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在理性力学中,定义物质的方程被称为物性方程(或,更为通用的叫法,本构方程)。
一般地说,有了几何方程,运动方程,和本构方程,所谓的运动规律也就确定了。再根据具体问题,给出适当的初始条件和边界条件,就把问题转变为具体的应用问题。针对具体问题的类别,把运动规律做出适当的简化,而应用于相应类别的论题,这一块习惯性的称之为工程力学。
连续介质是一个非常广泛性的概念。
因而,一个完整的理性力学体系必须在其有关概念下建立相应的本构方程。
由于几何方程的不同选择(应变概念),应力概念的不同选择,在用一般性张量来描述应力-应变间的关系(本构方程)时,就会出现多种方案。
在理性力学理论上就已经是如此,那么在以各种化简为能事的工程力学中,这个问题就更为突出了。由此可以看出,对本构方程研究为何会长期的争议不休。换句话说,力学学科在本质上就是:各说各话。是很难达成协议的学科。很早以前,这一点就漫延到了物理学科。
这是大的背景。
第一阶段的努力:张量描述下的本构方程
在Truesdell的理性力学中,把本构方程中的物性系数写成张量形式。就单纯的数学考察而言,作为联系两个张量的量,该物性系数应该是一个张量。
我见到过好几本教科书中,谈在不同坐标系的选择下如何在进行应力,应变分量转换的同时,如何完成物性系数的变换(转换到新坐标系下)。
在代数观点的张量描述理论中,因为坐标承载:坐标+度规的功能,这是可以理解的。
但是,在度规张量(运动)变换或度规基矢(运动)变换观点中,一旦初始的张量描述被决定,该物性系数也就被固定了。在随后的度规张量(运动)变换或度规基矢(运动)变换中,改变的只是物理场量,而物性系数并不改变。这一条被Truesdell, Noll等人(度规张量(运动)变换观点)上升为:物质不变性原理。并被作为理性力学的原理之一。
但是,Truesdell很不坚持原则,搞出了一个:物性系数的张量变换方程。该方程应当是:不同初始参考系选择下张量描述中的物性系数的变换方程。但是,他把它混同于本构方程中的物性系数。这就造成了思想上的大混乱。
陈-理性力学采用了物质不变性原理这一条原理。但抛弃了Truesdell的物性系数的张量变换方程。这样就直接用工程上的物性系数来表达本构方程。
事实上,在张量的一般性几何表达理论中(如广义相对论),物理场张量分成为:一般张量分量和张量的物理分量两个概念。
如果方程两边都使用张量的物理分量,该物性系数是物理的(被给定的)。在使用一般张量分量替换掉相应的张量的物理分量后,该物性系数是不变的。
这就是物质不变性原理在理论物理中的说法:张量方程的普适性。
例如:密度=1千克/立方分米,在一种物理量纲中,现在换成为(米,克)量纲,则该密度在新的量纲下为:密度=1,000,000克/立方米。这是就单个量来看。
在方程式中,两边均除以一个一样的常数来该变两边的物理量的量纲的话,如由物理分量变成一般性分量,方程内的常数无需修改。因而,它是一个客观不变量(主观是变的,这不,由1变成了1,000,000)。
这就是:物质不变性原理的含义之一。
第二阶段的努力:如何由热力学的一般性原理导出在任意初始参考系选择下的物性系数。
最先系统性提出这一观点的是:Walter Noll。
而给出最初的、对晶体介质的物性系数的完整理论的是:Born, 和黄昆(我国物理学家)。
这一问题如何解决,我已经结合外微分理论给出了一个完整的理论结构。
因而,可以认为,在本构方程上,与陈-理性力学相协调的关于物性系数的理论以完成。
这样,陈-理性力学的三大块:几何方程,运动方程,和本构方程 就完备了。
70年过去了,只不过是完成了理论体系的建立、完善、和初步的完整化。
下一阶段就是以应用为主题了。很巧,得到了烟圈的理论解(见arXiv, physics, 1101.2969)。正是:水到渠成。
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GMT+8, 2024-11-24 23:35
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