目錄
叢書序
前言
引言 001
0.1 力學之哲學思考 001
0.2 力學之基礎作用 003
0.3 力學之橋梁作用 004
0.4 力學之交叉作用 004
0.5 力學之量化作用 005
0.6 力學之方法論 006
0.7 力學的奠基、輻射到嬗變 007
參考文獻 008
思考題 008
第一篇 力學往事——力學1.0：學科的建構
第1章 牛頓力學013
1.1 形體力學——墨子、亞里士多德、阿基米德 013
第一推動·亞里士多德·給我一個支點·托勒密的地球中心說·《墨辯》·張衡的渾天說和地動儀
1.2 文藝復興時的力學——達·芬奇、哥白尼、開普勒、伽利略 017
達·芬奇的早期工程研究·哥白尼的太陽中心說·開普勒的天文數據與三定律·伽利略的運動學說與懸臂梁
1.3 質點力學——萬有引力與牛頓三定律 022
牛頓與《自然哲學的數學原理》·萬有引力與開普勒的天文數據·胡克與牛頓的爭論·牛頓力學的近現代推廣·力的解釋
1.4 分析工具——解析幾何、微積分與微分方程 027
笛卡兒坐標系·微積分與微分方程
1.5 哲學思考——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·量子坍縮·《原理》300年誕辰上力學家的道歉
參考文獻 031
思考題 033
第2章 拉格朗日哈密頓力學034
2.1 最小作用量原理與分析力學——分析的工具與程序 034
歐拉與變分法·最小作用量原理·廣義坐標、廣義速度與拉格朗日方程·動力系統·能量積分·格林的路徑無關
2.2 哈密頓力學——力學之美 039
哈密頓力學的創(chuàng)立·經典力學與量子力學·薛定諤對哈密頓的贊譽
2.3 諾特定律——物理世界的對稱性 042
哈密頓體系的對稱美·諾特定理、對稱性破缺與晶體缺陷·廣義能量力
2.4 哈密頓雅可比方法——力學的代數化 045
雅可比矩陣·神經網絡基本算法
2.5 熱平衡與熱力學三定律——過程的方向感 046
焦耳、克勞修斯的經典演繹·卡拉西奧多里的數學解釋·氣體動力學解釋·熱寂學說
2.6 阿諾德理論——力學與數學的完美契合 051
高維空間中的力學
參考文獻 052
思考題 054
第3章 理論力學與應用力學的分離 055
3.1 理論力學的發(fā)展——現代物理科學的脊梁 055
光的波動說與微粒說·麥克斯韋的電動力學·兩朵烏云·量子力學·相對論力學·規(guī)范場論與標準模型
3.2 應用力學學派——開創(chuàng)技術科學研究 061
應用性與優(yōu)雅性的爭論·哥廷根學派
3.3 固體與流體的穩(wěn)定性——從歐拉到柯伊塔 064
連續(xù)介質力學·歐拉穩(wěn)定性·小擾動影響與后屈曲·瑞利的液滴穩(wěn)定性·層流與湍流
3.4 邊界層與機翼理論——應用力學的范例 067
機翼與黏性·普朗特的邊界層理論·層流與湍流邊界層解·機翼理論與升力
3.5 湍流統計理論——隨機意義上的湍流分布律 069
湍流的統計學派
3.6 位錯理論——固體強度之穴位 072
晶體材料·位錯的表征
3.7 IUTAM的成立——全球力學組織的奠基 074
馮·卡門與伯格斯的貢獻
參考文獻 076
思考題 078
第4章 連續(xù)介質力學080
4.1 連續(xù)介質假設——微觀與宏觀的橋梁 080
連續(xù)介質假設·假設的有效性·星云假說·德拜蛇
4.2 連續(xù)介質的運動學——映射、變形、流形 082
拉格朗日描述與歐拉描述·變形與映射·變形協調條件
4.3 柯西應力張量——應力的雙輪馬車 087
柯西應力
4.4 守恒律——牛頓定律的連續(xù)介質化 087
力學場方程
4.5 本構定律——本構響應與公理體系 088
泛函表示·確定性公理·局部性公理·客觀性公理·物質對稱群·記憶衰減性·塑性與可塑性
4.6 能量方程——弱解的數學萬花筒 090
弱解·虛功原理·虛位移原理·虛應力原理·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·勢能原理·最小勢能原理·最小余能原理·兩個原理的關系
4.7 熱力學定律的連續(xù)介質化——微分型的理論威力 100
均勻熱平衡體系·熱平衡·熱力學第零定律·絕熱功·熱力學第一定律·準靜態(tài)過程·熱力學第二定律·熱力學的連續(xù)介質化·熵產出方程
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 106
思考題 106
第5章 固體與流體 108
5.1 固體與流體的定義——力學定義： 剪切為判 108
5.2 軟物質的定義——穿越流固之間 108
5.3 理想流體與真實流體——流者無形、黏者有滯 109
理想流體·牛頓流體
5.4 納維斯托克斯方程——橫跨三世紀的難題 111
5.5 渦與湍流——渦生無窮、湍擾萬維 113
理想流動的渦定理·湍流與轉捩·湍流結構理論
5.6 彈性體——經典之美 116
彈性的概念·彈性常數的爭論·彈性響應·超彈性·福伊特對稱性·晶體彈性·長鏈高分子·內能應力與熵應力
5.7 納維方程——巨匠之力 124
5.8 平面應變與平面應力問題——平面之簡 126
5.9 塑性體——集缺陷運動之大成 128
塑性行為·應力應變曲線·一維理論·三維理論·彈性區(qū)與屈服面·應變率的加法分解·最大塑性功原理·證明·金屬塑性
參考文獻 136
思考題 137
第6章 計算與實驗 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·數值耗散與數值色散
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·應用
6.3 分子動力學計算——牛頓力學的原子模擬器 145
分子運動論·應用舉例·基本方法·原子間作用勢·局限性與挑戰(zhàn)
6.4 機械量測——表征基本力學性能 149
機械量測·拉伸·振動·沖擊·疲勞
6.5 聲學量測——由振動感知物質世界 152
聲學參數測量·超聲無損檢測·超聲顯微技術·超聲立體顯示·超聲指紋傳感器
6.6 熱學量測——度量無序的躁動 156
熱學參數量測·接觸式熱量測·熱電偶·非接觸式熱量測·熱沖擊·熱疲勞·熱燒蝕
6.7 光學量測——絢麗的光影 160
光學參數量測·光彈性法·散斑法·云紋干涉法·顯微光學法
6.8 電學量測——把握力與電的轉換 167
電學參數量測·電阻傳感器·電容傳感器·渦流法
6.9 磁學量測——探究磁場的擾動 170
磁場量測·磁場構建·磁滯回線·磁感應加熱
參考文獻 172
思考題 174
第二篇 力學今生——力學2.0：學科的輻射
第7章 飛行器力學179
7.1 機翼理論與空氣動力學——形成工程科學的方法論 180
升力與阻力·邊界層理論·機翼理論·邊界層厚度·邊界層方程·分離和轉捩·邊界層增厚與熱邊界層·普朗特的傳承·信息與智能時代的飛行器
7.2 大飛機與尺度律——極致的結構優(yōu)化 186
平方/立方尺度律·結構優(yōu)化與減振·健康監(jiān)測·減阻·風洞
7.3 航空發(fā)動機——熔點之上的不滅金身 188
航空發(fā)動機的類型·噴氣發(fā)動機·渦噴/渦槳發(fā)動機·渦扇發(fā)動機·發(fā)動機效率·槳扇發(fā)動機·渦軸發(fā)動機·自適應發(fā)動機·高溫力學
7.4 高超飛行： 乘波體與超燃發(fā)動機——浪跡空天的飛舟 193
高超飛行·沖壓噴氣式發(fā)動機·吸氣式沖壓發(fā)動機·高超聲速實驗·高超聲速力學
7.5 數字化裝配——數字與力學的交響曲 198
制造與裝配·人民空軍的逆襲
參考文獻 200
思考題 201
第8章 機器人動力學202
8.1 機器人概述——從科幻到現實 202
羅梭的萬能工人·宇航工程機械師·阿西莫機器人·DARPA機器人挑戰(zhàn)賽·動力機器人·機器人系統總成
8.2 剛體動力學——建模的力學要素 208
剛體機構建模·歐拉角·坐標系轉換·角速度·四元數與萬向鎖·正逆運動學·剛體動力學·動力塑造
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·線性系統與狀態(tài)空間·時域分析與頻域分析·伯德圖·可控性與可觀察性·線性系統反饋控制與狀態(tài)估計·LQR控制器·卡爾曼濾波
8.4 動力機器人控制——模型預測控制的應用 229
層級控制架構·混合動力學系統控制·雷伯特控制器·模型預測控制·獵豹四足機器人控制
參考文獻 233
思考題 234
第9章 微納力學236
9.1 物理力學——橫跨連續(xù)介質與原子尺度的力學236
連續(xù)性假設的局限·物理力學·固體強度·計算與仿真·顯微實驗力學·電磁流體力學
9.2 細觀力學——探索細觀結構的演化規(guī)律 240
細觀尺度·細觀結構·晶體塑性·孿晶·位錯理論·位錯動力學·細觀損傷力學
9.3 微納電子器件——納米力電學的應用 245
電子封裝·層裂與爆米花效應·電遷移·穿層位錯與共格應變·應變工程·二維材料·范德華力·卡西米爾力·布朗運動
9.4 微納流體力學——分子自由程與分子作用力 251
微納尺度流動·克努森數·毛細現象
9.5 微納傳熱學——熱載流子與統計溫度 254
微納導熱·微納傳熱理論·微納傳熱實測·二維材料傳熱
參考文獻 256
思考題 258
第10章 材料的力學259
10.1 晶體塑性——晶格畸變與物質滑移 259
彈性與塑性·單晶體塑性·多晶體平均·織構
10.2 斷裂力學——場強與耗能的綜合 264
理論強度與斷裂力學·斷裂類型·格里菲斯理論與能量釋放率·應力強度因子與斷裂韌性·彈塑性斷裂力學·J積分·HRR場·斷裂過程區(qū)·尺度關系
10.3 復合材料力學——硬相與軟相的優(yōu)化組合 270
復合連通度·樹脂基復合材料·金屬基復合材料·陶瓷基復合材料·碳/碳復合材料·多鐵材料
10.4 軟物質力學——流體與固體的過渡 274
軟物質·增韌·增韌型水凝膠·功能軟物質
10.5 跨層次力學——不同物質描述層次的穿越 278
細觀與納觀·第一性原理計算·握手區(qū)
10.6 低維材料力學——極限維度與極限性能 280
低維材料·石墨烯力學·石墨烯納米帶力學·碳納米管力學
參考文獻 285
思考題 289
第11章 工程力學291
11.1 結構力學——承力骨架 291
結構靜力學·結構完整性·結構動力學
11.2 地震動力學——斷續(xù)體的波動力學297
地幔動力學·斷層·地震·震級·地殼的破裂速度·地震模擬·地震的前兆
11.3 風沙力學——兩相流的湍動 301
風與沙的兩相流·湍流邊界層·沙塵暴·起沙·沙塵電·全場觀測野外陣列·沙面演化與沙丘
11.4 環(huán)境力學——力學的共融之道 304
毛細作用·吉布斯湯姆森效應·未凍水·泥沙理論·泥沙起動·泥石流·河流污染·氣溶膠
11.5 巖土力學——非正交塑性流動 309
巖土·巖土工程·本構描述·剪脹與壓力敏感·非正交流動律
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
11.7 盾構力學——大地深處的破壞力學312
盾構施工法·盾構施工的力學
參考文獻 313
思考題 314
第12章 流程力學315
12.1 多相流——多相介質的傳質與傳熱 315
流程工業(yè)·多相流·反應過程·燃燒過程
12.2 多尺度模擬——力之貫通與流之協調 317
連續(xù)介質尺度·細觀尺度·氣體動力學尺度·宏細微觀模擬
12.3 流變學——流者恒流、變者善變 320
流變體·本構模擬·率相關流變過程
12.4 力化學——力場下的化學行為 323
反應熱力學·反應動力學·催化過程
12.5 壓裂過程——大地深處的斷裂與滲流 325
壓裂·定向井與叢式井·水平鉆井·水力壓裂·滲流
參考文獻 328
思考題 329
第13章 制造力學330
13.1 成形力學——壓應力主導下的塑性流動 330
壓力加工·壓力加工原理·應力狀態(tài)·摩擦與潤滑·型腔控制
13.2 相變力學——材料組織的再造 332
材料的相圖·相變熱力學·液態(tài)凝固的形核與長大·過冷與冷卻過程圖·相變動力學·固態(tài)相變·馬氏體型相變·塊型轉變·有序無序轉變·亞穩(wěn)分域·軟�！ぎ犠儭は嘧儜�力·形變能·回復·再結晶·外延生長
13.3 材料加工——塑性流動與局部化 339
切削·沖壓·擠壓·鍛壓·軋制
13.4 裝甲力學——矛與盾之歌 342
高速碰撞·侵徹·穿甲過程·破甲過程·穿透深度·復合裝甲·反應裝甲
參考文獻 348
思考題 349
第14章 交通力學350
14.1 船舶流體力學——流線與波浪 350
流線型·流體阻力·摩擦阻力與壓差阻力·球鼻艏劈波·波浪理論·伯格斯方程·波浪與船舶的相互作用·減搖·橫傾·舟自橫·船舶/海水界面·艇槳舵系統·氣墊船·水翼船
14.2 船舶結構力學——從骨架式到框架式 356
船體的龍骨設計·密封艙體技術與低應力脆斷·潛艇的耐壓性、續(xù)航性與靜音性·潛艇的主承力艇體設計
14.3 潛艇的減振降噪——從敲鑼打鼓到洋底寂舟 358
機械振動噪聲與水流動力噪聲·動力系統減振降噪·浮筏隔振·螺旋槳設計·低頻振動與群模式·槳鰭舵一體化設計·數值潛艇
14.4 高鐵動力學——速度的力之歌 360
高速列車的分布式動力驅動·列車的氣動阻力·高速列車的升力與脫軌系數·高速列車與基礎結構的動力相互作用·高速列車的減振設計與舒適性
14.5 高鐵可靠性——血染的理論 363
行車網與信號安全控制·運行線路的防沉降設計·輪軸的高周疲勞可靠性
14.6 輪軌關系——碰撞導致的蠕滑與振動 365
輪軌關系·垂向運動·橫向運動·輪軌碰撞力學·蠕滑·橫向穩(wěn)定性·曲線通過理論·防脫軌設計·抑制輪軌接觸碰撞振動
14.7 汽車力學： 動力鏈——吸壓燃排的四重奏 368
汽車發(fā)動機·四沖程汽油機·汽車排放·輪胎·抓地性
14.8 汽車力學： 成形加工——壓力變形的精準控制 373
大型結構件的鍛壓加工·板材加工·機器人裝配線與工業(yè) 4.0
14.9 汽車力學： 輕量化——比強度與塑性動力學374
輕量化·鋁合金·鎂合金·碳纖維增強復合材料·交通事故·耐撞性
參考文獻 380
思考題 381
第15章 運動力學383
15.1 運動的力學測量——運動學狀態(tài)的閃照 383
運動體的測量·三維重建技術·“華南虎”照片的鑒定·激光測速與激光測角·高速攝影運動分析·光學相干層析成像
15.2 運動的流體力學——憑流而翔 390
香蕉球·奧運的皮劃艇設計·賽艇的前進力·泳姿的進步·劃臂動作
15.3 運動的減阻——邊界層的功效 394
高爾夫球·“鯊魚皮”泳衣·冰雪運動·摩擦阻力
15.4 高性能運動器械——彈性與儲能 398
設計原則與選材·撐桿·球拍·蹦極
15.5 彈道動力學——射擊者的制勝軌跡 402
彈道設計·彈膛內推進過程·彈道動力學控制
參考文獻 406
思考題 408
第三篇 力學前瞻——力學3.0： 學科的嬗變
三元世界
第16章 生命力學415
16.1 生命體中力的產生——力之源泉 415
分子馬達·希爾模型·橫橋動力學模型
16.2 康復力學——應力與生長 417
康復力學·生物力學·應力與生長
16.3 細胞力學——細胞與分子層次的力生物學 419
力生物學·力學化學耦合·紅細胞的拉伸·細胞通道·細胞凋亡·基因編輯·生命體修復
16.4 生命體的柔性電子診測——人機界面的多物理對話 421
柔性電子·可延展性·島橋結構·柔性醫(yī)療器械·界面多物理對話·多尺度力生物學
16.5 腦科學——意念、信息、質流三元聚頂 424
腦核磁·腦機接口·腦起搏器·智慧軟物質·類腦計算·神經元激發(fā)·意念力·擴散張量影像·神經網聯·智能介質力學
16.6 生命力——源與泉 430
生命力的三方面·四種關聯形式
參考文獻 432
思考題 434
第17章 信息力學436
17.1 物理時空與信息時空的關聯——信息力學與牛頓力學的相似性 436
時空觀·驅動量·作用力·熵·介質·基本規(guī)律·缺陷·破壞·隔離·外界作用·轉變
17.2 虛擬現實關聯——數字孿生與混合增強 440
虛擬影像·數字孿生技術·混合增強·虛擬實驗技術
17.3 數據驅動——數據的流與力 443
大數據研究·數據類型·數據的統計性·數據驅動與傳播·數據驅動的力學研究
17.4 CPH三元互動——智質志融合 445
信息物理系統·三元智質志融合
17.5 人工智能緣起——三個力學來源與組成部分 446
人工智能的三個來源·力學信息學
參考文獻 449
思考題 450
第18章 數據學習與數據驅動機器人 451
18.1 深度學習——向深度發(fā)掘的函數構造方式 451
視覺識別·深度前饋網絡·卷積神經網絡·循環(huán)神經網絡
18.2 最優(yōu)控制與強化學習——沿不同角度： 嘗試，失敗與反思 457
最優(yōu)控制·強化學習
18.3 步態(tài)學習——足式動物的力學智慧 461
步態(tài)行為·步態(tài)轉換·步態(tài)動力學模型
18.4 生物的數字孿生體——數據驅動的步態(tài)自適應生成 464
生物的數字孿生體·運動步態(tài)·監(jiān)督學習·步態(tài)生成算法
18.5 數據驅動的足式機器人——由虛擬走向現實 466
新的挑戰(zhàn)·深度強化學習·靈巧操作算法·向實際機器人遷移·數據驅動四足機器人·深度模仿學習
參考文獻 472
思考題 473
第19章 社會力學475
19.1 社會物理學——機械世界觀的問世 475
機械世界觀·社會力學·社會生產力·社會統計學·社會物理學·社會實驗室
19.2 社會體的連續(xù)介質描述——社會介質的時空觀 478
社會空間·社會介質·連續(xù)介質描述·社會化學·廣義軟物質
19.3 社會韌性與社會安全——社會介質的斷裂與修復 481
韌性·社會韌性·可恢復性·力學描述·雙網絡·自然災害·社會倫理·水凝膠模型
19.4 社會的多層次跨界流動——多相流力學486
人口動力學·多相流·社會可塑性·城市 3.0
參考文獻 490
思考題 492
結束語 493
力學之先行 493
力學之廣袤 494
航空航天·武器裝備·高端裝備·基礎設施建設
力學之交叉 496
數據動力學·物理力學·力學與材料·力化學與環(huán)境力學·生命力學·智能介質力學·研究命題的交叉
力學之根骨 500
力學之未來 500
參考文獻 501
思考題 502