Nghiên cứu cơ bản trong ngành Cơ học

Cơ học không chỉ là ngành giao thoa giữa Toán học và Vật lý, mà còn là nền tảng của các ngành kỹ thuật như hàng không, cơ khí, xây dựng, giao thông, công trình thủy và đặc biệt hiện nay là kỹ thuật y sinh và điều khiển tự động hóa. Do đó, cũng có thể nói rằng cơ học đóng vai trò cầu nối quan trọng giữa khoa học cơ bản và khoa học ứng dụng trong lĩnh vực tự nhiên và kỹ thuật. Cơ học đã được phát triển từ thời các nền văn minh cổ đại, tuy nhiên những đóng góp được xem là đặt nền tảng cho sự phát triển của ngành cơ học chính là ba định luật cơ bản về chuyển động của Newton ở thời cận đại. Đến nay, nhiều nhánh cơ học đã được phát triển tương đối toàn diện như cơ học vật rắn biến dạng, cơ học vật liệu, cơ học chất lỏng, cơ học đất đá, cơ học rạn nứt, cơ điện tử, cơ học điều khiển tự động, cơ học y sinh… và đặc biệt là cơ học lượng tử.

Cơ học Việt Nam được đánh dấu bằng sự thành lập Viện Cơ học Việt Nam vào ngày 10/4/1979 của Thủ tướng Chính phủ, trên cơ sở phòng Cơ học thuộc Viện Khoa học Việt Nam, và sau đó là sự thành lập của Hội Cơ học Viêt Nam năm 1982. Trong 40 năm qua, ngành Cơ học đã bắt đầu có được đóng góp vào sự phát triển chung của nền khoa học công nghệ và công nghiệp sản xuất, khi từng bước đưa những kết quả nghiên cứu cơ bản vào ứng dụng thực tiễn của đời sống xã hội. Những ứng dụng cơ học nổi bật có thể kể đến trong lĩnh vực cơ học môi trường biển (nghiên cứu và khai thác năng lượng biển, xây dựng cơ sở dữ liệu về biển, tính toán thủy triều, nước dâng do bão từ đó đề xuất các giải pháp chống xói lở và xâm nhập mặn…), cơ học thủy khí (nghiên cứu dòng chảy nhiều pha trong ống ứng dụng trong khai thác dầu khí, nghiên cứu an toàn thủy nhiệt lò phản ứng hạt nhân và nhà máy điện nguyên tử, xây dựng mô hình thủy lực số mô tả và dự báo quá trình truyền triều, xâm nhập mặn, đề xuất giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng, sông Cửu Long…), Cơ học vật rắn (tính toán thiết kế, chẩn đoán máy và kết cấu công trình, nền móng, các dàn dàn khoan ngoài biển, chế tạo vật liệu composite), Cơ điện tử và Tự động hóa (thiết kế và chế tạo hệ điều khiển các sản phẩm Cơ điện tử - Robot, nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ tự động hóa trong điều khiển các dây truyền sản xuất, hệ thống thiết bị và công nghệ xử lý tín hiệu cơ, điện, vô tuyến điện…).

Đó là thành công chung của cơ học Việt Nam, tuy nhiên cũng có thực tế là nghiên cứu cơ bản trong ngành Cơ học ở giai đoạn trước khi Quỹ NAFOSTED tụt hậu nhiều so với các lĩnh vực kế cận là Toán và Vật lý. Khi đó, các nghiên cứu có công bố quốc tế chỉ là những cố gắng đơn lẻ của một số nhà khoa học tâm huyết. Điều này đã ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng các nghiên cứu ứng dụng nêu trên. Tình hình chỉ thay đổi từ khi Quỹ NAFOSTED hình thành và đi vào hoạt động với chính sách đầu tư cho nghiên cứu cơ bản mới hiệu quả, minh bạch và hướng tới chuẩn mực quốc tế. Trên nền tảng đó, ngành Cơ học đã bắt đầu có chuyển biến tích cực với trên 360 bài báo quốc tế ISI, trong đó có 57% bài thuộc top ½ trên của Q1 và bắt đầu trở thành là một trong những ngành có chất lượng công bố tốt của NAFOSTED. Thông qua 189 đề tài được Quỹ tài trợ, ngành Cơ học đã tham gia đào tạo gần 100 tiến sỹ và hơn 150 Thạc sỹ. Từ năm 2009 đến nay, trong khoảng 190 lượt chủ nhiệm đề tài được tài trợ, tuổi đời bình quân là 36,5 tuổi, trong đó lực lượng tiến sỹ trẻ tốt nghiệp từ nước ngoài về chiếm đa số.

Vì vậy, công trình đoạt giải thưởng Tạ Quang Bửu năm 2019, ‘Duc Chinh Pham. Consistent limited kinematic hardening plasticity theory and path-independent shakedown theorems’, là sự ghi nhận những đóng góp nổi bật và quan trọng của nghiên cứu cơ bản ngành Cơ học, đặc biệt sự nỗ lực và thành tích nghiên cứu xuất sắc của tác giả, một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới trong lĩnh vực phân tích giới hạn và thích nghi của kết cấu.

Trong tính toán phân tích và thiết kế công trình, việc xác định giới hạn chịu tải của kết cấu chịu tải trọng thay đổi và tận dụng tối đa độ bền của vật liệu đóng vai trò rất quan trọng, và được các kỹ sư thiết kế các công trình thực tiễn quan tâm sâu sắc. Trong hai phương pháp chính xác định tải giới hạn, phương pháp phân tích từng bước (step-by-step, incremental) đòi hỏi người kỹ sư phải cung cấp lịch sử truyền tải và nhiều thông số vật liệu phức tạp, do đó việc ứng dụng phương pháp trong thực tiễn còn nhiều hạn chế. Trong khi đó, phương pháp phân tích trực tiếp (direct analysis, limit and shakedown analysis) dựa trên định lý cận trên và cận dưới có thể cung cấp nhanh và chính xác về tải giới hạn và cơ cấu phá hoại, và chỉ dựa trên các thông số vật liệu cơ bản như ứng suất dẻo của vật liệu, góc nội ma sát… Melan và Koiter, hai nhà khoa học nổi tiếng trong Cơ học, đã đề xuất định lý cận dưới và cận trên và được áp dụng rộng rãi trong phân tích giới hạn và thích nghi của kết cấu. Trên cơ sở đó, tác giả Phạm Đức Chính đã tiếp tục phát triển mới các định lý cận dưới và cận trên tách mode, giúp cho việc tính toán thuận lợi hơn đồng thời giúp cho người kỹ sư nhận diện chính xác được mode phá hoại để từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp. Trong công trình này, tác giả đã tổng quát hóa và hoàn thiện các định lý tách mode và đặc biệt tác giả đã chứng minh rằng tải giới hạn của kết cấu không phụ thuộc vào đường tái bền động học và được xác định dựa trên hai thông số tái bền quan trọng là ứng suất dẻo ban đầu và ứng suất dẻo cực hạn. Điều này có ý nghĩa ứng dụng rất quan trọng trong phân tích và thiết kế công trình trong thực tiễn, giảm chi phí tính toán và độ phức tạp khi thực hiện mô hình phân tích và đưa thông số đầu vào của vật liệu, tải trọng cơ sở.

Trong thời gian tới, để đẩy mạnh nghiên cứu cơ bản và ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, chung ta cần xây dựng nguồn lực cho các hướng nghiên cứu liên quan nhiều đến thực nghiệm và tính toán cho các bài toán có quy mô lớn như: Cơ học tính toán hiệu năng cao và các hệ máy tính hiệu năng cao (High Performance Computering); kết cấu thông minh; hệ thống thu hoạch năng lượng (Energy Harvesting System); xe không người lái, công nghệ chế tạo bồi đắp; phương pháp và trang thiết bị kiểm tra, đánh giá không phá hủy (NDT); nghiên cứu về hệ thống Haptics, thực tế ảo tăng cường và hỗn hợp, nhân bản số (digital twin)…, đồng thời cần có chính sách liên kết mạnh mẽ giữa trường viện và doanh nghiệp, tạo hành lang thông thoáng để các cơ sở nghiên cứu thực hiện ứng dụng và thương mại hóa sản phẩm nghiên cứu. Trong xu thế hội nhập khoa học công nghệ với thế giới, ngành Cơ học đã xây dựng lực lượng nghiên cứu đủ năng lực để thực hiện các hướng nghiên cứu dựa trên nền tảng cuộc cách mạng 4.0, đặc biệt cho 5 hướng thế mạnh: vật liệu thông minh đa chức năng; robot; chẩn đoán sức khỏe kết cấu hay cơ hệ; nghiên cứu về hệ thống điều khiển thông minh, trí tuệ nhân tạo và cơ học tính toán. Sự quan tâm và những cơ chế chính sách để phát huy hết nội lực để giải quyết các vấn đề thực tiễn và phần phát triển đất nước trong giai đoạn mới luôn là mong mỏi của lực lượng nghiên cứu ngành Cơ học.