IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
理性力学教程
赵亚溥
Publication Place北京
Publisher科学出版社
2020-03
Abstract

本书是为中国科学院大学工程科学学院与数学科学学院二年级本科生所撰写的教材,在体系结构上,本书较为平衡地讨论了固体力学和流体力学问题,增加了现代数学对张量的定义、拓扑、群论、微分流形上的张量分析、狄拉克符号,流体动力学客观性,脑科学的连续介质力学张量图,人工智能中的张量流(TensorFlow)、张量网络(TensorNetwork)以及连续介质力学在思维动力学、金融动力学、社会动力学和管理动力学中的应用等新内容,在使理性连续介质力学教材的现代化方面做出了深入探索。
本书既注重对相关科学史的深入挖掘,又十分关注本学科领域的最新发展,很多文献已经更新到2019年。本书的创作过程充分地遵循了培根的名言“历史使人聪明,诗歌使人机智,数学使人精细,哲学使人深邃,道德使人严肃,逻辑与修辞使人善辩。”努力使本书成为既在专业上艰深、前沿,又活泼有趣,使本科生能够萌发对该学科的兴趣和进行深入探索的冲动!

Table of Contents

前言
第1章 基础知识 1
§1. 理性力学、相关数学术语和空间 1
l.1 什么是理性力学? 1
1.2 数学术语 5
1.3 理性力学常用的空间 11
§2. 连续介质假设 20
2.1 物质世界的特征尺度 20
2.2 努森数与四种流动区间 22
2.3 连续介质假定 24
§3. 运动的两种描述方法——欧拉和拉格朗日观点 26
§4. 从质点和刚体动力学到连续介质力学 30
4.1 质点和刚体力学概述 30
4.2 从离散到连续的微元体方法 32
4.3 连续介质力学研究的几位先驱性的工作 36
思考题和补充材料 38
参考文献 60
第2章 矢量分析 62
§5. 矢量分析中的狄拉克符号 63
§6. 刚体平衡的两个条件 64
§7. 质点动力学中速度和加速度的合成 65
§8. 克罗内克δ和置换符号 68
8.1 克罗内克δ符号 68
8.2 置换符号的基本定义 70
8.3 混合积和置换符号 71
思考题和补充材料 75
参考文献 83
第3章 张量代数和微积分 84
§9. 张量的引入,二阶投影张量 84
9.1 二阶张量作为并矢的引入 84
9.2 现代数学对张量的引入一多重线性映射 86
9.3 二阶投影张量的引入 88
§10. 爱丁顿张量和张量方程的广义量纲原理 91
§11. 张量的缩并 94
11.1 解缩并 94
11.2 张量的幂 95
11.3 双缩并 95
11.4 三缩并 97
§12. 张量的转置、逆、对称化、反对称化,科恩不等式 97
§13. 谱定 31 104
13.1 谱分解定理的基本内容 104
13.2 谱定理在应力分解中的应用 107
§14. 数学算子一拉普拉斯和黑森算子 108
14.1 拉普拉斯算子▽2=▽·▽=△ 109
14.2 黑森算子▽▽=▽*▽ 109
§15. 轻度量张量 112
§16. 克里斯托费尔符号和联络 124
16.1 曲纹坐标系的基矢量、黎曼度规张量 124
16.2 第二类克里斯托费尔符号 125
16.3 克里斯托费尔符号的应用 126
§17. 张量的标量函数的泰勒展开 129
17.1 多元矢量函数的泰勒展开 129
17.2 张量的标量函数的一阶泰勒展开 130
§18. 张量的标量函数的微分 131
18.1 直角坐标系下的时间导数 132
18.2 张量的标量函数的微分 132
18.3 物质时间导数和空间时间导数之间的关系 137
§19. 四阶单位张量、对称的四阶单位张量、四阶投影张量 138
19.1 四阶单位张量、对称的四阶单位张量 138
19.2 四阶投影张量 140
思考题和补充材料 141
参考文献 151
第4章 旋转群,拓扑,微分流形上的张量分析 153
§20. 理性力学中常用的群论 153
20.1 对称与群 153
20.2 外尔的小册子——《对称》 155
20.3 旋转李群——SO(n)和 SU(n) 157
20.4 理性力学中常用的正交群 161
20.5 阿贝尔、伽罗瓦在建立群论过程中曲折经历 165
§21. 微分流形 167
21.1 高斯与内蕴微分几何 168
21.2 黎曼与流形 169
21.3 流形的定义 170
§22. 拓扑学与拓扑相变 171
22.1 拓扑学与亏格 171
22.2 拓扑相变 173
§23. 微分同胚,坐标图册,切空间,余切空间 176
23.1 微分同胚 176
23.2 坐标图册 178
23.3 切空间,余切空间 180
§24. 微分形式,外微分运算 181
24.1 微分形式的引入 181
24.2 外微分运算,庞加莱引理 182
24.3 斯托克斯定理 186
24.4 霍奇星算子和对偶 187
24.5 霍奇星号在麦克斯韦方程组中的应用 190
§25. 流形上的矢量和张量分析 192
25.1 推前和拉回映射 192
25.2 李导数 193
25.3 黎曼度量与黎曼流形 194
思考题和补充材料 195
参考文献 197
第5章 变形运动学、功共轭 198
§26. 变形梯度F及其极分解 198
26.1 变形梯度张量F及其转置、逆、逆的转置的详细推导 198
26.2 变形梯度的极分解 203
§27. 拉格朗日描述下的格林应变与欧拉描述下的阿尔曼西应变 204
27.1 拉格朗日描述下有限变形的格林应变 204
27.2 欧拉描述下有限变形的阿尔曼西应变 213
§28. 赛斯-希尔应变度量 214
28.1 希尔应变度量 214
28.2 赛斯应变度量 216
§29. 功共轭 218
29.1 面元变换的南森公式 218
29.2 基尔霍夫应力、第一类和第二类皮奥拉—基尔霍夫应力(PK1和PK2) 220
29.3 功共轭 221
思考题和补充材料 227
参考文献 237
第6章 守恒律与场方程 238
§30. 雷诺输运定理 238
§31. 质量守恒 240
31.1 欧拉描述下的质量守恒方程 240
31.2 拉格朗日描述下的质量守恒方程 242
31.3 笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系下的质量守恒方程 243
§32. 动量守恒 243
32.1 动量守恒与空间平移不变性 243
32.2 欧拉描述下流体的动量守恒方程 244
32.3 欧拉描述下固体的动量守恒方程 244
32.4 拉格朗日描述下固体的动量守恒方程 245
§33. 动量矩守恒 246
33.1 角动量守恒与空间旋转不变性 247
33.2 柯西应力的对称性 247
33.3 用PK1表示应力的对称性条件 247
§34. 能量守恒 248
34.1 能量守恒与时间平移不变性 248
34.2 欧拉描述下流体力学的能量守恒 248
34.3 固体力学中的动能定理 250
34.4 固体力学中的能量守恒律 250
§35. 熵守恒和热力学不等式 251
35.1 熵平衡方程和熵不等式 251
35.2 热力学第二定律在固体力学中的应用 252
思考题和补充材料 255
参考文献 257
第7章 连续介质力学中的客观性 258
§36. 标量,位移、速度、加速度矢量的欧几里得客观性 258
36.1 欧几里得变换 258
36.2 标量和位移矢量的欧几里得客观性 259
36.3 速度矢量的欧几里得客观性 259
36.4 加速度矢量的欧几里得客观性 259
§37.张量的欧几里得客观性和客观率 261
37.1 变形梯度张量的欧几里得客观性 261
37.2 柯西应力的欧几里得客观性 262
37.3 PK1和PK2应力张量的欧几里得客观性 262
37.4 速度梯度、应变率、旋率张量的欧几里得客观性 263
37.5 客观矢量率的定义 263
37.6 客观张量率的定义 264
§38. 流体动力学的客观性 265
38.1 基本方程组 265
38.2 基本方程组的无量纲化 267
38.3 雷诺数相似性 268
38.4 时空不变性 268
38.5 时间反演不变性 269
38.6 旋转和反射不变性 269
38.7 伽利略不变性 270
38.8 扩展伽利略不变性 270
38.9 标架旋转 271
38.10 关于虚拟力的进一步讨论 272
思考题和补充材料 273
参考文献 274
第8章 本构关系 275
§39. 理性力学中的公理 275
39.1 本构公理的提出与建立 275
39.2 里夫林等学者对连续介质力学公理的批评 277
§40. 线弹性本构关系——广义胡克定律 278
40.1 材料力学和弹性力学中的广义胡克定律(应变-应力关系式) 279
40.2 应力-应变关系式 282
40.3 对弹性常数的限制 283
40.4 固体力学材料常数常用关系的简单证明 284
§41. 流体力学本构关系 285
41.1 帕斯卡定律和帕斯卡水桶实验 286
41.2 流体本构关系的一般形式 286
41.3 牛顿流体本构关系的一般形式 287
§42. 不可压缩超弹性材料的新胡克本构模型 288
§43. 超弹性材料的本构方程和应力 292
43.1 用PK1表示的不可压缩(J=1)和可压缩(J≠1)的超弹性本构关系 292
43.2 用PK2和PK1表示的可压缩和不可压缩的超弹性本构关系 293
43.3 用柯西应力表示的可压缩和不可压缩的超弹性本构关系 294
§44. 可压缩超弹性体材料的穆尼-里夫林本构模型 299
思考题和补充材料 301
参考文献 303
第9章 虚功原理在连续介质力学中的应用 305
§45. 微元长度、面积、体积和雅可比的变分 305
45.1 知道虚位移后如何确定虚体积? 305
45.2 知道虚位移后如何确定雅可比的变分? 305
45.3 知道虚位移后如何确定微线段矢量的变分? 306
45.4 知道虚位移后如何确定微面积矢量的变分? 307
§46. 虚功原理在连续介质力学中的应用 308
46.1 当前构形中的虚位移 308
46.2 和变形梯度张量相关的变分 309
46.3 格林和柯西应变张量的变分 309
46.4 虚功原理 310
§47. 贝蒂定理与材料弹性模量对称性之间的关系 311
47.1 积分法 311
47.2 微分法 312
思考题和补充材料 313
参考文献 314
第10章 固体力学要义 315
§48. 材料力学之提纲挈领 315
§49. 弹性力学提法和方程 324
49.1 弹性力学平衡方程 324
49.2 弹性模量独立分量的个数 325
49.3 勒让德-阿达玛不等式 331
思考题和补充材料 334
参考文献 338
第11章 流体动力学 340
§50. 从哈维的血液循环学说到血压计的发明 340
§51. 伯努利方程的建立 342
51.1 星光灿烂的伯努利家族 342
51.2 伯努利定律 344
§52. 流体力学势流问题 350
52.1 势流的特点 350
52.2 不可压缩流体的特性与势流方程 351
52.3 势流的分析 351
52.4 基本流 352
§53. 流变体与牛顿流体 357
53.1 流变体的定义 357
53.2 牛顿流体 358
53.3 牛顿流体的本构关系 359
§54. 哈根-泊肃叶流动定律 361
§55. 达朗贝尔佯谬 364
55.1 马略特有关流体阻力的研究 364
55.2 达朗贝尔佯谬 365
§56. 纳维托克斯方程 367
56.1 用拉格朗日方程推导纳维-斯托克斯方程 367
56.2 纳维托克斯方程的无量纲化及无量纲数 371
56.3 用快速匹配法获得纳维-斯托克斯方程的无量纲数 373
56.4 相似律 374
§57. 马赫数、马赫锥、马赫角 378
§58. 斯托克斯阻力 379
58.1 斯托克斯流动 379
58.2 斯托克斯阻力公式 380
§59. 从层流到端流的转捩 386
59.1 雷诺1883年的经典论文 386
59.2 卡门涡街——科学与艺术结合的典范 388
59.3 费曼等对溫流的论述 394
59.4 理查森的串级 394
59.5 柯尔莫哥洛夫的K41理论的2/3标度律 395
59.6 奥布霍夫的-5/3标度律,柯尔莫哥洛夫-奥布霍夫标度 398
§60. 杨-拉普拉斯方程 400
60.1 谁最先提出了表面张力的概念? 400
60.2 应用能量法推导杨名普拉斯方程 401
60.3 应用力平衡法推导杨^普拉斯方程 402
60.4 应用矢量法推导杨名普拉斯方程 402
§61. 润滑近似和液滴铺展的动力学方程 404
61.1 润滑近似下膜厚方程的推导 404
61.2 薄膜铺展的标度律 406
§62. 流体动力学中的不稳定性理论 407
62.1 里克特迈耶-梅什科夫(RM)不稳定性 407
62.2 瑞利-泰勒(RT)不稳定性 408
62.3 开尔文-亥姆霍兹(KH)不稳定性 409
62.4 普拉托-瑞利(PR)不稳定性 410
62.5 萨夫曼-泰勒(ST)不稳定性 416
思考题和补充材料 420
参考文献 430
第12章 连续介质力学新发展——思维动力学、金融动力学、社会动力学、管理动力学 436
§63. 脑科学中的首张连续介质力学张量图 436
63.1 左脑的批判性思维与右脑的创造性思维的对比 436
63.2 大脑发育过程的首张连续介质力学张量图 437
63.3 思维动力学 441
§64. 连续介质力学在人工智能中的应用一张量流和张量网络 443
64.1 麦卡锡是如何受冯·诺依曼启发创始人工智能这一学科的? 443
64.2 机器学习在材料设计中的应用 448
64.3 深度学习 448
64.4 张量流 451
64.5 维度坦咒与张量网络 451
§65. 连续介质力学在社会动力学、金融动力学和管理学动力学中的应用 453
65.1 社会心理学中的场论和生活空间 453
65.2 连续介质力学在社会动力学中的应用 455
65.3 金融动力学 460
65.4 弹性、刚性、柔性、韧性等概念在社会及管理动力学上的推广和延深 467
65.5 黏性概念在社会及管理动力学上的推广和延深 469
65.6 金融动力学中的艾略特波浪理论 470
65.7 金融数学 472
思考题和补充材料 474参考文献 478
附录A 和本书内容相关的科学大事年表 481
附录B 连续介质力学中的相关物理量 485
附录C 连续介质力学中的无量纲数 490
附录D 弗雷歇导数和加托导数 493
D.1 可微、可偏导、连续的关系 493
D.2 弗雷歇导数、加托导数 495
附录E 玻尔兹曼动理学方程、BBGKY级联、利用玻尔兹曼方程对连续介质力学守恒律的证明 499
E.1 玻尔兹曼动理学方程(1872) 499
E.2 BBGKY级联 500
E.3 应用玻尔兹曼方程对连续介质力学守恒律的证明 502
E.4 结束语 506
参考文献 508
索引 509
人像索引 529

 

ISBN9787030646330
Is Part of Series中国科学院大学本科生教材系列
Language中文
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Document Type专著
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/81676
Collection非线性力学国家重点实验室
Affiliation中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
赵亚溥. 理性力学教程[M]. 北京:科学出版社,2020.
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