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工程力学家刘先志

发布日期:2013年10月23日 16:20 点击次数:

  刘先志(1906~1990),山东高密人。中国力学界的著名专家和学者,国家一级教授。他一生从事力学教学和科学研究,其研究成果是多学科的理论性研究和创新,涉及一般力学、流体力学、热弹性力学、机械振动学、应用数学、机械工程等学科,既为这些学科的学术宝库增添了新的理论,又为解决有关工程中的实际问题提供了理论依据和计算方法。
  他学术造诣精深,卓有建树,其研究成果在国内外享有很高声誉,堪称一代力学大师。
  他先后担任上海同济大学教授、教务长,原山东工学院教授、教务长、副院长,并兼任山东机械工业厅副厅长、山东省人民委员会委员、全国人大代表,曾任山东省副省长和省政协副主席,中国力学学会常务理事、《力学学报》常务编辑、《应用数学和力学》编委、国家力学教材编委会编委、山东省力学学会名誉理事长。

一、为实现科学救国心愿立志成才

  刘先志出生于一个农民家庭,其父刘蓬山早年毕业于蓬莱文会馆,是受过近代科学教育的知识分子,思想开明,勉励子女刻苦学习,以知识报国,在他教导下,四个子女都学有专长,在家乡传为佳话。1926年他考入北京燕京大学数学系,1930年毕业,获理学学士学位。当时的旧中国工业落后,备受帝国主义列强欺凌,他不满足已有的数学专业知识,决定攻读工程科学,以实现科学救国的心愿。1933年8月到当时的国立山东大学机械系当了一年的旁听生,第二年又以优异成绩考取了公费留学德国生,赴柏林工业大学学习机械工程。1939年毕业时获特许工程师,并留校任教,担任理论力学讲座及理论力学研究所主任助教、研究员。
  1941年9月至1945年6月,他又到德国哥廷根大学数理系学习力学,在近代流体力学奠基人普朗特(LPrandtl)教授指导下获得自然科学博士学位,并熟练掌握了德、英、法、俄四门外语,为以后在各学科领域开展科学研究奠定了坚实的基础,成就为理论与实践兼备的高级学者,其学术思想与德国哥廷根学派一脉相承。二战结束后,他毅然放弃了国外优厚待遇和优越的工作条件,怀着一颗报效祖国的赤子之心,于1946年回国,先后任上海市工务局正工程司、同济大学教授,后又到无锡开源机器厂任设计部主任。

二、为培养力学人才呕心沥血

  山东工学院院长张协和慧眼识才,力邀刘先志来校任教。1952年春,他放弃了大城市、重点大学和大企业的优越条件,欣然接受邀请,并在此度过了他的后半生。刘先志来此不仅是为了家乡工业和教育的建设和发展,也是为实现自己“学校与工厂相结合,培养既有理论又有实践经验的建设人才”的夙愿。他主张办工科院校,学校旁边就应是工厂,学校设计的就是工厂生产的产品,工厂就是学生实习和生产的基地,因为他深知工科院校的宗旨所在。
  当时学校初创未久,是一所解放后新建的专门培养高级工业人才的院校,各方面的资源都比较匮乏,百废待兴,他为了提高教学水平,建立良好的教风学风,为了加强师资队伍和力学学科的建设,把一腔热血倾注到为国家培养力学人才上,孜孜不倦地贡献着自己的知识才干。他一面给本科生讲授理论力学,一面给青年教师讲授高等刚体力学。他经常说:教授就应该给大学生讲基础课,否则怎么能称教授。他讲课条理清晰、简明生动,强调定义、概念时非常严谨,把深奥的理论讲得生动形象、通俗易懂。如讲振动系统的自由振动频率,他以肩挑的担子、树枝的摆动、人走路时的晃动等做实例,用拉小提琴来说明自激振动产生的条件,还用旋转轴的临界转速来说明共振的概念及其重要性,既使人容易理解所讲的内容,又留下思考的余地。凡听过他讲课的人都赞不绝口,认为是一种享受,每次上完课同学们都有“绕梁三日”之感。
  他为青年教师讲课时,教材都由他编写、校对,连讲义中的插图都是他亲手精心绘制的,工作量之大,可想而知。他特别强调:“基础不坚实是上不去的,力学工作者一定要打好数学力学基础。”并引导和介绍他们阅读一些国外的期刊图书,以获取更先进的知识。在他的培养下,青年教师的思路开阔了,基础牢固了,分析问题的能力提高了,力学知识水平上了一个大的台阶,为以后提高教学质量和开展科学研究打下坚实的基础,这些教师后来都成为教学和科研骨干。这种一丝不苟的精神感人至深,令同事们敬佩不已,不愧为“严谨治学,尽善尽美”。
  在他担任教学管理工作的同时,每周还要去机械工业厅接待厂矿代表,解答他们提出的各种生产问题,为学报审稿,还从不间断自己的科研工作,在如此繁忙的情况下,他始终把为国家培养建设人才放在重要位置,由于过度劳累他曾晕倒在课堂上。
  1957年,党中央向全国发出向科学进军的号召,刘先志备受鼓舞,经过他积极酝酿筹备,于1958年4月首次在国内举办了机械振动学讲习班。国内许多高校、科研单位、厂矿企业纷纷派出讲师、工程师以上人员参加。刘先志亲自编写讲义和授课。在历时一年零两个月的时间里,他辛勤忘我地工作,讲课内容广泛深入,讲课技巧高超精湛,公式推导和论证严密,问题分析透彻,并注重创造思维能力的培养,倡导理论联系实际。他严谨的治学理念和执著追求的科研精神深深地教育和感染着大家,让学员们真正领略了大师的风采,眼界大开,受益匪浅,为他们今后的学术思想和科研工作指明了方向。这次讲习班为中国振动力学的发展培养了人才奠定了基础,作出了开创性贡献。当年的许多人都成为振动力学方面的专家,有的还成为工程院院士。之后,他又将机械振动学讲义进行修改,于1962年出版专著《机械振动学导论》,这是第一本国人自编的机械振动学教材。

三、涉及多学科领域研究成果卓著

  在中国老一辈科学家中,刘先志从事的科学研究以涉及领域宽而著称,他对流体力学、一般力学、机械振动、热弹性力学、非线性振动以及力学中的数学问题等方面的研究均作出了贡献,同时又解决了机械工程中出现的大量力学问题。他倾其毕生精力去思考和探索一些世界大师提出的科学难题,并且自主创新,成果卓著,体现了勇于探求真理挑战大师的精神。
  刘先志在连通管内理想液体振动方面的研究长达四十年,系统地研究了理想液体在各种不等径连通管内的振动规律。早在17世纪,牛顿(Isaac Newton)、贝努利(G Bernoulli)等大师就尝试过求解这一问题,但仅获取了类似于物理摆微振动的线性振动周期。刘先志在德国柏林工业大学理论力学研究所期间,就开始研究这一难题。1953年,他在瑞士的《应用数学和物理》(ZAMP)上发表《关于连通管内理想液体自振的部分理解》,引起了国际学术界的关注,他的德国老师著名力学家舒勒(MSchuler)在给他的来信中评价:“这篇论文是有价值的,它比牛顿当年推出的一类似公式更为一般。”舒勒还将该论文分发给德国的30个研究中心,后来日本学术界又将刘先志有关这方面研究的三篇论文收入《非线性振动的新成就》文集中。这一研究大大推进了牛顿等大师的结果。
  在有自由表面的水动力学方面,他研究的液下不同类型周期泉涌在液面上激起的波阵问题,比著名数学家和力学家柯西(ALCauchy)和泊松(SD Poisson)研究的这一问题,更加普遍和深入,其中《液下球形周期泉涌系统在液面所激起的波阵》是刘先志当年的博士论文,1952年在德国的《应用数学和力学》(ZAMM)上发表后,1953年苏联的《力学》(Mexahuka)便全文转载了。在国家科委组织制定的《1963~1972科学技术发展规划(草案)》船舶力学部分的说明书中,对刘先志这方面的研究成果用了较大的篇幅作了较高的评价,他是中国这一学术领域的先驱和带头人。
  1959~1965年期间,刘先志把大量精力投入到由热传导和固体力学综合起来的热弹性力学方面的研究,这期间国内尚无人开展此方面的研究,他先后撰写了16篇论文,其成果不仅填补了国内该学术领域的空白,且居世界先进行列。这些论著,进一步充实了热弹性力学的知识宝库。而且对近代发展的复合材料结构内热应力的分析也有重要的实用价值。1965年发表在《中国科学》上的《弹性平板内的定常点型热源在该板里所引起的应力和变形》一文,大胆地纠正了国际著名力学家、波兰科学院院长诺瓦斯基(WNowaski)在这一领域研究中的贻误。
  1958年,他在《力学学报》上发表了《上端固定缠绕在轮盘上的缆索的质量对于轮盘的铅垂下降运动及缆索张力的影响》论文。该问题在历史上曾被H•洛伦兹(Lorenz)提出过,但长期以来没有完整的解析解。刘先志通过研究求得解析解,最终突破了前人长期以来没有解决的理论问题,具有重要理论意义。
  刘先志在上世纪70年代细致研究了变截面弹性直杆的纵向固有振动和扭转固有振动问题。早在19世纪,基尔霍夫(GRKirchhoff)等学术大师就研究过这类问题。由于数学推导有相当难度,他人一般都会绕道而行,仅取近似解。他在该项研究中先后撰写了四篇论文,其中《推算楔形直杆纵振与扭振自主频率的一个方法》一文,1977年在《中国科学》第6期发表后,由于文中采用的方法简便、精度可靠,获得了比前辈学术大师们更高水平的研究成果,解决了他们无法彻底解决的问题,引起国际同行重视,美国、联邦德国的生物研究中心相继来函,索取文稿。
  他在开展科研的同时,还十分注重理论联系实际,坚持科研为生产建设服务,其许多论著直接来源于生产,体现了知行统一和勇于破解生产技术难题的学术风范。20世纪50~60年代,他曾先后就我国麻纺工业、冶金工业、机械工业等领域中影响生产的关键课题进行研究并加以解决。
  建国初期,中国麻纺业技术落后,设备陈旧,麻纺机出现严重振动。为改变这种局面,他到无锡麻纺厂蹲点,从理论分析入手,设计、试制,样样亲自动手,因陋就简,克服重重困难,最后终于找到了高速旋转子动平衡的规律,从而攻克了麻纺机的振动问题,并从这一生产问题中提炼出相关课题,撰写了关于高速旋转子动平衡方面的四篇论文,分别发表于《机械制造》,后又写入其专著《机械振动学导论》。
  1955年,随着国家建设的发展,冶金工业面临提高产量和质量的问题,当时的山东张店铝厂急需提高球磨的绝对最高粉碎产量,刘先志亲临生产现场了解情况,那时国内外均缺乏相关研究资料,他应用刚体力学原理找到了提高生产效率的途径,并从中提炼相关课题,发表了《球磨绝对最高粉碎产量装载因素的推求及球磨在运用中力的关系》一文,发表在1959年的《力学学报》,该论文不仅具有重要的理论意义,给出了详尽的计算结果和图表,而且有重要的实用价值,提供了工程师感兴趣的公式和结论。在1957年第一次全国力学学术报告会上,钱学森对该论文给予高度评价。
  60年代末,刘先志身处逆境,被打成反动学术权威挂牌劳动改造,身心受到极大摧残,还患有心脏病,但他不顾个人安危,为解决大型柴油机的振动问题,多次深入到济南柴油机厂开展调研,结合这一生产课题,他先后发表了《平面曲轴八缸V型内燃机二阶往复惯性力分析平衡法》等四篇论文,提出了三种二阶往复惯性力的平衡方案。他在振动与平衡方法方面的研究,备受国内外关注,不但解决了过去无人问津的难题,而且其研究成果被大量运用到生产领域。这些成果对生产、教学和深入的理论研究都具有极大的指导意义。《中国科学家辞典》评论说,“这些成果创立了三种平衡方案,各有千秋,堪称三项重要的发明。”
  他一生在科学研究的崎岖山路上,不畏艰辛,只争朝夕,探索不止。他在国内外著名学术杂志上发表科学论文50余篇,并出版专著《机械振动学导论》,这是当时中国振动工程领域中最具权威性的著作。他的业绩被收入《中国科学家辞典》,编入《齐鲁科技精英》。1978年第一次全国科学大会颁发给他个人奖,同年,山东省科学大会颁发给他个人奖。1986年为表彰他在机械振动和热应力研究中作出的贡献,国家教委授予他全国科技进步二等奖。2009年他入选《中国20世纪著名科学家概览》。


【作者:尹丛薇            来自:《山大第一》    责任编辑:榭亭  】

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