力学史和方法论-2011-定稿.ppt

1、1,力学史和方法论杰出的力学家,嵇 醒 2011,2,力学史和方法论,开创性成就。 杰出力学家的智慧。 成功秘诀。,探索力学的最高境界,3,读力学专业好在那里？,古老：千百年人类智慧。 现代：工程和科技新需求。 广博：动，静，宏观，微观。 价值：衣，食，住，行。战争！ 重要性：经济安全。,贡献人类，挑战自我，成就无限。,4,读力学专业难在那里？,学习 应用 研究 开创,各有所难,5,读力学专业窍门在里？,应用力学方法,材料力学 弹性力学（原版名著） 杰出的应用力学家的经典论文,6,内 容,回溯世界力学史 工程力学专业 应用力学学派及应用力学方法 中国当代力学家 应用力学在中国的传播 展望二十一

2、世纪 钱学森之问,7,回溯世界力学史,材料力学史 S.P.Timoshenko (铁木生可) （1952）,8,回溯世界力学史,阿基米德，古希腊人 （BC 287212） 杠杆原理。 物体重心求法。,9,回溯世界力学史,达芬奇，意大利 人 （14521519）， 用静力学求作用在构件上的力。 用实验来研究铁丝的强度。 两端支承的梁的强度与其长度成反比， 与其宽度成正比。 柱的强度与其长度成反比，与其高宽比成正比。,屋架,拉伸,弯曲,柱,文艺复兴时期,10,回溯世界力学史,伽利略：意大利人， 15641642 。 力学的开山鼻祖。 1594年，他出版了首本现代力学专著 Della Scienza

3、 Meccanica 1638年论文： 关于两门新学科的谈话及数学证明 讨论了自由落体运动，并引入了一个新的概念加速度 。开创了质点及刚体动力学。 总结梁的破裂及强度的研究。开创了固体力学。,11,回溯世界力学史,罗伯特虎克，英国人 （16351703） 虎克定律： （1678） 公布在他的名为势能的恢复的论文中。 该定律描述了弹簧的伸长与所受拉力成正比。这一规律，是现代材料本构关系的前身。,12,回溯世界力学史,牛顿(Isaac Newton)，英国人 16431727，英国皇家学会会员 。 自然哲学的数学原理 1687 三大运动定律。,13,回溯世界力学史,伽利略留下的那道梁的弯曲问题将近

4、一百年来困扰着许多学者。 这个问题最后被伯努利家族的雅各布（16541705）和约翰（16671748）两兄弟以及约翰的儿子丹尼尔（17001782）所解决。 瑞士人,b,h,x,m=常数 r=曲率半径,P,梁,公式,14,回溯世界力学史,欧拉：出生於瑞士的巴塞尔 (17071783) 师承约翰.伯努利 发生屈曲时的载荷： C 用实验来决定 刚体转动的欧拉方程 流体力学中的欧拉方程。,公式,15,回溯世界力学史,别看他们研究解决的力学问题都是最最简单的，他们解决力学问题的方法和现在解决复杂的力学问题则是一样的，他们得到的结果沿用至今。 他们的研究是首创的， 是奠基性的。 是十九世纪以来，现代力

5、学发展的 基础。,16,回溯世界力学史十九世纪,柯西：法国人 17891857 Exercises de Mathematique 数学的运用1828年 阐述了光作为一种横波在弹性介质(以太)中传播的理论.,17,回溯世界力学史十九世纪,柯西的弹性理论包括： 应变运动学、 应力原理、 连续介质平衡方程、 弹性力学的本构方程。 换句话说，它涵盖了现代弹性理论的所有基本原理。,18,回溯世界力学史十九世纪,弹性力学基本方程： 边界条件： 没有现成的数学解法。,19,圣维南扭转理论半逆解法（1853）,圣维南（17971886） 法国人,回溯世界力学史 十九世纪,20,圣维南扭转理论,材料力学中，圆

6、轴扭转的位移表达式是： u=- zy v= zx w=0 圣维南假定截面将发生翘曲，并假定所有各截面的翘曲都一样： u=- z y v= z x w= (x,y) (1) 是单位扭转角， 是翘曲函数。,21,圣维南扭转理论,由式 (2)所推出的扭转应力自动满足协调方程 如果翘曲函数 能满足： （2） 则弹性力学平衡方程也满足了。 根据 轴的侧面不受力的条件，可导出关于翘曲函数 的边界条件： （3） 式中，n 是截面边界的外法线方向。,22,半逆法的讨论,由方程（2）得到的解析解精确满足全部弹性力学方程，所以是弹性力学的严格解。 方程（2）与三维弹性力学偏微分方程比起来，得到极大的简化。 如果没

7、有预先设定的位移表达式（1），不可能从三维弹性力学偏微分方程推导到二维的扭转方程。 位移表达式（1）就是圣维南扭转问题的简化力学模型。 简化的力学模型是半逆法的关键。,23,回溯世界力学史十九世纪,克希霍夫 德国人 （18241887） 薄板弯曲微分方程：,q,24,回溯世界力学史十九世纪,斯托克斯，英国人 1819-1903 皇家学会会员 从剪应力和速度梯度的角度定义了粘性流体的特性 发展了现在所说的粘性流体运动的纳维-斯托克斯方程。 斯托克斯对流体内摩擦的考虑，开创了19世纪晚期非弹性理论的研究。,25,回溯世界力学史十九世纪,到19世纪末，力学已经发展为一门成熟的学科，在大量观察实验的基

8、础上形成了一套弹性力学和流体力学的基本理论。 完成了力学理论的数学模型的建立。,26,二十世纪力学史,Muskhelishvili， 苏联人 1891 1976 平面问题复变函数解法：（1933） 一般解： 边界条件： 复变量： z = x + iy 圆域问题：由边界条件唯一解出 (z)，(z)。 非圆域问题：保角变换到圆域，再求解。,*攻克了弹性力学的百年难题正解法*,27,应用力学学派,1921年von Mises创办了一本新的应用数学和力学杂志Zeitschrift fur Angewandte mathematik und mechanik 1922年，von Karman、Bieze

9、no、Levi-Civita及其他30位科学家和工程师群集奥地利的因斯布鲁克召开了水动力学和空气动力学会议. 在这次会议上，他们决定成立： 国际应用力学大会 International Congress of Applied Mechanics 1924年，该大会首次在荷兰的代夫特召开。,28,应用力学学派的代表人物,普兰道尔(18751953)： 附面层理论，机翼理论。 冯卡门 (18811963)： 卡门涡列；紊流理论；由于他的努力，时速公里的喷气式飞机、射程公里的导弹和星际火箭才成为当今的现实。 钱学森（19112009）： 与冯卡门合作进行的可压缩边界层的研究，揭示了这一领域的一些温度

10、变化情况，创立了卡门钱学森方法。 与郭永怀合作最早在跨声速流动问题中引入上下临界马赫数的概念。,29,应用力学经典论文的范例,附面层理论(1902) ： 流体流经平板示意图,普兰道尔 德国人 18751953,30,应用力学经典论文的范例,冯卡门：匈牙利犹太人 18811963 薄板大扰度弯曲方程：冯卡门在1910年提出 ，是一个典型的非线性问题。 把弹性力学的研究从线性扩展到非线性。 6岁时就能对5位数的乘法略一思索就报出答案来。 卡门涡街（1911年） ： 刚体圆柱尾流区中呈规则排列的两串平行反向涡旋。,31,应用力学经典论文的范例 圆柱形薄壳轴压非线性屈曲,冯.卡门, 钱学森（1941）

11、,32,圆柱形薄壳轴压线性屈曲,经典薄壳线性屈曲理论： 屈曲波形：,33,圆柱形薄壳轴压非线性屈曲,圆柱形薄壳轴压屈曲实验：,34,圆柱形薄壳轴压非线性屈曲,圆柱形薄壳轴压屈曲实验： 1，内凹菱形 屈曲波形。 2，屈曲有跳 跃现象。 3，cr的实验 值比 理论值 小三倍左右。,35,圆柱形薄壳轴压非线性屈曲,圆柱形薄壳经典的线性屈曲理论并没有差错。 圆柱形薄壳受轴压屈曲实验结果又是经过反复核实的。 实验误差不能说明理论值和实验值的三倍之差。 内凹菱形屈曲波形 和屈曲的跳跃现象不能用经典的线性屈曲理论来描述。 创立了圆柱形薄壳大挠度非线性屈曲理论。,36,圆柱形薄壳轴压非线性屈曲,冯.卡门，钱学

12、森：1941 内凹菱形屈曲波形： 圆柱形薄壳大挠度非线性方程： 最小势能原理-Ritz 法：,37,应用力学学派,应用力学诞生于19世纪20年代， 并逐渐发展成熟。 应用力学学派在二十世纪崭露头角。 开辟了航空航天及力学繁荣的新时代。 在1970年它臻至顶峰，那时人类 登上月球。,38,应用力学方法论的核心,力学基本理论建模 牛顿力学：刚体模型（1687） 弹性力学：连续介质模型（1828） 力学问题简化建模 圣维南刚周边，截面翘曲模型（1853） 普朗脱边界层模型（1904） 普朗脱飞机机翼的简化模型（1918）,39,二十世纪力学史,有限元法。 断裂力学。 复合材料力学。 界面力学。 理性

13、力学。,纳米力学。 软物质力学。 力学 。 力学 。,二十世纪的后半世纪，现代固体力学新分支纷纷创立。,美国力学，国际领先,跨尺度力学,生物力学,40,工程力学专业,二年级，力学基础课： 理论力学质点及刚体动力学,41,工程力学专业,二年级，力学基础课： 材料力学强度、刚度、稳定。,42,工程力学专业,力学专业理论课：三年级 弹性力学弹性体的应力与应变 板壳理论薄板薄壳的弯曲变形 流体力学流体的流动,43,工程力学专业,四年级，专业课及选修课： 有限元法用计算机进行数值求解。 断裂力学结构裂纹扩展判据。 复合材料力学纤维增强基体材料。 生物力学力学转向生物材料。,44,工程力学专业,读完四年力

14、学专业的所有力学课。 等于学习了自古到今的一部力学史。 杰出的力学家如何用他们的智慧，开创一个又一个力学的辉煌。,45,应用力学在中国的传播,钱学森（1936），郭永怀（1942）先后在美国加州理工学院师承冯.卡门，获博士学位。 陆士嘉（1942），刘先志（1945）先后在德国哥廷根大学师承普朗脱，获博士学位。 周培源（1943），钱伟长（1942）也与冯.卡门合作共事过。 罗世鈞（1950），郑哲敏（1952）则在美国加州理工大学师承钱学森，获博士学位。 此外，1949年后的数年内，从美、欧各著名大学学力学学成回国的就多达数十人，其中从美国回来的占绝大多数。,46,应用力学在中国的传播,19

15、52年，周培源在北京大学创办第一个 力学专业。 在钱学森、钱伟长的推动下： 1956年创办中国科学院力学研究所。 1956年起，在全国先后成立了一批工程力学系。 1957年创立中国力学学会。 1957年创办力学学报。 1957年起，清华大学和力学研究所联合连续 举办了三届工程力学研究班。,开创了应用力学在我国的第一个蓬勃发展时期,47,中国老一代杰出力学家,周培源 19021993 郭永怀 19091968 钱学森 19112009 钱伟长 19122010 钱令希 19262008,王 仁 19212001 郑哲敏 1924 庄逢甘 19252010 黄克智 1927 胡海昌 1928201

16、0,48,中国当代最杰出的力学家钱学森,钱学森（19112009）,49,1911年12月11日生，浙江杭州人。 1934年在上海交通大学机械工程系，毕业。 1936年在美国麻省理工学院航空工程系，获硕士学位。 1939年在美国加州理工学院航空与数学系，获博士学位。 1955年，回到祖国，投身于新中国的国防和经济建设事业。 他是中国近代力学理论与应用研究的奠基人和倡导人。 他是中国航天科技的先驱和杰出代表，被誉为“中国航天之父”和“火箭之王”。 1999年，中共中央、国务院、中央军委决定，授予他“两弹一星功勋奖章”。 2006年，获“中国航天事业50年最高荣誉奖” 2009年，钱学森被评为“1

17、00位新中国成立以来感动中国人物”。 2009年10月31日，逝世。,50,有关应用力学的论述,钱学森：建立数学模型： 第一，必须有力学的理论，也就是说，要搞 清现象的机制、机理。为了搞清这个 问题，我们又要深入到许多问题中去。 第二，有了关于机理的了解之后，怎样变成 一 个数学模型？ 第三，上计算机也有许多考虑， 第四，为了弄清机制机理，有时需要做实验， 要做到比较精巧，测量又要打中要害 是不容易的。,51,有关应用力学的论述,钱学森总结了100年来的力学发展，他说道： 从过去100年力学发展的情况看，力学是一门处理宏观问题的学问。总起来一句话：今日力学是一门用计算机计算去回答一切宏观的实际

18、科学技术问题，计算方法非常重要；另一个辅助手段是巧妙设计的实验。,52,有关应用力学的论述,1997年，钱学森在祝贺清华大学工程力学系建系40周年的一封信中，说道： 由此展望21世纪，力学加电子计算机将成为工程新设计的主要手段，就连工程型号研制也只用电子计算机加形象显示，都是虚的，不是实的，所以称为虚拟型号设计（virtual prototype），最后就是实物生产了。,53,有关应用力学的论述,1995年，郑哲敏也对应用力学作了专门的论述： 本世纪以来，应用力学发展了自己一套行之有效的方法论，那就是在捕捉主要影响因素的基础上，建立数学模型，并发展了多种有效的解法，用于求得解析解或用于求数值解

19、。 这种方法论又是在力学研究中不断得到充实、创新与发展。,54,有关应用力学的论述,钱学森对应用力学的论述是留给我们后人的一笔珍贵的财富。 没有人对应用力学做过如此精辟深刻的论述。,55,展望二十一世纪,56,New Directions in Mechanics,Michael E. Kassner, Sia Nemat-Nasser, Zhigang Suo (锁志刚), Gang Bao（包刚）, J. Charles Barbour, L. Catherine Brinson, Horacio Espinosa, Huajian Gao （高华健）, Steve Granick, Peter Gumbsch, Kyung-Suk Kim, Wolfgang Knauss, Ladislas Kubin, James Langer, Ben C. Larson, L. Mahadevan, Arun Majumdar, Salvatore Torquato, Frank van Swo Mechanics of Materials, 37 (2005) 231259,125 Ref.,57,New Dir