发布时间：2023-10-11 15:54:54
绪论：一篇引人入胜的航空航天体系标准，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
在原始社会，人类进行计算的方法十分简单，只需把石块放进皮袋或把贝壳串成串，就可以“一一对应”计算出需要计数的物品。后来，人们又发明了在长绳上打结记事或计数。采用这样的“结绳计数”方法，比用石块、贝壳要轻便许多。与此同时，手指计数也是当时常用的方法。至今，有些地区的少数民族还用“手”表示“五”，用“人”表示“二十”。有人研究推测，“十进制”被广泛运用，应该与手指计数大有关联。
考古工作者考证出湖南省长沙楚墓出土的几十根长约12厘米的小竹棍，就是古人用来计算的算筹，这是我国所能见到的年代虽久远的实物：而楚人也是我国古代最早使用算筹进行计算的先民。经专家研究，算筹有两种排列方式：一种是纵式，1至5为并列竖排，6至9为横竖相交，一竖一横表示6，四竖一横表示9；另一种模式则是1至5并列横排，6至9竖横相交，与纵式恰好相反。进行计算时，算筹纵横交叉使用，以十进位，零为空位。《老子》一书中讲到：“善计者不用筹策”，表明那时算筹已经相当普遍了。自春秋战国以来，使用算筹进行计算一直沿用了近两千年。除竹制之外，还有木、铁、玉石、象牙制的算筹。把算筹装在袋子里或笔筒中随身携带，这就是古人说的“算袋”或“算子筒”。唐代曾经规定，文武官员都必须备有算袋，以提高决策的科学性。我国古代数学家刘徽，用算筹把圆周率计算到3.1410。而祖冲之则更为精确地计算到小数点后第七位。
算筹在计算时需要一定的场地，特别是多位数计算占地较大，而且运算过程转瞬即逝。为了克服算筹的弊端，到了宋元时期，人们根据算筹的计算原理，发明了算盘。1366年，陶宗义著《南村辍耕录》中，最初提到“算盘”一词，并说“拨之则动”。15世纪《鲁班木经》中，很为详细地记载了算盘的制作方法。算盘以圆珠代替“算筹”，并将其连成整体，简化了操作过程，运用时更加得心应手。到了元末明初以后，珠算则逐渐取代筹算，成为通用的计算工具。在算盘中，上面的子一个代表5，下面的子一个代表1，是从算筹延续下来。算筹运算的规则和口诀，算盘也都继续沿用。从某种意义上讲，算筹可以说是算盘的祖先。利用算盘不但可以做加减乘除四则运算，还可以乘方开方。即使是多元高次方程这样高深的数学难题，利用算盘同样可以解出来。
珠算是中国的一大发明，虽然历史古老，但现在仍然具有旺盛的生命力，不但在中国如此，就是号称“电脑王国”的美国和日本，也十分重视珠算的使用和普及。美国加州的大部分小学都开设珠算课；日本人则把珠算与读书、写字并列为国民应当具有的基本技能。现在，一种新型的电子算盘已经问世，它把算盘与电子计算器的长处集为一体，是一种中外结合的新型计算工具。
齿轮计算风光显赫
1520年，英国人甘特发明了计算尺，运用到一些特殊的运算中，既快速又省时。到了1642年，法国数学家巴斯嘉制造出世界上最早的手摇计算机。它用一个个齿轮表示数字，以齿轮间的咬合装置实现进位，低位齿轮转十圈，高位齿轮转一圈。经过逐步改进，它既能做加、减法，又能做乘、除法，运算操作也更加简捷、快速。1878年，瑞典发明家奥涅尔制造出一种利用齿数可变功能进行演算的手摇计算机。这种计算机的主要特点是，利用齿数可变的齿轮代替阶梯形轴。其中，字轮与基数齿轮之间没有中间齿轮，数字直接刻在可变齿轮上，并在外壳窗口中加以显示。
到了19世纪80年代，各种机械计算机陆续采用键盘置数的办法。这种计算机在进行除法运算时，要注意听信号铃声，当减去除数的次数过头时，就会响铃，提醒操作者将多减的次数补回来。1905年，一位名叫加门的德国人，在键盘置数的计算机中采用了“比例杠杆原理”，使计算机在操作时产生的噪声很小，做除法运算时也不用专心注意铃响，逐渐成为一种广为流传的机械计算机。1936年荷兰飞利浦公司制造出一种二进制手摇机械式计算机。由于结构简单，操作方便，在20世纪二三十年间一度成为非常重要的计算工具。
用手摇作为动力的机械计算机，应用范围十分广泛。它能够进行四则运算、平方数、立方数、开平方、开立方，还可以输入三角函数和对数。我国第一颗原子弹的研制，就曾使用这种计算机来进行数据计算。不过，手摇计算机也有不足，比如计算的数据中有括号就比较麻烦，需要正摇几圈，反摇几圈，重复多次；另外还要用纸笔记录，既费时又费力。20世纪70年代，使用晶体管和数码管的计算器出现以后，手摇计算机就退出了历史舞台。
超级电脑前景广阔
1946年初，美国宾夕法尼亚大学厄克特博士和物理学家毛希利博士研制成功世界上第一台电子计算机。这是一种根据一系列指令对数据进行处理的机器，俗称“电脑”。
电子计算机的种类繁多，但总体上都是处理信息数据的工具。随着科技的飞速进步，新一代计算机出现之后，在性能上总是要明显超过前一代。早期计算机的体积足有一间房屋大小，而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。小型的、为个人应用而设计的计算机被称为微型计算机，简称微机。我们日常使用“计算机”一词时，通常大都是指这种计算机。当然，在特别的科学计算或面向大型组织的事务处理中，依然有大量体积庞大的计算机在工作着。
我国国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机，其峰值运算速度为每秒4700万亿次。“天河一号”运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上；“天河一号”运算一天，相当于一台主流微机运算620年的总和。
超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。1994年，美国航空航天总署的戈达德太空飞行中心的科技人员，建造了世界上第一组个人台式电脑机群超级计算机。现如今，超级计算机已成为研究全球气候变化、高能粒子、天体变化、核反应等的关键工具。日本开发的“地球模拟器”超级计算机可提供全球性天气预报。在运行过程中，该计算机需要将地球表面分割为许多大约10平方千米的区域，这样就需要处理5000多万套大气及海流的变化数据。为了对这些数据进行及时处理以做出天气预报，以往需要数千台计算机处理器来进行共同运算，而该台超级计算机完全可以独自担当重任。
我们身边存在着很多流体现象，也许看不见、摸不着，然而它们就像空气和水，是一种重要的存在，影响着我们的生活。气象灾害、日本海啸、美国航天飞机的退役等均与流体力学有着密切的关系。由此可见，身边的流体现象无处不在。日前，中国科学院力学研究所研究员，博士生导师，中国科学院院士李家春来到了中国科学技术馆与广大市民面对面，为我们详细讲解“身边的流动”。
李家春说，2011年，人们遭遇了众多极端事件：日本海底地震导致海啸和福岛电站核泄漏；澳大利亚飓风、我国干旱与洪水灾害等异常气候问题，而它们的预测、预警都是流体力学的前沿问题。同样是在这一年，美国航天飞机历经30年，共飞行130余次，而后全面退役。在其退役的种种原因中，防热系统不可靠等安全问题，成为流体力学工作者需着力解决的重要课题。
日本海啸与流体有关
“日本‘3・11’地震海啸灾害伤亡惨重，并导致了福岛第一核电站的核泄漏。海啸灾害的发生需要几个条件，其中包括6.5级以上的海底地震、震源深度小于50公里、海底板块垂向运动等。传播到浅海海湾和海滩地区，因水的积聚和涌升而致灾，在夹带杂物以后冲击力更强。利用地震波与海啸传播的速度差，可以预警防灾。”李家春说，“为什么日本这次没有做好呢？原因有两个，一个是震源很近，离海岸线仅133公里，时间差很短；第二在于日本没有预见到九级地震会造成如此大海啸，防波堤设计标准低。如果核电站建在西海岸就要好得多。”
气候异常缘于大气环流非常不规则
2011年气候的异常使人类遭受很多损失。澳大利亚百年难遇的“雅斯”飓风；韩国首尔百年一遇的暴雨；包括北京城区内洪水也相对严重。气候异常究竟缘由何在？李家春对此解释：“由于海陆分布、地形高低、植被覆盖、土壤干湿等因素，还有诸如地球自身的公转和自转、日地关系、太阳活动、火山爆发等自然原因，大气环流是非常不规则的。近百年来，还有温室气体排放等人类活动的干扰，导致全球变暖，大气活动增强，表现为平均值缓慢上升，在平均值上下幅度的变化也增大。”
美国航天飞机退役，因为防热系统没有设计好
美国航天飞机退役原因也是瞩目的焦点之一。我们知道，航天飞机的好处是运送量大，把人和物资运到空间站去，所以人能够长期地在空间站进行科学活动；可以多次往返，似乎可以节省费用；还有一个好处就是回地落点比较准确。李家春说：“航天飞机退役最重要的原因是，防热系统没有设计好，维修费用很高，失事率高。两次失事，一次是挑战者号，一次是哥伦比亚号，牺牲了14个人，这样就不经济、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号最终退役。两架失事，三架放到博物馆。”
诗词里的“流动”
有谁想到古人的诗词中蕴藏着丰富的流体现象呢？在讲座上，李家春先以大家耳熟能详的七言绝句《早发白帝城》为例，“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。”这首诗将诗人遇赦后愉快的心情以及江山的壮丽多姿融为一体，描写的淋漓尽致，而“轻舟已过万重山”这顺水行舟的流畅轻快则体现出了一种流动现象。
李家春说：“为什么三峡建成前后，船的航速不一样？没建三峡之前可以轻快如飞。三峡工程建成以后，‘高峡出平湖’，流速就大大减缓了。实际上，这是由于河道的比降不同，也就是说水面的坡度不同所致。河水流动的动力，来自于重力沿着底坡的分量，比降大，该分量也大，所以流速也就增加了。”
此外李家春还举出《枫桥夜泊》里的一句“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。”从表意来讲，是说苏州城外的寒山古寺，半夜敲响的钟声传到了诗人的船头。那为什么晚上寒山寺的钟声能传过来？“这里面反映了一个科学原理，”李家春说，“声波在大气当中的折射现象。到了晚上，大气的密度处于稳定层结，上轻下重，这样声音就会全反射回来，而白天的分层情况不同，所以可能听不到钟声。”
延伸阅读
现代流体力学具有先导作用
什么是流体力学？在讲座上李家春通过解答流体和固体的差别、流体的相态以及流体运动的表现形式等问题，说明了流体力学是研究流体介质的对流、扩散，以及相伴的物理、化学、生物过程，导致质量、动量、能量输送的现象。
流体力学既是一门经典学科又是一门现代学科。在17世纪，牛顿基于前人的天文观测和力学实验，发明了微积分，并总结出机械运动三大定律和万有引力定律，发表了著名的《自然哲学的数学原理》一书。由于原理是普适自然与工程各个领域的规律，从而使力学成为自然科学的先导。
自20世纪60年代以来，由于超级计算机、先进测试技术的发展和应用，力学进一步凸显宏微观结合和学科交叉的特征，并进入现代力学发展新阶段。李家春说：“现代流体力学在航空航天、海洋海岸、环境能源、生物医学、材料信息等诸多工程领域都发挥着不可或缺的作用。因此，现代流体力学不仅是一门重要的基础学科，而且在同国家经济、社会发展相关的各个工程技术领域仍具先导作用。”
流体力学的发展历程
流体力学历史悠久，它发展的过程可以分成四个阶段：基于实践经验的古代流体力学，基于严密数学理论的经典流体力学，基于物理洞察力的近代流体力学，以及基于现代高新技术的现代流体力学。
西方的古代力学，最早的有阿基米德的浮力原理和提水机，达・芬奇的扑翼机和降落伞，以及哈根・泊肖叶的管流实验。这些也都是流体力学，而且西方关于定量化的研究做得好，并上升为规律和理论。经典力学则以牛顿力学体系的建立为代表，主要推广到连续介质――就是像水、空气这样的介质。李家春说，经典力学可以得到很多理论公式，但是也面临困难，比如说解决不了飞机的问题。而近代力学靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡数学会上提出了边界层理论，解决了阻力和飞机设计问题。如果没有这个理论，到现在为止，我们不可能坐飞机在十几个小时到达纽约。
“中国古代的流体力学有很多好成就和贡献，最重要的一个贡献，就是2000多年前的都江堰水利工程。”李家春说，“鱼嘴分水堤严格控制内外江的水沙量，飞沙堰溢洪道控制洪水量，宝瓶口起着一个水库的作用，这些都是流体力学原理。”
专家答疑
疑问：要解决比如说航天、海洋、能源、环境问题，是用数学模式、物理思想、现代的超级计算机，还是兼而有之？
李家春：关于研究手段，比如气候预报，需要的计算量非常大，单纯靠手算是不现实的。100年以前曾有一位天文学家预测一个天体运动，推导了100多项，后来发现计算错了，结果算了一辈子都白算了，所以没有计算机不行。但是现在有另外一种趋向，就是年轻人不爱学数学、物理，单单学计算机，而且公式不推了，程序也不编了，为什么啊？因为有软件。人家编好程了，他只需要输进去数据，结果就能出来，挺不错啊，就是他不了解里边的含义，错了也没法改，这是不行的。只有学习了数学、物理中基本的知识以后，才能了解算出来东西对还是不对，了解里边的规律是什么，才能做到创新。
疑问：如果某些力学问题解决了，它能够带动哪些技术，解决人类的哪些问题？
李家春：我举个例子――湍流，这是一个百年的难题。湍流是1883年雷诺发现的，实际上在我们周围到处都是，水流里边、大气里边到处是湍流现象。但解决它又非常难，因它是无规则运动。20世纪以来有很大进步，第一条，就是把它的发生原因、转变过程、统计规律以及它的结构弄清楚了，但现在要预测它，对飞行力学、空气阻力、传热这些现象十分重要。另一方面，因为它的尺度非常小，计算机能力还不行，现在十的七次方已经很多了，它可能要算到十的十五次方，现在做不到，所以还要靠大脑的智慧。大家要知道，不必要把所有物质都分辨到原子、分子，这不可能，只有依靠物理思想对小尺度的现象建立模型，进行简化，计算量就大大减少了。所以还要学普朗特的精神。如果这个问题解决了，实现了减阻，每年都能省很多石油，可以把环境污染问题做得更好。
最大的进展是在2009年3月之后，美国发射了开普勒空间望远镜。通过开普勒空间望远镜观察，科学家抽样检查发现，银河系里有2 000亿颗恒星，其中有500亿颗恒星可能有行星，5亿颗可能存有生命，86颗温度比较适合。这是人类寻找地球以外适合人类生存星球的重大发现，也是一项惊人的进展。
2011年2月19日，美国天文学家宣布了一个令人惊讶的结论：在银河系里，每2颗恒星中就有1颗拥有行星，每200个恒星拥有的行星中就有1个行星处于宜居帝。当然，这还只是一个保守的估计。
现在，这 类的寻找计划基态上是各国各显神通，没有统一的计划或行动。在这一类寻找计划上，美国和欧洲发展得最好，但他们也没有统计划。
Q：美国国家航空航天局这次在太阳系外找到了一个“备份地球”，这件事除了引起人们的好奇心，对此讨论一番，有什么实际意义呢?
“备份地球”的发现将使得寻找地外生命和外星人的可能性增大了。找到了“备份地球”，下一步工作便是寻找“备份地琢”上是否存在生命或外星人。
Q：现在找到的许多星球，其实环境并不完全适合我们人类生存，要把它改造成真正能居住的地方，非常困难，我们现在有实力把另一个星球真正建造成第二个地球吗？
要想把“备份地球”改造成第二个地球，从目前看，火星最有可能成为第候选星球。因为火星的温度不是很高，也存在一些火星空气，而且改造火星的计划，科学家已经在一步步规划中。当然要把个星球改造为第二个地球也不是近期就能实现的事，但我们可以一步一步努力。首先人类要能登上火星。估计30年后，人类有望登上火星。对于中学生而言，完全有可能看到人类登上火星的那幕，甚至有些同学还可能成为登上火星的宇航员。虽然现在人类还没有实力将火星变成第二个地球，但我估计几百年之后，人类还是有可能将火星改造为第二个地球的。
Q：真正意义上的移民行动，您预计会在何时开始?如果人类真的能移民外星，那地球上这么丰富的物种，那些动物植物，是不是能一起带走?
真正意义上的移民行动，如永久性移民到火星，那得到几百年以后。至于要想移民到太阳系以外行星，那得是两千年以后的事情。
人类要移民外星，先出发的肯定是无人飞船，执行的是探路的任务，这时候是不需要带动植物的。即使等到各项条件都允许，真正开始移民的话，也不用带走那么多动物、植物，只要带上动物的、卵子和植物种子就可以了，当然带一些活的动物也是有必要的。另外，还要考虑那个星球的情况，它是不是有自己的生态系统，带去的动植物不能破坏它的体系，不能变成入侵生物，肯定要先搞一个试验区吧。
Q：现在科学家正在热衷寻找第二个地球，为此付出了很多努力，也花了很多的资金，这种行动是否真的有必要?
寻找第二个地球的行动，看起来花的钱很多，比如“开普勒计划”就花了6亿美元，但是和全世界国家总的几大开支比如军费等比较，连个零头都不到，就是在科研经费中，它也不算是最多的。但这种行动却是很有必要的，一是人类不可能永远只呆在地球上；二是这种寻找行动以及对这些星球的研究，对地球的保护也是有指导意义的。
举个例子，科学家探测火星后就发现，火星早期也是有水的，但是现在为什么会沙漠化?这对地球也有参考性。再比如金星，被誉为地球的姐妹行星，它与地球大小差不多，距太阳也不算太近，但是金星的温度却达到400多摄氏度，大气压力相当于90个标准大气压(相当于地球海洋1千米深处的压力)，真称得上是“水深火热”。地球和金星，就像是双胞胎，一个走向“天堂”，一个却走向“地狱”，这难道不值得研究一下吗？所以，寻找、研究“备用地球”，对于地球的“长治久安”是很有意义的。
人类终究是要走出地球的，所以人类需要开拓视野，尤其是中国人。中国近代科学技术为什么发展慢，很大程度上是因为中国人对探索未知事物的兴趣不够大，不如西方人。郑和下西洋时，有200多艘舰船、2万多人，航海技术也是一流，但发现新大陆的却不是中国人，因为郑和下西洋只是去扬天朝之威。哥伦布只有3艘轻帆船，但他敢于探索，最终发现新大陆的荣誉还是被他获得。
Q：通过寻找第二个地球的行动，我们会找到外星_生命吗?如果那个星球上也有“人”生活，他们会欢迎我们去那里住吗?如果他们的科技更先进，他们不会反过来入侵地球吗?
通过寻找第二个地球的行动，我们是会发现外星生命的，或者更准确地说，是会找到外星生命的迹象。如果那个星球上也有“人”，我想他们会欢迎我们去那里交流的。
当然，现在有个关于外星人是好意还是恶意的争论，霍金是持“外星人”的。霍金很聪明，但他的有些看法还是值得商榷的。比如，他认为在恒星内部也有智慧生命，至少在这方面没有实际科学依据。霍金为“外星人”举的例子，是哥伦布发现美洲后，西方殖民者掠夺美洲各种财富、资源的那段历史。我也可以举个例子，社会文化、经济发展到了今天，如果我们又在哪个偏远角落发现个原始部落，是会去保护它、研究它呢，还是去掠夺它、统治它呢？既然外星人能够到达地球，他们的科技应该是很发达的，能源和材料问题早已解决，还有必要把我们的石油和矿产抢走吗?其实地球上的矿产资源并不丰裕，而且当科技发达到一定程度，能源问题不应该成为这些发达星球的困惑。所以霍金的这个理由，我觉得并不充分。至于好莱坞科幻电影里的各种外星人侵略地球、统治地球人的情节，那纯粹是为了吸引人眼球的，或者是地球人危机意识的表现。
Q：是什么原因让您立志从事天文研究工作，几十年都热情不改?
我们小的时候，功课没现在这么重，小孩的好奇心都很大，那时候就觉得天文很神秘。我上小学三四年级的时候，有次在操场上听人家说，等“天开眼”的时候，把鞋子扔上去，掉下来时就变成金鞋子了。那时候我半信半疑，但对天文就产生了很大的兴趣。后来我搞科研的时候，也研究过“天开眼”，其实这就是陨石落下来的时候，因为很亮，就像是天上突然多了只眼睛。不过我可没找到什么金鞋子，而是陨石。
到了初中时，有一次学校搞科学活动，另一个班的同学就做了一个火星人模型，他想到火星上干燥、风沙大，重力比地球小，于是他设计的火星人模型，皮肤干巴，鼻子很大，还有很多鼻毛可过滤沙子，脚也要大一些，这样才站得稳。这虽然不是我想的，但我觉得比较有趣，这些活动其实就是想象力的发展。
到了高中之后，1956年，正逢火星大冲，也激发了我对天文的兴趣。而且那时，我喜欢数学、物理，所以高考的时候我就在物理系、数学系里选，后来我选了物理系，因为物理系的课程里还包含数学，这样就把我的两个特长都包括进去了。我上的是北京大学物理系。很巧的是，没多久系里新开了一个天体物理专业，老师就把我们一帮人全转到天体物理专业了。
其实搞天文，有趣也很辛苦。比如说要通宵观测，现在条件好多了，坐在控制室里就可以了，以前半夜打开天文台圆顶，还是很冷的。还有一次去外地找寻陨石，住的公社招待所，条件很差，就是稻草铺在炕上，晚上就在上面睡，跳蚤还特别多。因为是小地方，只能坐到最破最挤最慢的火车，不仅没有座位，就是找个站的地方都很困难。那时的农民都很朴实，把扁担横在两个座位之间，我就坐在扁担上。
