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球形物体(及球壳)的失稳

已有 5479 次阅读 2015-5-15 10:06 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      球形物体,生活中常用,以稳定而被工业界广泛的采用为压力容器的基本结构之一。

      去年,在我国开了一个有关压力容器稳定性国际会议。我虽然没有参加,但是知道一个背景:球形物体(及球壳)的失稳,是一个力学难题。由于它涉及安全问题,被工业界所重视。但是,对学术界而言,尤其是以发表论文为目标的研究者而言,这不是一个值得关注的问题。

      球形物体的失稳理论研究基础是变形力学。那么,力学解导出了多少个球形物体的运动方程呢?没有确切数字,但是历史上很多。随着工程力学课程的普及,球对称变形几乎是一个最为常见的例子,以至于普通的令人视为常识。

      但是,球形物体的变形是世界级难题:1)球坐标系下的运动方程。我曾经查过很多历史资料,就是对简单的径向位移场,给出的常用方程也有多个。显然,只有一个是精确的,那一个呢?

      大而言之,有两个体系:一个是张量体系,一个是正交曲线坐标系体系。数学上各自独立的正确。有很多研究证明两者等价。国际学术界基本上也是这种认识。但是,我国很多老学者知道:两个体系导出的运动方程是不一样的!

      那一个精确呢?标准很快的就达成共识是,采用经典力学中的球系下的运动方程(实践证明)。从而结论也就是:张量体系给出的运动方程是不对的。但是,这话不能明说啊!如何办呢?国内外学者发明了一个概念:张量给出的是无量纲量,需要物理量纲化。的确,物理量纲化以后,两者的差别小多了。这就好办了,那是理论误差,可以忽略不计!

      在变形力学中,这个概念深入整个学界。但是工程上问题来了!

      2)球形物体(球壳)失稳的理论机制为何?运动方程没有提供线素。这里,所谓失稳是指:在给定边界(初值)条件下,方程有多个理论解!

      物理学家知道的是:随球半径的趋于零,问题极为复杂。而所谓的半径趋于零是把半径与运动尺度相比的。这样的机制在经典球系方程中表现为出现无限大的几何因子。而克服这个问题的唯一办法是引入与球半径成正比性质的几何因子。但是,经典的正交曲线坐标体系不提供这个因子,而提供这个因子的是张量体系。理论物理学界(抽象力学)采用了张量体系!

而工程学界采用了正交曲线坐标体系!后果就出来了,工程力学界的基本理论观与纯粹力学(张量派)的基本理论观不一致!

换句话说:理论(张量派)与实际(正交曲线系派)脱离了!

我在1998-1999年对这个问题作了研究,即便是对简单的径向波动位移场(球面波),张量理论给出的是雷克子波解(1950S-现在,实验观测到的解),而经典理论则只给出传播的频率波数关系(与张量解相比,少了一个波幅演化因子函数)。最近,我又开始再次研究此类问题,发现:张量理论的运动方程有3个解!(存在失稳)!而经典理论只有1个解!(不存在失稳)!

所以,我的感言是,一旦把近似理论(被工程实践无数次证明是基本正确的)上升为判决标准,那么,理论的进步(也包括少数的实验事实)就会被判决为错误(或不精确)。

而一旦采用上面的共识,创新性的研究总是可以被批判为:1)理论基础有问题(基本方程与习惯见到的不同);2)结论缺乏实践(实验)证实(或缺乏理论基础)。从而,成为创性研究者的恶梦!

 




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