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守恒定律的相对独立性

已有 5947 次阅读 2013-5-13 13:29 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      理论物理学家力图证明各种守恒律的相互关系,尤其是等价关系。我们在学习理论物理教科书时,不自觉的也把不少守恒看成是等价的。

      但是,在实际工程问题中,也就是说在应用这类守恒律时,我们必须放弃这类理想情况下的等价性,从而,使得各个守恒律获得相对的独立性。

      作为一个例子,连续介质变形力学:1)微小弹性变形,线动量守恒,把角动量守恒、能量守恒看成是自动得到满足是所有教科书的一致观点。这样就只需要一组运动方程。2)对弹性变形,如果应力、应变不对称,则线动量守恒、角动量守恒是相对独立的,分别对应于两种不同的波动(PS波)。这样就需要两组运动方程,而且是偶合在一起的。3)作为一个必然的推论,如果能量守恒也是相对独立的,就出现第三组运动方程,由此可以看出,也就必须引入热应力热应变概念。

      在过去的几年里,我一直寻访这类工程问题,目前基本上是得到了实际资料的支持。

      以疲劳断裂为例,它是线动量守恒、角动量守恒相对独立的,共有两组(六个,每组三个)方程,从而有两个解:一个是弹性解,一个是疲劳解。二者是偶合在一起的。

      如果只不过是使用一组方程,则在原理上,无论如何不可能解答疲劳问题,或者是无法与弹性变形偶合,只能是拉朗配。

      如果再把能量守恒作为相对独立的条件引进来,裂纹扩展问题也就顺手解决了。

      在这样一个意义上讲,经典理论还是有很大潜力可挖的。但是,这种开挖必须是在现代科学理论的指导下进行,而不是依样画葫芦式的。

      还以上面的例子为例。如果只有一组(三个)方程,则运动的表征量只能有3个(位移场),这几个基本的守恒方程都满足,取那个都行,他们是等价的。

      如果有两组独立的方程(六个),则运动的表征量有6个,位移场+自旋场。线动量守恒与角动量守恒就是相对独立的。

      而如果是用三组独立的方程(9个),则运动的表征量有9个,位移场+自旋场+温度梯度场(或是3个物性参数)。三个守恒律相对独立。

      这样的一个变形力学应该是现代制造业所寻求的,也是力学理论现代化应该迈出的一步。

      我看到的使用三组方程的研究工作出现在流体力学中,论文作者要求流体运动(只有三个速度分量)满足:质量守恒、线动量守恒、角动量守恒,结果是必须引入6个附加的运动表征量,它们是:雷诺应力(三个独立分量),动态粘性(两个)和动态压力(一个独立分量)。

      但是,这里面就有问题了:这三个守恒律的同时满足否定了NS方程,而且有何种雷诺应力选择就有何种动态粘性和动态压力。有6个自由量可以选择!从而导致速度场是这6个自由度的函数。

      这个问题应该是流体力学的致命内伤。NS方程的原始推导只需要线动量守恒和角动量守恒。而把质量守恒加上去的根本原因是无法表征角动量守恒。因而,对NS方程有两个力学观点:1)质量守恒+线动量守恒;2)线动量守恒+角动量守恒。

      前者引出物质速度和欧拉速度的概念,从而维持3个方程求3个速度场分量的基本格局。这是目前流行的流体力学理论。

      后者引入涡度矢量,但是,还是维持3个方程求3个速度场分量,但是,此时矛盾就来了:此种方案下,速度对空间坐标的求导不具有可交换性。后来,进一步发展了李代数形式,但是,工程价值不大。因为理论基础概念混乱。

      最后,应该指出的是,除非引入附加的条件(人为的),否则前者无解。这就是NS解招标的所谓世纪难题。

      所以科学界有时也很会忽悠。

      但是,在仔细地考察之下,人家是从数学观点提出问题,而解的存在性取决于该方程是否表达了物理现象的本质。这是很多人认为NS方程根本无解的立论依据。

      但是,工程人员总是能够针对具体问题引入付加条件(方程),从而使NS方程有解。然而,所得结果对他的问题是正确的,但是,又毫无普遍意义。

      因为这样的一个原因,围绕NS流体力学的论文是真多真多,但是,看完后,还是回到原点。

      就这个意义上讲,一个世纪性难题是热点中的热点,之所以是:是因为我们的理论本身有问题。是因为这在本质上是逻辑循环(内在的)。但是,还很难被发现。

      由此可以看出另外一个结论,盲目的加入热点的队伍可能就是一无所成的根本原因。

      由此来看,我国研究工作(论文)随热点走(盲目的)的特点是无所作为的根本原因。

     

 



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2 徐晓 XY

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