力學(xué)導(dǎo)論

目錄
叢書序
前言
引言 001
0.1 力學(xué)之哲學(xué)思考 001
0.2 力學(xué)之基礎(chǔ)作用 003
0.3 力學(xué)之橋梁作用 004
0.4 力學(xué)之交叉作用 004
0.5 力學(xué)之量化作用 005
0.6 力學(xué)之方法論 006
0.7 力學(xué)的奠基、輻射到嬗變 007
參考文獻(xiàn) 008
思考題 008
第一篇 力學(xué)往事——力學(xué)1.0：學(xué)科的建構(gòu)
第1章 牛頓力學(xué)013
1.1 形體力學(xué)——墨子、亞里士多德、阿基米德 013
第一推動(dòng) 亞里士多德 給我一個(gè)支點(diǎn) 托勒密的地球中心說(shuō) 《墨辯》 張衡的渾天說(shuō)和地動(dòng)儀
1.2 文藝復(fù)興時(shí)的力學(xué)——達(dá) 芬奇、哥白尼、開普勒、伽利略 017
達(dá) 芬奇的早期工程研究 哥白尼的太陽(yáng)中心說(shuō) 開普勒的天文數(shù)據(jù)與三定律 伽利略的運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)與懸臂梁
1.3 質(zhì)點(diǎn)力學(xué)——萬(wàn)有引力與牛頓三定律 022
牛頓與《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》 萬(wàn)有引力與開普勒的天文數(shù)據(jù) 胡克與牛頓的爭(zhēng)論 牛頓力學(xué)的近現(xiàn)代推廣 力的解釋
1.4 分析工具——解析幾何、微積分與微分方程 027
笛卡兒坐標(biāo)系 微積分與微分方程
1.5 哲學(xué)思考——確定性與混沌、量子坍縮 029
確定性原理 混沌的發(fā)生 蝴蝶效應(yīng) 量子坍縮 《原理》300年誕辰上力學(xué)家的道歉
參考文獻(xiàn) 031
思考題 033
第2章 拉格朗日哈密頓力學(xué)034
2.1 *小作用量原理與分析力學(xué)——分析的工具與程序 034
歐拉與變分法 *小作用量原理 廣義坐標(biāo)、廣義速度與拉格朗日方程 動(dòng)力系統(tǒng) 能量積分 格林的路徑無(wú)關(guān)
2.2 哈密頓力學(xué)——力學(xué)之美 039
哈密頓力學(xué)的創(chuàng)立 經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué) 薛定諤對(duì)哈密頓的贊譽(yù)
2.3 諾特定律——物理世界的對(duì)稱性 042
哈密頓體系的對(duì)稱美 諾特定理、對(duì)稱性破缺與晶體缺陷 廣義能量力
2.4 哈密頓雅可比方法——力學(xué)的代數(shù)化 045
雅可比矩陣 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本算法
2.5 熱平衡與熱力學(xué)三定律——過(guò)程的方向感 046
焦耳、克勞修斯的經(jīng)典演繹 卡拉西奧多里的數(shù)學(xué)解釋 氣體動(dòng)力學(xué)解釋 熱寂學(xué)說(shuō)
2.6 阿諾德理論——力學(xué)與數(shù)學(xué)的完美契合 051
高維空間中的力學(xué)
參考文獻(xiàn) 052
思考題 054
第3章 理論力學(xué)與應(yīng)用力學(xué)的分離 055
3.1 理論力學(xué)的發(fā)展——現(xiàn)代物理科學(xué)的脊梁 055
光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō) 麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué) 兩朵烏云 量子力學(xué) 相對(duì)論力學(xué) 規(guī)范場(chǎng)論與標(biāo)準(zhǔn)模型
3.2 應(yīng)用力學(xué)學(xué)派——開創(chuàng)技術(shù)科學(xué)研究 061
應(yīng)用性與優(yōu)雅性的爭(zhēng)論 哥廷根學(xué)派
3.3 固體與流體的穩(wěn)定性——從歐拉到柯伊塔 064
連續(xù)介質(zhì)力學(xué) 歐拉穩(wěn)定性 小擾動(dòng)影響與后屈曲 瑞利的液滴穩(wěn)定性 層流與湍流
3.4 邊界層與機(jī)翼理論——應(yīng)用力學(xué)的范例 067
機(jī)翼與黏性 普朗特的邊界層理論 層流與湍流邊界層解 機(jī)翼理論與升力
3.5 湍流統(tǒng)計(jì)理論——隨機(jī)意義上的湍流分布律 069
湍流的統(tǒng)計(jì)學(xué)派
3.6 位錯(cuò)理論——固體強(qiáng)度之穴位 072
晶體材料 位錯(cuò)的表征
3.7 IUTAM的成立——全球力學(xué)組織的奠基 074
馮 卡門與伯格斯的貢獻(xiàn)
參考文獻(xiàn) 076
思考題 078
第4章 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)080
4.1 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)——微觀與宏觀的橋梁 080
連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 假設(shè)的有效性 星云假說(shuō) 德拜蛇
4.2 連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)——映射、變形、流形 082
拉格朗日描述與歐拉描述 變形與映射 變形協(xié)調(diào)條件
4.3 柯西應(yīng)力張量——應(yīng)力的雙輪馬車 087
柯西應(yīng)力
4.4 守恒律——牛頓定律的連續(xù)介質(zhì)化 087
力學(xué)場(chǎng)方程
4.5 本構(gòu)定律——本構(gòu)響應(yīng)與公理體系 088
泛函表示 確定性公理 局部性公理 客觀性公理 物質(zhì)對(duì)稱群 記憶衰減性 塑性與可塑性
4.6 能量方程——弱解的數(shù)學(xué)萬(wàn)花筒 090
弱解 虛功原理 虛位移原理 虛應(yīng)力原理 可能功原理 功的互等定理 胡鷲津廣義變分原理 海靈格賴斯納變分原理 余能原理 勢(shì)能原理 *小勢(shì)能原理 *小余能原理 兩個(gè)原理的關(guān)系
4.7 熱力學(xué)定律的連續(xù)介質(zhì)化——微分型的理論威力 100
均勻熱平衡體系 熱平衡 熱力學(xué)第零定律 絕熱功 熱力學(xué)第一定律 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 熱力學(xué)第二定律 熱力學(xué)的連續(xù)介質(zhì)化 熵產(chǎn)出方程
4.8 能量的物理描述——自由能與熵 104
熱焓 亥姆霍茲自由能 吉布斯自由能 熵
參考文獻(xiàn) 106
思考題 106
第5章 固體與流體 108
5.1 固體與流體的定義——力學(xué)定義： 剪切為判 108
5.2 軟物質(zhì)的定義——穿越流固之間 108
5.3 理想流體與真實(shí)流體——流者無(wú)形、黏者有滯 109
理想流體 牛頓流體
5.4 納維斯托克斯方程——橫跨三世紀(jì)的難題 111
5.5 渦與湍流——渦生無(wú)窮、湍擾萬(wàn)維 113
理想流動(dòng)的渦定理 湍流與轉(zhuǎn)捩 湍流結(jié)構(gòu)理論
5.6 彈性體——經(jīng)典之美 116
彈性的概念 彈性常數(shù)的爭(zhēng)論 彈性響應(yīng) 超彈性 福伊特對(duì)稱性 晶體彈性 長(zhǎng)鏈高分子 內(nèi)能應(yīng)力與熵應(yīng)力
5.7 納維方程——巨匠之力 124
5.8 平面應(yīng)變與平面應(yīng)力問題——平面之簡(jiǎn) 126
5.9 塑性體——集缺陷運(yùn)動(dòng)之大成 128
塑性行為 應(yīng)力應(yīng)變曲線 一維理論 三維理論 彈性區(qū)與屈服面 應(yīng)變率的加法分解 *大塑性功原理 證明 金屬塑性
參考文獻(xiàn) 136
思考題 137
第6章 計(jì)算與實(shí)驗(yàn) 138
6.1 有限差分法——從連續(xù)到離散 138
離散化方法 差分格式 穩(wěn)定性 數(shù)值耗散與數(shù)值色散
6.2 有限元法——從離散微分方程到離散積分方程 141
有限元法的誕生 有限元格式 收斂性 應(yīng)用
6.3 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算——牛頓力學(xué)的原子模擬器 145
分子運(yùn)動(dòng)論 應(yīng)用舉例 基本方法 原子間作用勢(shì) 局限性與挑戰(zhàn)
6.4 機(jī)械量測(cè)——表征基本力學(xué)性能 149
機(jī)械量測(cè) 拉伸 振動(dòng) 沖擊 疲勞
6.5 聲學(xué)量測(cè)——由振動(dòng)感知物質(zhì)世界 152
聲學(xué)參數(shù)測(cè)量 超聲無(wú)損檢測(cè) 超聲顯微技術(shù) 超聲立體顯示 超聲指紋傳感器
6.6 熱學(xué)量測(cè)——度量無(wú)序的躁動(dòng) 156
熱學(xué)參數(shù)量測(cè) 接觸式熱量測(cè) 熱電偶 非接觸式熱量測(cè) 熱沖擊 熱疲勞 熱燒蝕
6.7 光學(xué)量測(cè)——絢麗的光影 160
光學(xué)參數(shù)量測(cè) 光彈性法 散斑法 云紋干涉法 顯微光學(xué)法
6.8 電學(xué)量測(cè)——把握力與電的轉(zhuǎn)換 167
電學(xué)參數(shù)量測(cè) 電阻傳感器 電容傳感器 渦流法
6.9 磁學(xué)量測(cè)——探究磁場(chǎng)的擾動(dòng) 170
磁場(chǎng)量測(cè) 磁場(chǎng)構(gòu)建 磁滯回線 磁感應(yīng)加熱
參考文獻(xiàn) 172
思考題 174
第二篇 力學(xué)今生——力學(xué)2.0：學(xué)科的輻射
第7章 飛行器力學(xué)179
7.1 機(jī)翼理論與空氣動(dòng)力學(xué)——形成工程科學(xué)的方法論 180
升力與阻力 邊界層理論 機(jī)翼理論 邊界層厚度 邊界層方程 分離和轉(zhuǎn)捩 邊界層增厚與熱邊界層 普朗特的傳承 信息與智能時(shí)代的飛行器
7.2 大飛機(jī)與尺度律——極致的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 186
平方/立方尺度律 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與減振 健康監(jiān)測(cè) 減阻 風(fēng)洞
7.3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)——熔點(diǎn)之上的不滅金身 188
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的類型 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 渦噴/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī) 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)效率 槳扇發(fā)動(dòng)機(jī) 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī) 自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī) 高溫力學(xué)
7.4 高超飛行： 乘波體與超燃發(fā)動(dòng)機(jī)——浪跡空天的飛舟 193
高超飛行 沖壓噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī) 吸氣式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī) 高超聲速實(shí)驗(yàn) 高超聲速力學(xué)
7.5 數(shù)字化裝配——數(shù)字與力學(xué)的交響曲 198
制造與裝配 人民空軍的逆襲
參考文獻(xiàn) 200
思考題 201
第8章 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)202
8.1 機(jī)器人概述——從科幻到現(xiàn)實(shí) 202
羅梭的萬(wàn)能工人 宇航工程機(jī)械師 阿西莫機(jī)器人 DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽 動(dòng)力機(jī)器人 機(jī)器人系統(tǒng)總成
8.2 剛體動(dòng)力學(xué)——建模的力學(xué)要素 208
剛體機(jī)構(gòu)建模 歐拉角 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 角速度 四元數(shù)與萬(wàn)向鎖 正逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 剛體動(dòng)力學(xué) 動(dòng)力塑造
8.3 反饋控制——自然界的基本法則 220
反饋控制 倒立擺 PID控制 線性系統(tǒng)與狀態(tài)空間 時(shí)域分析與頻域分析 伯德圖 可控性與可觀察性 線性系統(tǒng)反饋控制與狀態(tài)估計(jì) LQR控制器 卡爾曼濾波
8.4 動(dòng)力機(jī)器人控制——模型預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用 229
層級(jí)控制架構(gòu) 混合動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制 雷伯特控制器 模型預(yù)測(cè)控制 獵豹四足機(jī)器人控制
參考文獻(xiàn) 233
思考題 234
第9章 微納力學(xué)236
9.1 物理力學(xué)——橫跨連續(xù)介質(zhì)與原子尺度的力學(xué)236
連續(xù)性假設(shè)的局限 物理力學(xué) 固體強(qiáng)度 計(jì)算與仿真 顯微實(shí)驗(yàn)力學(xué) 電磁流體力學(xué)
9.2 細(xì)觀力學(xué)——探索細(xì)觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律 240
細(xì)觀尺度 細(xì)觀結(jié)構(gòu) 晶體塑性 孿晶 位錯(cuò)理論 位錯(cuò)動(dòng)力學(xué) 細(xì)觀損傷力學(xué)
9.3 微納電子器件——納米力電學(xué)的應(yīng)用 245
電子封裝 層裂與爆米花效應(yīng) 電遷移 穿層位錯(cuò)與共格應(yīng)變 應(yīng)變工程 二維材料 范德華力 卡西米爾力 布朗運(yùn)動(dòng)
9.4 微納流體力學(xué)——分子自由程與分子作用力 251
微納尺度流動(dòng) 克努森數(shù) 毛細(xì)現(xiàn)象
9.5 微納傳熱學(xué)——熱載流子與統(tǒng)計(jì)溫度 254
微納導(dǎo)熱 微納傳熱理論 微納傳熱實(shí)測(cè) 二維材料傳熱
參考文獻(xiàn) 256
思考題 258
第10章 材料的力學(xué)259
10.1 晶體塑性——晶格畸變與物質(zhì)滑移 259
彈性與塑性 單晶體塑性 多晶體平均 織構(gòu)
10.2 斷裂力學(xué)——場(chǎng)強(qiáng)與耗能的綜合 264
理論強(qiáng)度與斷裂力學(xué) 斷裂類型 格里菲斯理論與能量釋放率 應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌性 彈塑性斷裂力學(xué) J積分 HRR場(chǎng) 斷裂過(guò)程區(qū) 尺度關(guān)系
10.3 復(fù)合材料力學(xué)——硬相與軟相的優(yōu)化組合 270
復(fù)合連通度 樹脂基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料 多鐵材料
10.4 軟物質(zhì)力學(xué)——流體與固體的過(guò)渡 274
軟物質(zhì) 增韌 增韌型水凝膠 功能軟物質(zhì)
10.5 跨層次力學(xué)——不同物質(zhì)描述層次的穿越 278
細(xì)觀與納觀 第一性原理計(jì)算 握手區(qū)
10.6 低維材料力學(xué)——極限維度與極限性能 280
低維材料 石墨烯力學(xué) 石墨烯納米帶力學(xué) 碳納米管力學(xué)
參考文獻(xiàn) 285
思考題 289
第11章 工程力學(xué)291
11.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)——承力骨架 291
結(jié)構(gòu)靜力學(xué) 結(jié)構(gòu)完整性 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)
11.2 地震動(dòng)力學(xué)——斷續(xù)體的波動(dòng)力學(xué)297
地幔動(dòng)力學(xué) 斷層 地震 震級(jí) 地殼的破裂速度 地震模擬 地震的前兆
11.3 風(fēng)沙力學(xué)——兩相流的湍動(dòng) 301
風(fēng)與沙的兩相流 湍流邊界層 沙塵暴 起沙 沙塵電 全場(chǎng)觀測(cè)野外陣列 沙面演化與沙丘
11.4 環(huán)境力學(xué)——力學(xué)的共融之道 304
毛細(xì)作用 吉布斯湯姆森效應(yīng) 未凍水 泥沙理論 泥沙起動(dòng) 泥石流 河流污染 氣溶膠
11.5 巖土力學(xué)——非正交塑性流動(dòng) 309
巖土 巖土工程 本構(gòu)描述 剪脹與壓力敏感 非正交流動(dòng)律
11.6 高邊坡與剪切帶——巖土體的縱橫釘扎 310
巖土的液化 剪切帶 高邊坡 滑坡 錨固與監(jiān)測(cè)
11.7 盾構(gòu)力學(xué)—