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2个世纪过去了但问题依旧 精选

已有 5369 次阅读 2016-5-5 10:40 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      几年前,研究Walter Noll 20世纪70年代后的研究工作:体力与面力的理性关系,思考为何直到21世纪,他还是念念不忘要解决这个问题。

      10年前,我从理论上研究了这个问题,基本上是与Noll的研究平行的。近年,研究实验问题和工程应用问题,才认识到Walter Noll指出的力学基础理论中存在的基本问题是:工程力学中的载荷概念。学力学的时侯觉得载荷概念直接就被接受了。此后,也几乎没有思考过这个概念有何问题。10年前的研究是理论性的,也没有感觉到对工程而言,载荷概念有何地位。

      遍查中文力学类教科书及专著,几乎没有那本书对此有那怕是有半页的理性论述。更多的是直接的引入此概念,就象是个公理。倒是发现有几本教科书中在书中某个地方就具体工程问题论述过如何把外力(压力)或是体力(重力)转换为有效载荷,但是,这类论述缺乏理性,也缺乏论据,基本上是错误的论述。

      抽查国外力学类教科书,发现对载荷概念的处理基本上与国内文献类似,差别在于指出了载荷概念的发展历史及所形成的定义。在实验力学类文献中,对载荷概念的应用是正确的(这就区别于非实验力学类文献了),但是,从不做任何的理论论述。

      以上事实说明一个问题:作为连续介质力学基础概念的载荷概念的确是力学的基本问题,也是一个没有解决好的问题。

      就目前文献而言,公认的引出载荷概念的集度矢量定义为:体力/体积,取体积趋于零的极限。文字上解释为:单位体积微元体的受力。从物理学上看,这就是体力密度。有了这个概念才能引出应力概念。[顺便指出,直接用多面体面力分量引出应力概念实质上是错误的,用面力载荷分量引出应力概念才是正确的。问题又回到载荷如何定义。一石激起千层浪。]

      这下我就明白了Walter Noll的研究为何被物理学家们看不顺眼,也明白了为何力学类文献回避有关的论述。

      再深查文献才发现,弹塑性力学的创立者们用了一个公理来保证载荷概念的基础地位和不可论证(公理),这个公理就是圣维南原理。有了这个公理,载荷概念就是不言自明的。圣维南原理指出:作用在物体表面上的力只决定作用面邻近的变形,而对远处的变形没有明显的贡献。这个原理有很多文献用局部化原理来替代。

      再深查有关文献,尤其是Walter Noll20世纪50年代的一举成名文献,才认识到力学界在60年前用体力的体积分,面力的外表面积分来构造动量守恒方程来替换载荷概念。但是,现在用批判的眼光看,这实际上还是古老的集度矢量概念,也就是载荷的积分定义而已。把微分换为积分。从理论上看,把载荷概念建立在物理学基本规律之上。

      那么Walter Noll20年后为何又反思这个概念呢?事实明摆着:物理基础上看是严格了,但是,不符合实验室的载荷概念,也不能概括实验室概念的本质内涵。从而,理论没有概括实际!作为理性力学的大家,Walter Noll念念不忘这个圣维南原理的理性化也就可以理解了。[我国有很多质疑圣维南原理的研究工作,但是,他们的研究本身的出发点就是基于圣维南原理的应力概念,从而是逻辑上的自反,或称为悖论]

      深查现代的力学类文献,圣维南原理基本上不提了,这样也就发现了“实测物性参数与试样尺度有关”,而更多的是“计算出的应力与实验(实测)应力不同”,“物性参数有明显的非线性(几何非线性)”,这类“发现”的基本原因就是源于对载荷概念的不理解,或是计算方法不正确。事实上,载荷概念的含糊性(糊里糊涂)贯穿于整个连续介质力学,导致应力概念的混乱,再以连锁反应的方式引起应变概念的混乱,而最后集中表现在本构方程上。而发表文献中用面力直接获得应力的论文多如牛毛(尤其是解方程类论文),基础概念的混乱特别的突出。

      Walter Noll不直接提载荷概念,而是提体力与面力的理性关系。这就是个200多年来还没有解决好的问题。物理学家看不顺眼,力学家觉得不是问题的问题,工程界认为不言自明的东西。但是,这是一座压在力学理论上的大山。

      由此可以看出,Walter Noll的确是个有历史远见的科学家,也是把实验(实践)事实作为理论研究基本出发点的科学家,是个敢于面对实际存在的问题,而不是刻意回避问题的科学家,值得后人学习。

 

 



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