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变形力学中的拖带坐标系(1)

已有 4818 次阅读 2017-2-20 11:01 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

       拖带坐标是指在连续介质内部、嵌在物质微元体上的坐标,它是对物质微元的数值识别坐标,类似于单位微元体的身份证号码。对三维连续介质,每个微元体有三个数值坐标(拖带坐标)。

       设想,在介质初始状态下,用直角系(取单位长度)定义这个一套数值坐标,那么,一个数轴(如X轴)就对应于一条直线。

在介质变形后,各微元体的坐标并没有发生变化,但是,原来的直线数轴(如X轴)变成为任意曲线。而原来联系两个微元点间的物质线(直线)初始长度,也变为物质线(曲线)的当前长度。

【数学上,一个坐标系由数值坐标+规范张量组成。现代数学一般写为(M,g),用M表示客体数值坐标,g表示对应的规范张量。我们经常使用的直角系假定了正交、单位1为长度单位。从而一般不写出规范张量。从而,把数值坐标混同于坐标系。】

       从数学上看,初始的直线系变为当前的任意曲线系。数学上,初始系的数值坐标XYZ+初始规范张量G初始(初始拖带坐标系),变形为初始系的数值坐标XYZ+当前系规范张量G当前(当前拖带坐标系)。我国力学家钱伟长(1943年)把这样的一个坐标系定义为拖带坐标系。从而变形的长度度量张量就是:(G当前-G初始/2

       在英语文献中,没有合适的用词。而在汉语里,拖带的词意是简洁的。

       早期文献用过:dragging coordinator system。比较合适。在不考虑变形时,由于拖带系的概念等同于随体坐标系概念,所以,对于无限小变形,用过:co-moving coordinator system 这个术语。这样,对dragging coordinator system一词的解释就是等价于material coordinator system (物质坐标系)。而为了强调大变形,用过soft coordinator system 这个词,以及deformable coordinator system这个词。我在写英文论文时,感到这几类选择均不能完整的表达钱伟长的拖带坐标系概念,用了:co-moving dragging coordinator system 这个词。

       我注意到,对我国力学家钱伟长科学贡献的评论文献中,在拖带坐标系一词的后面有一个括号(co-moving coordinator system),或是(co-moving system)。显然的是言不达意。

       Co-moving coordinator system 的准确含义是爱因斯坦相对论的随体运动系,它是刚性的不可变形系。而从静止于惯性系的观测者看,这个系是可变形系(对狭义相对论,变形的自变量参数为物体运动速度)。所以,在规范场理论研究中,研究的是规范的变化。而在研究引力理论时,把真空看成是初始系(没有物质和运动),而把物质运动看成是当前系。

       也就是因为这个哲学理念上的原因,钱伟长关于拖带系(板壳变形的内禀理论)的论文进入了那个著名的文集。爱因斯坦赞赏这是把广义相对论应用于普通物质的研究。

       本博文想说明的是:对于基本科学概念,英语词汇的表达与汉语词汇的表达能力是有很大差异的。

       在现代数学理论中,用流形演化概念覆盖了拖带坐标系的数学概念,但在工程科学中,依然要使用拖带坐标系的概念。

       就我看来,随着在流形上的基础科学理论研究的完善,把相关理论写为拖带坐标系下的形式依然是工程应用的必经之地。

       

 



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