力学导论

引言 001
0.1 力学之哲学思考 001
0.2 力学之基础作用 003
0.3 力学之桥梁作用 004
0.4 力学之交叉作用 004
0.5 力学之量化作用 005
0.6 力学之方法论 006
0.7 力学的奠基、辐射到嬗变 007
参考文献 008
思考题 008
第一篇 力学往事——力学1.0：学科的建构
第1章 牛顿力学013
1.1 形体力学——墨子、亚里士多德、阿基米德 013
第一推动·亚里士多德·给我一个支点·托勒密的地球中心说·《墨辩》·张衡的浑天说和地动仪
1.2 文艺复兴时的力学——达·芬奇、哥白尼、开普勒、伽利略 017
达·芬奇的早期工程研究·哥白尼的太阳中心说·开普勒的天文数据与三定律·伽利略的运动学说与悬臂梁
1.3 质点力学——万有引力与牛顿三定律 022
牛顿与《自然哲学的数学原理》·万有引力与开普勒的天文数据·胡克与牛顿的争论·牛顿力学的近现代推广·力的解释
1.4 分析工具——解析几何、微积分与微分方程 027
笛卡儿坐标系·微积分与微分方程
1.5 哲学思考——确定性与混沌、量子坍缩 029
确定性原理·混沌的发生·蝴蝶效应·量子坍缩·《原理》300年诞辰上力学家的道歉
参考文献 031
思考题 033
第2章 拉格朗日哈密顿力学034
2.1 最小作用量原理与分析力学——分析的工具与程序 034
欧拉与变分法·最小作用量原理·广义坐标、广义速度与拉格朗日方程·动力系统·能量积分·格林的路径无关
2.2 哈密顿力学——力学之美 039
哈密顿力学的创立·经典力学与量子力学·薛定谔对哈密顿的赞誉
2.3 诺特定律——物理世界的对称性 042
哈密顿体系的对称美·诺特定理、对称性破缺与晶体缺陷·广义能量力
2.4 哈密顿雅可比方法——力学的代数化 045
雅可比矩阵·神经网络基本算法
2.5 热平衡与热力学三定律——过程的方向感 046
焦耳、克劳修斯的经典演绎·卡拉西奥多里的数学解释·气体动力学解释·热寂学说
2.6 阿诺德理论——力学与数学的完美契合 051
高维空间中的力学
参考文献 052
思考题 054
第3章 理论力学与应用力学的分离 055
3.1 理论力学的发展——现代物理科学的脊梁 055
光的波动说与微粒说·麦克斯韦的电动力学·两朵乌云·量子力学·相对论力学·规范场论与标准模型
3.2 应用力学学派——开创技术科学研究 061
应用性与优雅性的争论·哥廷根学派
3.3 固体与流体的稳定性——从欧拉到柯伊塔 064
连续介质力学·欧拉稳定性·小扰动影响与后屈曲·瑞利的液滴稳定性·层流与湍流
3.4 边界层与机翼理论——应用力学的范例 067
机翼与黏性·普朗特的边界层理论·层流与湍流边界层解·机翼理论与升力
3.5 湍流统计理论——随机意义上的湍流分布律 069
湍流的统计学派
3.6 位错理论——固体强度之穴位 072
晶体材料·位错的表征
3.7 IUTAM的成立——全球力学组织的奠基 074
冯·卡门与伯格斯的贡献
参考文献 076
思考题 078
第4章 连续介质力学080
4.1 连续介质假设——微观与宏观的桥梁 080
连续介质假设·假设的有效性·星云假说·德拜蛇
4.2 连续介质的运动学——映射、变形、流形 082
拉格朗日描述与欧拉描述·变形与映射·变形协调条件
4.3 柯西应力张量——应力的双轮马车 087
柯西应力
4.4 守恒律——牛顿定律的连续介质化 087
力学场方程
4.5 本构定律——本构响应与公理体系 088
泛函表示·确定性公理·局部性公理·客观性公理·物质对称群·记忆衰减性·塑性与可塑性
4.6 能量方程——弱解的数学万花筒 090
弱解·虚功原理·虚位移原理·虚应力原理·可能功原理·功的互等定理·胡鹫津广义变分原理·海灵格赖斯纳变分原理·余能原理·势能原理·最小势能原理·最小余能原理·两个原理的关系
4.7 热力学定律的连续介质化——微分型的理论威力 100
均匀热平衡体系·热平衡·热力学第零定律·绝热功·热力学第一定律·准静态过程·热力学第二定律·热力学的连续介质化·熵产出方程
4.8 能量的物理描述——自由能与熵 104
热焓·亥姆霍兹自由能·吉布斯自由能·熵
参考文献 106
思考题 106
第5章 固体与流体 108
5.1 固体与流体的定义——力学定义： 剪切为判 108
5.2 软物质的定义——穿越流固之间 108
5.3 理想流体与真实流体——流者无形、黏者有滞 109
理想流体·牛顿流体
5.4 纳维斯托克斯方程——横跨三世纪的难题 111
5.5 涡与湍流——涡生无穷、湍扰万维 113
理想流动的涡定理·湍流与转捩·湍流结构理论
5.6 弹性体——经典之美 116
弹性的概念·弹性常数的争论·弹性响应·超弹性·福伊特对称性·晶体弹性·长链高分子·内能应力与熵应力
5.7 纳维方程——巨匠之力 124
5.8 平面应变与平面应力问题——平面之简 126
5.9 塑性体——集缺陷运动之大成 128
塑性行为·应力应变曲线·一维理论·三维理论·弹性区与屈服面·应变率的加法分解·最大塑性功原理·证明·金属塑性
参考文献 136
思考题 137
第6章 计算与实验 138
6.1 有限差分法——从连续到离散 138
离散化方法·差分格式·稳定性·数值耗散与数值色散
6.2 有限元法——从离散微分方程到离散积分方程 141
有限元法的诞生·有限元格式·收敛性·应用
6.3 分子动力学计算——牛顿力学的原子模拟器 145
分子运动论·应用举例·基本方法·原子间作用势·局限性与挑战
6.4 机械量测——表征基本力学性能 149
机械量测·拉伸·振动·冲击·疲劳
6.5 声学量测——由振动感知物质世界 152
声学参数测量·超声无损检测·超声显微技术·超声立体显示·超声指纹传感器
6.6 热学量测——度量无序的躁动 156
热学参数量测·接触式热量测·热电偶·非接触式热量测·热冲击·热疲劳·热烧蚀
6.7 光学量测——绚丽的光影 160
光学参数量测·光弹性法·散斑法·云纹干涉法·显微光学法
6.8 电学量测——把握力与电的转换 167
电学参数量测·电阻传感器·电容传感器·涡流法
6.9 磁学量测——探究磁场的扰动 170
磁场量测·磁场构建·磁滞回线·磁感应加热
参考文献 172
思考题 174
第二篇 力学今生——力学2.0：学科的辐射
第7章 飞行器力学179
7.1 机翼理论与空气动力学——形成工程科学的方法论 180
升力与阻力·边界层理论·机翼理论·边界层厚度·边界层方程·分离和转捩·边界层增厚与热边界层·普朗特的传承·信息与智能时代的飞行器
7.2 大飞机与尺度律——极致的结构优化 186
平方/立方尺度律·结构优化与减振·健康监测·减阻·风洞
7.3 航空发动机——熔点之上的不灭金身 188
航空发动机的类型·喷气发动机·涡喷/涡桨发动机·涡扇发动机·发动机效率·桨扇发动机·涡轴发动机·自适应发动机·高温力学
7.4 高超飞行： 乘波体与超燃发动机——浪迹空天的飞舟 193
高超飞行·冲压喷气式发动机·吸气式冲压发动机·高超声速实验·高超声速力学
7.5 数字化装配——数字与力学的交响曲 198
制造与装配·人民空军的逆袭
参考文献 200
思考题 201
第8章 机器人动力学202
8.1 机器人概述——从科幻到现实 202
罗梭的万能工人·宇航工程机械师·阿西莫机器人·DARPA机器人挑战赛·动力机器人·机器人系统总成
8.2 刚体动力学——建模的力学要素 208
刚体机构建模·欧拉角·坐标系转换·角速度·四元数与万向锁·正逆运动学·刚体动力学·动力塑造
8.3 反馈控制——自然界的基本法则 220
反馈控制·倒立摆·PID控制·线性系统与状态空间·时域分析与频域分析·伯德图·可控性与可观察性·线性系统反馈控制与状态估计·LQR控制器·卡尔曼滤波
8.4 动力机器人控制——模型预测控制的应用 229
层级控制架构·混合动力学系统控制·雷伯特控制器·模型预测控制·猎豹四足机器人控制
参考文献 233
思考题 234
第9章 微纳力学236
9.1 物理力学——横跨连续介质与原子尺度的力学236
连续性假设的局限·物理力学·固体强度·计算与仿真·显微实验力学·电磁流体力学
9.2 细观力学——探索细观结构的演化规律 240
细观尺度·细观结构·晶体塑性·孪晶·位错理论·位错动力学·细观损伤力学
9.3 微纳电子器件——纳米力电学的应用 245
电子封装·层裂与爆米花效应·电迁移·穿层位错与共格应变·应变工程·二维材料·范德华力·卡西米尔力·布朗运动
9.4 微纳流体力学——分子自由程与分子作用力 251
微纳尺度流动·克努森数·毛细现象
9.5 微纳传热学——热载流子与统计温度 254
微纳导热·微纳传热理论·微纳传热实测·二维材料传热
参考文献 256
思考题 258
第10章 材料的力学259
10.1 晶体塑性——晶格畸变与物质滑移 259
弹性与塑性·单晶体塑性·多晶体平均·织构
10.2 断裂力学——场强与耗能的综合 264
理论强度与断裂力学·断裂类型·格里菲斯理论与能量释放率·应力强度因子与断裂韧性·弹塑性断裂力学·J积分·HRR场·断裂过程区·尺度关系
10.3 复合材料力学——硬相与软相的优化组合 270
复合连通度·树脂基复合材料·金属基复合材料·陶瓷基复合材料·碳/碳复合材料·多铁材料
10.4 软物质力学——流体与固体的过渡 274
软物质·增韧·增韧型水凝胶·功能软物质
10.5 跨层次力学——不同物质描述层次的穿越 278
细观与纳观·第一性原理计算·握手区
10.6 低维材料力学——极限维度与极限性能 280
低维材料·石墨烯力学·石墨烯纳米带力学·碳纳米管力学
参考文献 285
思考题 289
第11章 工程力学291
11.1 结构力学——承力骨架 291
结构静力学·结构完整性·结构动力学
11.2 地震动力学——断续体的波动力学297
地幔动力学·断层·地震·震级·地壳的破裂速度·地震模拟·地震的前兆
11.3 风沙力学——两相流的湍动 301
风与沙的两相流·湍流边界层·沙尘暴·起沙·沙尘电·全场观测野外阵列·沙面演化与沙丘
11.4 环境力学——力学的共融之道 304
毛细作用·吉布斯汤姆森效应·未冻水·泥沙理论·泥沙起动·泥石流·河流污染·气溶胶
11.5 岩土力学——非正交塑性流动 309
岩土·岩土工程·本构描述·剪胀与压力敏感·非正交流动律
11.6 高边坡与剪切带——岩土体的纵横钉扎 310
岩土的液化·剪切带·高边坡·滑坡·锚固与监测
11.7 盾构力学——大地深处的破坏力学312
盾构施工法·盾构施工的力学
参考文献 313
思考题 314
第12章 流程力学315
12.1 多相流——多相介质的传质与传热 315
流程工业·多相流·反应过程·燃烧过程
12.2 多尺度模拟——力之贯通与流之协调 317
连续介质尺度·细观尺度·气体动力学尺度·宏细微观模拟
12.3 流变学——流者恒流、变者善变 320
流变体·本构模拟·率相关流变过程
12.4 力化学——力场下的化学行为 323
反应热力学·反应动力学·催化过程
12.5 压裂过程——大地深处的断裂与渗流 325
压裂·定向井与丛式井·水平钻井·水力压裂·渗流
参考文献 328
思考题 329
第13章 制造力学330
13.1 成形力学——压应力主导下的塑性流动 330
压力加工·压力加工原理·应力状态·摩擦与润滑·型腔控制
13.2 相变力学——材料组织的再造 332
材料的相图·相变热力学·液态凝固的形核与长大·过冷与冷却过程图·相变动力学·固态相变·马氏体型相变·块型转变·有序无序转变·亚稳分域·软模·畴变·相变应力·形变能·回复·再结晶·外延生长
13.3 材料加工——塑性流动与局部化 339
切削·冲压·挤压·锻压·轧制
13.4 装甲力学——矛与盾之歌 342
高速碰撞·侵彻·穿甲过程·破甲过程·穿透深度·复合装甲·反应装甲
参考文献 348
思考题 349
第14章 交通力学350
14.1 船舶流体力学——流线与波浪 350
流线型·流体阻力·摩擦阻力与压差阻力·球鼻艏劈波·波浪理论·伯格斯方程·波浪与船舶的相互作用·减摇·横倾·舟自横·船舶/海水界面·艇桨舵系统·气垫船·水翼船
14.2 船舶结构力学——从骨架式到框架式 356
船体的龙骨设计·密封舱体技术与低应力脆断·潜艇的耐压性、续航性与静音性·潜艇的主承力艇体设计
14.3 潜艇的减振降噪——从敲锣打鼓到洋底寂舟 358
机械振动噪声与水流动力噪声·动力系统减振降噪·浮筏隔振·螺旋桨设计·低频振动与群模式·桨鳍舵一体化设计·数值潜艇
14.4 高铁动力学——速度的力之歌 360
高速列车的分布式动力驱动·列车的气动阻力·高速列车的升力与脱轨系数·高速列车与基础结构的动力相互作用·高速列车的减振设计与舒适性
14.5 高铁可靠性——血染的理论 363
行车网与信号安全控制·运行线路的防沉降设计·轮轴的高周疲劳可靠性
14.6 轮轨关系——碰撞导致的蠕滑与振动 365
轮轨关系·垂向运动·横向运动·轮轨碰撞力学·蠕滑·横向稳定性·曲线通过理论·防脱轨设计·抑制轮轨接触碰撞振动
14.7 汽车力学： 动力链——吸压燃排的四重奏 368
汽车发动机·四冲程汽油机·汽车排放·轮胎·抓地性
14.8 汽车力学： 成形加工——压力变形的精准控制 373
大型结构件的锻压加工·板材加工·机器人装配线与工业 4.0
14.9 汽车力学： 轻量化——比强度与塑性动力学374
轻量化·铝合金·镁合金·碳纤维增强复合材料·交通事故·耐撞性
参考文献 380
思考题 381
第15章 运动力学383
15.1 运动的力学测量——运动学状态的闪照 383
运动体的测量·三维重建技术·“华南虎”照片的鉴定·激光测速与激光测角·高速摄影运动分析·光学相干层析成像
15.2 运动的流体力学——凭流而翔 390
香蕉球·奥运的皮划艇设计·赛艇的前进力·泳姿的进步·划臂动作
15.3 运动的减阻——边界层的功效 394
高尔夫球·“鲨鱼皮”泳衣·冰雪运动·摩擦阻力
15.4 高性能运动器械——弹性与储能 398
设计原则与选材·撑杆·球拍·蹦极
15.5 弹道动力学——射击者的制胜轨迹 402
弹道设计·弹膛内推进过程·弹道动力学控制
参考文献 406
思考题 408
第三篇 力学前瞻——力学3.0： 学科的嬗变
三元世界
第16章 生命力学415
16.1 生命体中力的产生——力之源泉 415
分子马达·希尔模型·横桥动力学模型
16.2 康复力学——应力与生长 417
康复力学·生物力学·应力与生长
16.3 细胞力学——细胞与分子层次的力生物学 419
力生物学·力学化学耦合·红细胞的拉伸·细胞通道·细胞凋亡·基因编辑·生命体修复
16.4 生命体的柔性电子诊测——人机界面的多物理对话 421
柔性电子·可延展性·岛桥结构·柔性医疗器械·界面多物理对话·多尺度力生物学
16.5 脑科学——意念、信息、质流三元聚顶 424
脑核磁·脑机接口·脑起搏器·智慧软物质·类脑计算·神经元激发·意念力·扩散张量影像·神经网联·智能介质力学
16.6 生命力——源与泉 430
生命力的三方面·四种关联形式
参考文献 432
思考题 434
第17章 信息力学436
17.1 物理时空与信息时空的关联——信息力学与牛顿力学的相似性 436
时空观·驱动量·作用力·熵·介质·基本规律·缺陷·破坏·隔离·外界作用·转变
17.2 虚拟现实关联——数字孪生与混合增强 440
虚拟影像·数字孪生技术·混合增强·虚拟实验技术
17.3 数据驱动——数据的流与力 443
大数据研究·数据类型·数据的统计性·数据驱动与传播·数据驱动的力学研究
17.4 CPH三元互动——智质志融合 445
信息物理系统·三元智质志融合
17.5 人工智能缘起——三个力学来源与组成部分 446
人工智能的三个来源·力学信息学
参考文献 449
思考题 450
第18章 数据学习与数据驱动机器人 451
18.1 深度学习——向深度发掘的函数构造方式 451
视觉识别·深度前馈网络·卷积神经网络·循环神经网络
18.2 最优控制与强化学习——沿不同角度： 尝试，失败与反思 457
最优控制·强化学习
18.3 步态学习——足式动物的力学智慧 461
步态行为·步态转换·步态动力学模型
18.4 生物的数字孪生体——数据驱动的步态自适应生成 464
生物的数字孪生体·运动步态·监督学习·步态生成算法
18.5 数据驱动的足式机器人——由虚拟走向现实 466
新的挑战·深度强化学习·灵巧操作算法·向实际机器人迁移·数据驱动四足机器人·深度模仿学习
参考文献 472
思考题 473
第19章 社会力学475
19.1 社会物理学——机械世界观的问世 475
机械世界观·社会力学·社会生产力·社会统计学·社会物理学·社会实验室
19.2 社会体的连续介质描述——社会介质的时空观 478
社会空间·社会介质·连续介质描述·社会化学·广义软物质
19.3 社会韧性与社会安全——社会介质的断裂与修复 481
韧性·社会韧性·可恢复性·力学描述·双网络·自然灾害·社会伦理·水凝胶模型
19.4 社会的多层次跨界流动——多相流力学486
人口动力学·多相流·社会可塑性·城市 3.0
参考文献 490
思考题 492
结束语 493
力学之先行 493
力学之广袤 494
航空航天·武器装备·高端装备·基础设施建设
力学之交叉 496
数据动力学·物理力学·力学与材料·力化学与环境力学·生命力学·智能介质力学·研究命题的交叉
力学之根骨 500
力学之未来 500
参考文献 501
思考题 502