抗日战争结束后,钱伟长于1946年5月回国,应聘为清华大学机械系教授,兼北京大学、燕京大学教授。1948年受钱学森之邀准备去美国喷射推进研究所工作,但终因其拒绝放弃中国而忠于美国,未获得签证未成行,期间他参与创建北京大学力学系——开创了我国大学里第一个力学专业;出版中国第一本《弹性力学》专著,开设了我国第一个力学研究班和力学师资培养班,该班学员大多成为中国从事力学研究和学的领军人物,为我国的机械工业、土木建筑、航空航天和军工事业建立了不朽的功勋,被后世人称为中国近代“力学之父”,“应用数学之父”。
1950年被任命为中华全国自然科学专门学会联合会常委、组织部部长。
1951年被任命为中华全国民主青年联合会常委、副秘书长,并开始担任中国科学院数学研究所力学研究室主任。
1952年参加中国文化代表团,出访缅甸、印度。
1954年至1958年任第一届全国人民代表大会代表。
1955年起,担任中国科学院学部委员、中国民主同盟中央常委。
1956年制定规划了中国第一次12年科学规划,与钱学森、钱三强一起,被周恩来称为中国科技界的“三钱”,并被任命为清华大学副校长。与钱学森等创办中国科学院力学研究所,同时担任中国科学院力学研究所副所长、中国科学院学术秘书、国务院科学规划委员会委员、中国科学院自动化研究所筹委会主任、波兰科学院院士。参加了波兰的力学会议、布鲁塞尔的国际力学会议。
1957年中国力学学会成立,任副理事长。当年1月发表《高等教育的培养目标》,反对苏联教育体制中的一些工作思路,提倡理工合校,重视基础学科,在清华大学内引发三个月的大讨论,并最终在反右中被划为右派分子,批判为反动学术权威、万能科学家,停止一切工作。
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