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1955年12月21日，钱学森结束了在东北三省为期一个月的参观讲学，回到北京。一路上，他看到了新中国成立6年来建设事业欣欣向荣、蓬勃发展的景象；亲身感受到中国共产党强大的组织领导能力；了解了我国现有的工业基础和巨大潜力。他把思考后得出的明确结论——科学技术应该为现代化的工业建设服务，力学研究所的研究范围要宽广一些，内容要新颖、先进，要走在工业生产的前面等，都融进了筹建力学所的构想中。
1956年的春天是个绚丽的春天，我国政治形势一派大好。对中国科学技术界来说，这更是一个值得追怀的阳光明媚的春天。
1956年1月5日，中国科学院召开院常务会议，讨论通过第一项议程——成立力学研究所。出席会议的有院常委会成员郭沫若、李四光、张稼夫、陶孟和、竺可桢、秦力生、严济慈、华罗庚等13人；列席会议的除钱学森和钱伟长外，还有周培源、朱兆祥等6人。会议讨论后认为，力学所建所条件已经成熟，不需再设置筹备阶段，决定正式成立力学所。所长钱学森，副所长钱伟长。
1月25日，毛泽东在最高国务会议上指出：“目前我们国家的政治形势已经有了根本变化。”并提出：“我国人民应该有一个远大的规划，要在几十年内，努力改变我国在经济上和科学文化上的落后状况，迅速达到世界上的先进水平。”
接着，1月30日，周恩来在中国人民政治协商会议第二届全国委员会第二次全体会议上，发出了“向现代科学技术大进军”的号召。这预示着中国科学技术的发展将进入一个快车道。
为了筹建力学研究所，1955年11月，钱学森就与钱伟长、朱兆祥一起，约请在京的力学家周培源、张维、杜庆华、吴仲华、陆士嘉等座谈，与数学所力学研究室的李敏华、郑哲敏、胡海昌、林鸿荪等商讨，集思广益，反复切磋，明确建所方针，拟定建所方案，筹划人员配备，寻找办公地点，等等。当时，钱伟长领衔的数学所有一个力学研究室，研究室里有几名骨干。钱伟长非常豪爽地同意把力学研究室拱手相让，“连锅端”给钱学森的力学所，作为新所的第一笔家当。
中国科学院从数学所里暂时挤出几间房子，作为钱学森筹备工作的办公室，办公室仅放有一张桌子和一张硬板床。
1950年9月7日，钱学森被美国移民局拘留。9月至11月，新华通讯社和全国（包括香港）各大报纸纷纷报道我国科学教育界和舆论界对美国政府非法扣押钱学森的抗议浪潮，并表示对钱学森的声援。尽管钱学森还未回国，但由中国科学院一些著名科学家提议，经中国科学院院务会议确认，从1950年10月开始，中国科学院聘任钱学森为一级研究员。自此，中国科学院一直密切关注钱学森事件的进展。
不久，中国科学院又将化学所南面原经济研究所的一栋三层小楼腾出来，交给力学所暂用。于是，原数学所中力学研究室的人员全部迁入这栋三层小楼，当时搬过来的研究人员有钱伟长、林鸿荪、郑哲敏、胡海昌、朱兆祥、蔡树棠、解伯民、刘正常、马宗魁等13人，加上几位行政管理人员，力学所算是有了个雏形。
1956年1月5日，力学所召开全所人员大会，宣布中国科学院力学研究所正式成立。所谓“全所人员”，也就是十几个人；成立大会的会场，就是一间大一点的办公室。
钱学森在会上做了《关于力学研究方法》的报告。报告的要点有：
1956年9月5日，中国科学院发文，正式任命钱学森为力学研究所所长，钱伟长、晋曾毅为副所长，晋曾毅还兼任党支部书记。1957年5月钱伟长停职后，由郭永怀接任副所长（1958年3月正式任命）。钱学森任力学所所长直至1984年。
任何科学研究必须和实际结合，挑选课题应结合国家工业发展推进的方向。
在研究过程中，一定要很快弄清哪些是主要之点，这样就可以暂时忽略其中非主要之点。
研究工作一定要注意一般性原则，要有判断能力。哪些问题是可能的，哪些问题是不可能的。
临时使用的三层“力学小楼”（孔祥言摄）
中国科学院力学所
开设各种专题讨论班，发扬学术民主，开诚布公地进行讨论。
聚集人才是办好力学所的第一件大事，为此，钱学森广泛召集力学人才来所工作。
1956年2月2日，钱学森给尚在美国的挚友、著名力学家郭永怀写信，告诉他国内近况，催促他早日回国。信中写道：
永怀兄：接到你的信每次都说归期在即，听了令人开心。我们现在为力学忙，已经把你的大名向科学院管理处“挂了号”，自然是到力学所来，快来，快来！
老兄回来，还是可以做气动力学工作，我们的需要决不比你那边差，带书的时候可以估计在内。多带书！
请兄多带几个人回来。这里的工作，不论在目标、内容和条件方面都是世界先进水平，这里才是真正科学工作者的乐园！
郭永怀1941年5月从加拿大多伦多大学应用数学系硕士毕业进入美国加州理工学院，师从冯·卡门，研习空气动力学。他在写作博士论文时挑选了当时最具挑战性的课题“跨声速流动研究”，并一举拿到了博士学位。在这里，他遇到了平生的知己——师兄钱学森。学习之余，钱学森最乐意干的事情就是开着车，拉着这个颇有几分书呆子气的师弟兜风。1945年，冯·卡门有个名叫威廉姆·西尔斯的大弟子要在康奈尔大学办一个航空工程研究生院，冯·卡门说，你就让郭永怀跟你一块到那儿去好啦，所以郭永怀后来又到了康奈尔大学。1941年，钱学森去加拿大多伦多大学接郭永怀。1945年，钱学森正好要到麻省理工学院教书，又是他开着车，直接把郭永怀送到了康奈尔大学。
当获悉郭永怀已经离开美国、踏上回国的旅途时，钱学森又写了一封信委托前往深圳迎接的工作人员转交给郭永怀。信中说：
这封信请中国科学院广州办事处面交，算是我们欢迎您一家三口的一点心意！我们本想到深圳去迎接你们过桥，但看来办不到了，失迎了！我们一年来是生活在最愉快的气氛之中，每一天都被美好的前景所鼓舞，我们想你们也必定会有一样的体验。今天是足踏祖国土地的头一天，也就是快乐生活的头一天，忘记那黑暗的美国吧！
我个人还更要表示欢迎你，请你到中国科学院力学研究所来工作，我们已经为你在所里准备了你的“办公室”，是一间朝南二楼的房间，淡绿色的窗帘，望出去是一排松树。希望你能满意。你的住房也安排好了，离办公室只五分钟的步行，离我们也很近，算是近邻。
现在力学所任务重大，非您来帮助不可。我们这里有好几位青年大学毕业生等您来教导。此外，力学所也负责讲授在清华大学办的“工程力学研究班”（是一百多人的班，由全国工科高等院校中五年级的优秀生组成，两年毕业，为力学研究的主要人才来源）。由于上述原因，我们拼命欢迎你，请你不要使我们失望。
1．郭永怀一家在美国
2．郭永怀与同事在实验室
3．1960年5月16日，钱学森和郭永怀参加中国科学院力学所座谈会，畅谈苏联宇宙飞船上天
此外。钱学森还写信邀请在麻省理工学院获得博士学位的同学、岩土力学专家钱寿易等来力学所工作。
力学所成立后不久，很快聚集了好几位学成归国后已在其他单位工作的力学专家到力学所工作。1956年秋天，郭永怀如期回国来到力学所，1957年担任了力学所副所长。所长钱学森和副所长郭永怀，一人抓规划，一人抓落实；钱学森是大刀阔斧，非常果断，而郭永怀则是非常细腻，非常周到，他们互补互辅、契合无间，后来科学界艳羡地称他们为“冯·卡门学派兄弟搭档”。
1956年夏天，力学所从全国各高等学校选了一大批优秀毕业生，其中北京大学周培源创办的力学专业第一届学生毕业，分配到力学所的有十几人，北京大学请苏联专家培养指导的研究生也分配来两位。根据钱学森“技术科学”的思想，许多新的研究方向需要多学科人才，所以也选进了北京大学数学、物理、化学等专业毕业生以及各地工科毕业生。这样力学所的专业人员一下子就增加到50多人。
后来，力学所又招收了一批研究生，此外，根据研究所的实际需要，配备了必要的行政人员、科研辅助人员，还建立了一个车间。到1956年年底，全所的科研团队力量迅速增强，人员已超过100人。
人有了，那么把握研究方向就是办好研究所的另一件大事。
钱学森曾向陈毅副总理汇报过办所的思路和打算，即“科学技术应该为现代化的工业建设服务，力学所的研究范围要宽广一些，内容要新颖、先进，走在工业生产的前面”。力学所研究的领域已经超出了传统的力学范围，它是按照钱学森关于“技术科学”的思想建立的，实际上是一个综合性的技术科学研究所。1956年3月2日，《人民日报》对此报道说：“这个研究所正在进行同国家建设有重要关系的科学研究工作。”
钱学森倡导力学研究既重视理论，更重视实际应用，他首先确定了四个研究组及其主要研究方向：
弹性力学组（组长郑哲敏）：研究抗（地）震的力学问题，其主要科学问题是非平衡随机载荷下的结构动力学。因为我国是多地震国家，其应用背景十分明确。
塑性力学组（组长李敏华）：研究描述物质塑性行为的本构理论，其主要科学问题是如何将物质的微观行为与宏观行为结合起来。其应用范围很广。
流体力学与空气动力学组（组长林同骥）：研究叶栅绕流问题，其主要科学问题是叶栅引起的复杂旋涡运动，这与提高喷气机中压气机和涡轮机效率有密切关系。
自动控制理论组（组长钱学森）：研究系统控制问题。
后来根据国家《12年规划》，力学所又增设了物理力学组（组长钱学森）、化学流体力学组（组长林鸿荪）、等离子体动力学组（组长潘良儒）和运筹学组（组长许国志）。
不久，随着国家建设发展的需要，自动控制组独立出来，中国科学院自动化研究所成立了。1960年，运筹学从力学研究所分离出来，与数学研究所的运筹研究室合并。
1958年，毛泽东发出“我们也要搞人造卫星”的号召后，7月6日，钱学森、郭永怀、杨刚毅利用周日的时间，在颐和园开了一次务虚会，提出以国家任务目标为主导，把力学所的研究方向和任务调整为“上天、入地、下海、为国民经济建设服务”四个方面。在组织上也做了调整，把原来按学科划分的研究组，除运筹学组外，重新组成相应技术的四个研究室。
“上天”，就是要搞人造地球卫星，由第一研究室承担，后来这个研究室成为中国科学院的第一设计院。
“入地”就是强调地球物理勘探，开展“火钻”研制。它作为快速钻岩工具，可用于掘进、探寻地下宝藏，还有爆破。这项技术及其任务由第二研究室承担。
“下海”就是应用水动力学，开展水翼艇的力学问题研究，特别是水翼的水动力计算，还有就是设法找到探测潜水艇活动的声道，及早发现敌人潜艇的活动，保卫海防。这项技术及其任务由第三研究室承担。
人们当时称“上天、入地、下海”为“科学国防”，是十分鼓舞人心的事。
而承担为国民经济建设服务方面任务的第四研究室，则提出了风力发电、小水头（后称低水头）发电等若干项目。
1959年11月，力学所成立二部，任务是“进行有关火箭技术及星际航行的力学问题的研究”。
二部成立了高速气动力研究室（十一室）、高温结构研究室（十二室）、液体推进剂及燃烧研究室（十三室）等三个研究室，同时建立了技术保障系统的三个单位：实验设备设计室（八室）、仪表测量设计室（九室）和机械工厂。
后来任务调整，二部加速了超声速风洞和试验基地的建设，F-4超声速风洞于1959年建成并投入使用。1960年6月，怀柔试验基地建成小型发动机试车台，怀柔试验基地基本建设全面铺开。
除了成立第一设计院和二部外，钱学森还根据“两弹”研制工作中的基础研究和探索性研究试验的要求，对力学所的研究方向进行了一系列部署，并确定了几项带有前瞻性的研究项目：
102—飞行器再入大气层的气动与防热研究，为弹头气动和加热环境、气动影响、烧蚀防热理论与实验方法提供计算和实验手段；
103―高温结构，为飞行器的薄壁、轻型、处于恶劣工作环境下的低安全系数设计提供可靠的理论和实验数据；
104―高超声速冲压发动机，飞行马赫数大于6，采用超声速燃烧（后因任务调整终止）；
105―爆炸成型研究，为航天产品薄壁轻型结构提供新的高效加工方法。
这些做法充分体现了钱学森的“技术科学”思想，他率先把力学研究从传统的书斋里解放出来，融进国防建设和经济建设的主战场。力学所实际上承担了“两弹一星”工程中的许多预先研究和技术攻关任务，在中国尖端科学技术的发展中起了很好的先导作用。钱学森以新概念、新理论、新技术、新方法带动工业发展的率先垂范，也为新中国整个基础科学研究领域带来了一股新风。