肖建华的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/肖建华

博文

理论研究的艰难性在那? 精选

已有 4824 次阅读 2012-11-30 21:32 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

考察科学的有关核心观点的演变是一个很有趣的事情。但是,能否看到每一次大的变化所对应的进、退之间的交替则是一个乏味的学术问题。对理论研究者,正是这个乏味的学术问题是其应该关注的。

 

如果一个人相信科普性的或是传记上的种种故事来搞理论研究(在我国有太多的研究人员是这样的),那就太不幸了。

 

下面用工程力学上的案例:围绕拖带坐标系的悖论,来说明这样一个论题。

 

    Kirchhoff 板理论的核心前提之一是:把坐标设定在板的中面上,而无论板是如何变形的。这在本质上就引入了拖带坐标系概念。

那么在这个坐标系下,如何定义位移呢?Kirchhoff 假设的巧妙之处在于:这个拖带坐标系(的最终形状)是由弹性力学的应力平衡方程决定的。从而,以该位形为参考,板的三维微元的变形就由拖带位移来表达。

这样,板的中面满足一个平衡运动方程组(称为相对于初始位形的平衡),Kirchhoff 板理论的核心在于:把这点作为前提(假设),要求由拖带位移来表达的三维微元的变形相对于中面(当前位形)也满足一个平衡运动方程组(称为相对于当前位形的平衡)。

Von Karman 则在前两个平衡方程组都得到满足的条件下,要求增量变形也满足一个以当前位形为参考的弹性动力学方程。

到此为至高点:板壳理论把引入拖带坐标系的好处表述的干脆利束。但是,力学理论思想进步带来的坏处是:数学上方程求解很困难。

 

此后,只要不是处理板壳问题,一般无需引入拖带系。对精度要求不高的问题,拉梅解法的基础是应变的对称性或是应力的对称性,从而用一个位函数引入应变或是应力,也就把坐标系的选择问题泛函化了。

此时,既可以使用拉格让日(拖带系)系,也可以使用欧拉系,有两套不同的理论表述。

表面上看是进步了,但是,在本质上是退不步了:放弃了“这拖带坐标系(的最终形状)是由弹性力学的应力平衡方程决定的”这个要素,从而,只有一套方程,而不是两套(或是三套)。

在力学理论本质上退一步带来的好处是:数学上求解难度的下降。

 

但是,这一步退的太大,为了保留其好处,变分法受到欢迎。数学上,引入增量变形(变分),就在原来的平衡方程的基础上得到了一套增量(变分)方程组,这样,在形式上和思想上就又进了一步。

很多人把这样的一套力学理论看成是:正统的现代力学体系。

 

但是,从思想本质上说,它顶多与Kirchhoff平起平坐,而显著的落后于Von Karman

从工程上说,应变的对称性或是应力的对称性是主观性的,而不是客观性的。从思想上说,Kirchhoff 用内矩的概念回避引入反对称应力的必要性,但是不否定它的存在性。从而,正统的现代力学体系的隐含的前提(应变的对称性或是应力的对称性),是缺乏客观性的。

 

这是一个案例:理论的数学表达形式大大进步了,但是理论的思想性(深刻性)大大退步了。

 

理论研究的艰难性在那?客观性、思想的深刻性、数学表达的精确性及易求解性,应同时得到保留。但是,多数情况下不能做到这点。在不同的取舍之间、在不同的进退组合间的“跳来跳去”也就是必然的选择。

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-39419-637952.html

上一篇:百家争鸣:摩擦力与正压力成正比?
下一篇:科学研究中的大敌:不求甚解
收藏 IP: 60.6.119.*| 热度|

5 唐常杰 林涛 李宇斌 zhouguanghui XY

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-12-26 03:50

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部