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柏林连续介质力学学派简介

已有 6475 次阅读 2011-5-14 11:36 |个人分类:科学史|系统分类:人物纪事

  诞生于19世纪末的德国的柏林连续介质力学学派(Die Berliner Schule der Kontinuumsmechanik),在力学史和工程科学史上有着举足轻重的影响。尽管这个学派今天可以说已经不再作为一个群体存在,但是他的传人,精神和思想在今天仍然在世界各地发挥着作用。它可以被看作是哥廷根学派的延续之一,同时在19世纪末20世纪初建筑业和大工业兴起的激励之下得到极大发展。这个学派的特点是:从工程实际中发现问题,而同时又强调理论体系的公理化表述,大量使用张量记法,重视现代数学工具和思想的应用,是理性力学的源头之一.

 

  1879年,夏洛滕堡技术大学(现在柏林工业大学的前身)在柏林成立,单独建了一个力学楼。力学课程当时普遍被学生认为是较难的课程。他的独特的术语,从自然当中得到的不变的基础框架,对数学的需求和对需要解决的问题的抽象表述的需求导致了在力学学习和研究中,没有捷径可言,这和数学是一样的。

 

  格罗斯曼(R. Grossmann)和魏因加滕(J. Weingarten)教授最开始在机械系和造船系开设了力学课,尤其是初始课程阶段(Vordiplom)的头两个学期。  从大约1890年开始,在土木系也加入了同样的课程。1900年,夏洛滕堡技术大学获得了授予博士学位的权利。1916年,学校决定,机械系,土木系,造船系和电子系的学生要学习四个学期的力学课程,这个传统一直延续至今,变化不大。一个很重要的特征是,对这些不同专业开设的力学课并没有什么区别。

 

  格罗斯曼可以看作是柏林力学学派的鼻祖,他1879年开始成为夏洛滕堡技术大学的教授。他的主要研究内容包括:解析静力学,材料力学,动力学,水力学和机械理论。与他一同成为教授的还有魏因加滕,他是狄利克雷(Dirichlet)的学生之一,他的主要研究方向包括静力学,动力学和数学物理。他在数学曲面理论领域发表了多篇专著,最有名的成果之一就是确定曲面理论协变导数的高斯-魏因加滕方程。

 

  科特(F. Kötter)教授1900年开始成为土木系的系主任,他的主要研究内容为弹性理论和地壳内压强的问题。与此同时迈耶(E. Meyer)成为机械系的系主任。他的主要工作包括内燃机的评价和材料的强度问题。他1902年成为哥廷根大学的荣誉博士,1915年成为德国政府的顾问。韦伯(M. Weber1913年来到技术大学。他对力学中的相似性原则颇有贡献,韦伯数,--质量力与表面应力之比,就出自他的工作。

 

  莱斯纳(H. Reissner1913年成为土木系教授。他的研究范围主要是材料的静力学和动力学问题,出版了大量著作。1929年成为亚琛工业大学的名誉博士。1934年,因为政治原因,他不得不离开德国去了美国。他的儿子E. 莱斯纳后来成为麻省理工学院的教授,力学家,也是著名的Hellinger-Reissner变分原则的创立者之一。

 

  1919年,格奥尔格·哈梅尔(Georg Hamel)成为技术大学的数学和力学教授。他的导师是两位数学大师,--大卫·希尔伯特和菲利克斯·克莱因。他于1903年获得特许任教资格。通过他的基础公理的建立,质点力学和连续介质力学表面上的差异得到了解决,--这是长时间困扰力学家的难题。他著作颇丰,弟子甚众。他的《Theoretische Mechanik: Eine Einheitliche Einfuehrung in die Gesamte Mechanik》是最经典的分析力学教材之一。

 

  莱斯纳离开柏林后,托尔克(F. Tölke)1937年成为土木系的教授,一直到二战结束。他是板壳力学方面的专家,我国著名力学家张维是他的学生之一。  二战结束以后,萨博(I. Szabo)一直担任土木系主任,一直到1975年。

 

     值得一提的是,数字计算机之父康拉德·楚泽(Konrad Zuse)就毕业于柏林工业大学土木工程专业。他发明计算机的初衷就是用机器代替结构力学中的大量繁琐的计算工作。1941年楚泽首次设计完成了使用继电器的程序控制计算机,这是工程史上重要的一笔。

 

  二战以后,柏林连续介质力学学派的很多成员去了美国,并作出很多杰出的工作。比如在多个领域有杰出贡献的理查德·冯·米泽斯(Richard von Mises),他在空气动力学,固体力学和概率论的公理化方面均有建树,最为人所知的是von Mises屈服准则。他1919年成为柏林大学应用数学所的主任,并于1921年创办了《Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik》并担任主编,1945年成为哈佛大学教授,1953年逝世。阿里斯·菲利普斯(Aris Phillips,哈梅尔的学生,耶鲁大学终身教授,终其毕生精力从事塑性屈服面的确定工作,并创办了《Acta Mechanica》,1985年逝世。瓦尔特·诺尔(Walter Noll,现任卡耐基梅隆大学教授,理性热力学的代表人物之一。 英戈·穆勒(Ingo Mueller,曾任约翰霍普金斯大学教授,热力学家。被美国以“回形针计划”带到美国的众多德国火箭专家之一的沃纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun, 1912-1977)也是重要的一位,他的在火箭发展史上有奠定意义的博士论文《Konstruktive, theoretische und experimentelle Beiträge zu dem Problem der Flüssigkeitsrakete》(液体推进火箭问题的构造,理论和实验方面的论述)就是在柏林大学完成的。出于可以理解的原因,论文全文直到它被完成26年后的1960年才得以正式出版发行。

 

两个当代重要代表人物   

 

  1. 彼得·豪普特(Peter Haupt 1938-)。卡塞尔大学教授。出生于德国Luedenscheid。父亲要求他上大学学习机械制造专业,从而可以接管他的企业,然而他的兴趣在于数学物理和音乐。他于是在柏林工业大学学习机械专业,并选择力学作为深造方向。在柏林工业大学,他受到了很多大师的影响,包括萨博(I. Szabo,福尔克( H. Fuhrke, 穆席克(W. Muschik, 特罗斯特尔(R. Trostel, 和魏尼奇科(H. Weinitschke)。魏尼奇科尤其对他在理性力学领域指导有加。1971年,他完成了博士论文《不可压缩各向同性材料的黏弹性:一般本构方程的近似和应用》。他同时指导了阿尔布莱希特·贝特拉姆(Albrecht Bertram)的硕士论文,后者现在是马格德堡力学系教授。

 

  1975年,他完成特许任教资格论文《黏弹性和塑性:理性热力学的自洽本构方程》。在此之后,他到柏林联邦材料检验署工作两年,从事核系统中的材料本构建模工作。自1977年开始,他成为达姆施塔特力学系的教授。在此期间他教授的课程包括,连续介质力学,材料理论,水动力学和经典力学。这段时间他指导出了五位博士生(C. J. Fazio, G. Grolig, M. Korzen, V. Olt, and C. Tsakmakis)。1989年,他转到卡塞尔大学,担任工程力学和连续介质力学教席的教授。在那里,他遭遇了一些问题,那里的机械专业的学生不具备足够的连续介质力学功底,他于是撰写了一系列深入浅出,极具个人风格的的讲义,帮助学生克服了困难,传为佳话。在卡塞尔,他培养出了很多博士生,包括R. Bonn, G. Gloth, S. Hartmann, D. Helm, M. Horz, F. Huebscher, C. Justine, M. Kamlah, C. Kardelky, T. Kersten, A. Lion, G. Lührs, and K. Sedlan, 他们日后多数成为了德国各个大学的教授和各个研究机构的研究人员。豪普特收博士生的数量向来在他精力允许的范围内,从不会太多。他经常与单个博士生进行长达四个小时的共同研究和讨论。

 

  豪普特曾任德国应用数学和力学学会的成员,《Acta Mechanica》和《Technische Mechanik》的编委。

 

  2. 英戈·穆勒,(Ingo Müller,1936-).柏林工业大学教授.穆勒博士生阶段师从物理学家麦克斯纳,但他后来将毕生精力献给了工程科学,特别是将连续介质力学整合进入热力学方面的工作,还有广义热力学.他早期的关于熵不等式方面的工作奠定了自己的声望.他发展了Coleman–Noll方法,认为熵流不是简单的热量流除以绝对温度,而是一个一般的本构量.

 

  他对热力学第二定律重新作了表述:非平衡态的熵还是被认为是一个原始量,而绝对温度被一个"冷度函数"所代替.穆勒的关于连续介质力学和热力学的论文通常与统计力学紧密相连.他发展了广义热力学,使得广义热力学,唯象热力学和统计热力学能够给出相近的结果.他的研究还触及一些材料的性质,像橡胶的力学性能,气球的稳定性和记忆合金等等.他还试图用热力学的原则来解释社会学现象.1987年,德意志研究学会授予穆勒莱布尼茨奖章,以表彰他的贡献.

 

  穆勒的学生们也都很杰出,比如其中W. Müller现任柏林工业大学力学教席教授,里约热内卢联邦大学教授刘宜实(I-Shih Liu), 我国学者复旦大学霍永忠教授,北航徐惠彬教授也都是穆勒的学生.

 

本文部分的译自和引自:

 

Prof. Dr. Dr. h.c. Ingo Müller 65 years old: An appraisal of his contributions to thermodynamics, Continuum Mech. Thermodyn. (2002) 14: 3–7

To the honor of the 70th birthday of Peter Haupt, 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

HUNDERT JAHRE MECHANIK AN DER TECHNISCHEN UNIVERSITÄT BERLIN

http://www.thermodynamicus.de



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