教授在我们大学进行了近三个月的访问及合作科研,一起度过了一段非常愉快的学术交流时光。徐老师和黄老师在访问期间分别给研究生作了“塑性力学(徐秉业)”,“复合材料力学(黄义)”及“现代技术及科学研究(徐秉业)”等系列讲座。提高了我们研究生的知识水平。

徐老师和黄老师受到我们学校的校长、院长、老师和研究生的热情款待,尽享开普敦及其周围美丽的风光和风土人情。

六、向徐秉业老师学习,祝徐老师愉快健康高寿

我认识徐老师是从1989年6月开始的,那时我是清华大学工程力学系弹塑性与计算力学教研组的第一位博士后(1989年6月-1991年7月),导师张维教授(两院院士),当时徐秉业教授担任这个教研室的主任。来到清华大学的时候我26岁,确留了兰州西部特有的大胡子,由于惯性我到清华时并没及时把胡子刮掉,当时可能是清华大学唯一的留大胡子的年轻人!

那时博士后非常少,待遇相对较好,算是系里的一般教工,可以参加教研室的各种活动,徐老师是教研室主任是我的直接领导,但从来没提及我蓄胡子的问题,现在看来对我们是很客气的,就是现在我的学生要是年轻轻的就留个大胡子,我肯定要说他。清华大学弹塑性与计算力学教研组是当时工程力学系最老最大的教研组,张维和杜庆华等著名学者都在此教研组工作,徐老师能担任这个组的主任足已说明他当时是这个领域的领军专家。

1991年7月博士后工作完成,那时由于国内的情况不理想,绝大多数学生都希望出国留学,我也曾写过许多的申请信,一般都是不成功,只有荷兰的TUDelft(欧洲5个最好的科技大学之一)给我提供研究员经费。我记得有一天在西八楼附近的教工食堂前遇到徐老师,他询问我的情况,了解博士后出站后的去向,我说准备去荷兰。他很是支持出国深造,但同时也提醒要在国内有学术根基,最好有个国内工作单位,然后再出国到时还可以回来。非常感谢徐老师的关心,但当时国内的实际情况这种想法很难实现,只有注销户口完全自费出国一条路。与现在的环境比较真是天壤之别!我本来出国主要是留学深造以便为国服务,同时积攒一些积蓄提高家庭和孩子的生活质量。但没有想到,这一出国就是20多年。

我出国后与清华大学还保持一定的联系,其中主要就是与张维先生和徐老师。张先生在的时候如果我回北京,我一定去看他老人家。现在,我回北京如果时间容许我一定去看望徐老师,如实在没有时间一般总是打个电话问候。

与徐老师的长期交往中,最愉快的是徐老师可以像朋友一样的与我们这些晚辈交流,把宝贵的时间与年轻人分享讨论各种各样的问题,和蔼可亲。虽然我只曾是徐老师的同事,但我与徐老师的交往中得到很多有益的指导。

完全可以羡慕的说:徐老师是清华大学工程力学系最杰出的一员,他曾将清华的弹塑性力学研究推到一个相当的高度,并以自己的科研实践弘扬了张维先生一生倡导的哥廷根学派传统,非常值得我们学习。

愿以此文作为向徐秉业老师祝福!

祝徐老师年轻心态、愉快心情、健康体魄、福如东海、寿比南山!

(from 科学的学徒分享: http://blog.sciencenet.cn/u/sunbohua)

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