Hopkinson杆和Hopkinson的故事

Hopkinson杆和Hopkinson的故事

余同希

香港九龙清水湾 香港科技大学 机械工程系

 

文摘:许多工程问题需要我们测定各种材料在高应变率下的力学特性。为达致这个目的,分离式Hopkinson杆是现今世界上公认最成熟的、应用得也最广泛的现代实验技术。这套装置的构型并不复杂,却能有效地获得大多数工程材料在每秒102-104的高应变率下的应力应变曲线。这种实验装置的名称源自最初提出相关创意和原始设计的英国剑桥大学工程科学教授B. Hopkinson。其实,B. Hopkinson追随他的父亲J. Hopkinson献身于工程科学,还有一段非常动人的故事。

 

关键词:分离式Hopkinson杆;冲击;爆炸

 

在汽车、航空、航天、海洋、核电、兵器及防护等工程领域中,许多结构和器件经常会受到高速冲击或爆炸等强动载荷的作用,因此在设计中必须考虑所采用的材料在高速变形时(即高应变率下)的机械性能和力学响应。为了确定各种材料在高应变率下的力学特性,应用得最广泛也最成熟的现代实验技术称为分离式Hopkinson杆技术(Split Hopkinson Bar Technique)。

典型的分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)装置如图1(a)所示。被测试的材料的一个小试件(通常做成圆柱形)放置在两根细长的圆柱形杆件之间;在实验中,受压缩气体推动加速的一根细长子弹(或称撞击杆)高速撞击到其中一根长杆(入射杆)的端头,撞击所产生的压缩应力波沿输入杆传播到输入杆与试件的界面时,一部分发生反射,另一部分则穿过试件一直透射到另一长杆(透射杆)中去继续传播。由于应力波在试件两端的多次反射,很快就能在试件内建立一个近乎均匀的应力和应变状态。从两根长杆上粘贴的应变片测出动态应变(图1(b)),再根据应力波理论就可以推算出使试件发生快速变形时的应力,应变和应变率,进而得到所测材料在高应变率下的应力应变曲线。应用分离式Hopkinson压杆技术,对大多数工程材料能获得应变率高达每秒102-104下的应力应变关系。

除了分离式Hopkinson压杆以外,在过去几十年中世界各国的研究者们还先后设计出分离式Hopkinson拉杆和分离式Hopkinson扭杆,分别利用拉伸波和扭转波来测定材料在高速拉伸和高速扭转条件下的力学性能。

 

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(a)    典型的分离式Hopkinson压杆装置

 

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(b)   应变片测出的动态应变

图1

 

为什么这一类实验装置都被叫做Hopkinson杆呢?这不能不从英国工程科学史上的重要人物Hopkinson父子说起。

从19世纪末到20世纪初,Hopkinson父子二人可以说是工程科学界影响重大的人物。父亲名叫John Hopkinson(图2),1849年出生于曼彻斯特一个纺织工程师的家庭,从小就显示了出众的数学天赋,并于1871年在剑桥大学著名的三一学院(Trinity College)获得数学学位。毕业后,他的兴趣转向将数学用于工程实践。当时物理学家Maxwell建立了电磁波理论;John Hopkinson尽管经济上不宽裕,还是把他家的两个房间改建成实验室,在里面进行电磁学的实验。他和弟弟一起研制出实用的交流电动机和同步电机,并获得三相发电机的专利。由于这些突出的成就,John Hopkinson被遴选为英国皇家学会院士(1877),获聘为伦敦国王学院的电工教授(1890),并且两次(1890和1896)被推选为英国电机工程师学会的主席。目睹剑桥大学卡文迪许实验室在实验物理研究上的巨大成功,他又积极呼吁和策划在剑桥大学创建一间高水平的工程实验室。

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图2  John Hopkinson

John Hopkinson酷爱户外运动,早在剑桥三一学院读书的时候,他就担任学院划艇队的队长,并曾带领划艇队在著名的一英里划艇大赛中获胜。后来,他常同朋友和家人去登山。1898年夏天,他带着两个儿子和两个女儿去瑞士攀登阿尔卑斯山,除了长子Bertram Hopkinson(见下)因其律师事务先行离开了之外,他和其他三名子女全都在8月27日的登山事故中不幸罹难。

这场灾难后,他的遗孀没有被悲痛所击倒,而是决定继承他的遗志,捐出5000英镑个人财产在剑桥大学建立工程实验室。这个实验室建在剑桥大学的新博物馆校区,剑桥大学专门在该处建筑物的墙上立了一块纪念牌来纪念John Hopkinson这位工程实验室的先驱者。时至今日,如果你去到剑桥的Free School Lane,仍然可以见到这块纪念牌(图3)。

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图3  位于剑桥Free School Lane的John Hopkinson纪念牌

 

Bertram Hopkinson(图4)是John Hopkinson的长子,生于1874年。他同样以优异成绩毕业于剑桥大学的三一学院,并选择了专利律师为职业。1898年夏天,他亦随同父亲,弟妹一起去瑞士登山。其间,为处理业务而提前离开瑞士,在去澳洲的途中听到登山队的噩耗。回到英国后,他毅然决定放弃待遇优渥的律师职业,以继承父亲在科学研究和工程教育领域内的未竟事业。他首先参与了英国几个城市的有轨电车的设计,并因管道电解的实验研究获得英国土木工程师学会的金奖。1903年,他从几位竞聘者中脱颖而出,获聘为剑桥大学的机构学与应用力学讲座教授。此时他才29岁,虽然没有教学经验,但已在工程实践中显示了出众的才华。此后15年中,他以极大的热情领导刚诞生不久的剑桥工程系,在工程教学和实验室建设方面亲力亲为,对工程系的发展贡献良多。

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图4  Bertram Hopkinson

 

Bertram Hopkinson本人的研究兴趣主要集中在燃烧、爆炸和冲击这些在工程上广泛应用而当时所知甚少的领域。一位名叫Harry Ricardo的学生在他的鼓励下由学习土木工程转向研究内燃机,后来成就卓著而享有盛名。

为了解钢丝在突然施加的强动载荷下的性能,Bertram Hopkinson设计了一个实验:把一根钢丝上端固定在实验室的顶棚上,下端连接一个砝码盘,然后将一个中心有孔的砝码从高处沿着钢丝滑落撞击到砝码盘上,观察砝码的重量和下落高度对钢丝的断裂与否以及断裂部位有什么影响。从实验中观察到一个很有趣的现象:当砝码下落高度(也就是它的撞击速度)达到一个临界值时,钢丝在上端(即固定端)发生断裂;若进一步增加下落高度,钢丝最终在下端(即撞击端)发生断裂。这个实验在世界上第一次证实了材料在动载下的强度比静态强度为高,它不仅引起了人们对材料动态性能的浓厚兴趣,而且启迪了后人建立弹塑性应力波传播理论。

测定炸药爆炸产生的载荷脉冲在当时更是一个难题。为解决这个难题,Bertram Hopkinson萌生创意,设计了一种被称为Hopkinson杆的装置(图5)。图中的炸药被雷管引爆后,产生的压缩应力波沿着长杆向右传播。该压缩波在长杆右边的自由端反射后变成拉伸波,使得飞片脱离压杆,携带着一定的动量向右飞去。测量悬置在右方的单摆受到飞片撞击后的摆动,便可以算出飞片携带的动量。再通过多次改变飞片的厚度,就能够确定爆炸产生的脉冲的形状和强度。

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图5  用于标定爆炸物产生的载荷脉冲的Hopkinson杆

在应变片,示波器和光学测量技术均尚未问世的20世纪初,Hopkinson杆的装置为标定爆炸物产生的载荷脉冲提供了一种相当简单而又有科学根据的方法。回顾这段工程科学的历史,我们怎能不为Hopkinson的天才创意和巧妙设计而折服呢?

进入1910年代,欧洲被战争的阴云所笼罩。于是Bertram Hopkinson开始倾力投入与国防有关的科学研究,例如对内燃机、火焰,以及子弹对钢板的撞击的实验研究;他还领导推动了一批国防应用课题,例如为军舰的船体加设防雷外壳,以及为飞机设计炸弹和投弹装置,等等。第一次世界大战爆发后,尽管当时他已经比飞行员的平均年龄大一倍,仍毅然决然地学习飞行。为了更好地理解飞行员所需的技术支援,他尝试在夜间和恶劣天气中飞行及在云中巡航。由于精湛的专业知识和全心全意的奉献,他在空军中从上尉一直升到上校(图6)。

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图6  戎装的Bertram Hopkinson与他的战斗机

不幸的是,厄运又突然降落在他的身上。1918年8月26日,他驾驶的Bristol战斗机在飞往伦敦的途中因气候恶劣而失事。此时他年仅44岁,殉难的日子同他父亲和弟妹在登山事故中去世的日子几乎正好相距20年!难道这就是才华横溢的Hopkinson家族的宿命吗?

在Bertram Hopkinson的葬礼上,剑桥大学工程系的前任系主任Ewing教授致词说,Bertram从来没有为自己寻求什么,他的全部精力都奉献给了国家的利益,并且随时准备牺牲自己。

当年Bertram Hopkinson设计的Hopkinson杆,在1949年前后经过Davis和Kolsky等人的重新构思,以及后来许多研究工作者的不断改进,添加了应变片和动态信号采集系统,逐渐演变成了今天普遍使用的分离式Hopkinson杆。现在,分离式Hopkinson杆同高速摄像,光力学散斑技术以及有限元动态数值模拟结合在一起,已经成为力学家和材料科学家研发新材料的不可或缺的有力工具。

回顾Hopkinson杆测试技术的发展历史,我们在为Hopkinson父子的命运感叹的同时,更为他们的理想情怀与敬业精神而感动。可以说,没有一批优秀科学家的这种百折不挠的奋斗和前赴后继的献身,任何科技创新的口号都只能是一句空话。

 

 

Hopkinson Bar and Hopkinsons’ Story

YU Tongxi*

Department of Mechanical Engineering, Hong Kong University of Science and Technology

Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, P.R. China

 

Abstract: With numerous applications in impact and explosive engineering, Split Hopkinson Bars have been recognized as the most powerful and most widely adopted experimental technique in characterizing dynamic properties of engineering materials under high strain rate ranging in 102-104/s. The name of Hopkinson Bar comes from the designer of its prototype, B. Hopkinson. This article reveals an impressive story of how B. Hopkinson followed his father’s step to devote his whole live to the engineering science and practice.

Key words: Split Hopkinson Bars; impact; explosion

 

* Yu Tongxi, PhD, Chair Professor, Impact dynamics and Plasticity, E-mail: metxyu@ust.hk

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壳体简史

壳体简史

孙博华

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  孙博华, 南非科学院院士. 主要研究复杂结构、壳体力学和复杂流动等, 入选《2010年海外华人十大新闻人物》.

摘要

壳体可以简单地看作成弯曲的板,它具有比较优越的力学特性,本文简单介绍了薄壳壳体和旋转壳理论的发展历史, 同时评述了壳体解析理论的复变量方法和位移场方法。

 

关键词: 薄壳, 旋转壳,柱壳,球壳,锥壳,环壳

 

Brief History of Shells

Sun Bohua

Cape Peninsular University of Technology,Cape Town, South Africa

 

Abstract

The shell structure can be simply viewed as a curved plate, the shell has some advanced feature of mechanics. The brief history of shells research has been presented. The thin shells and shells of revolution have been reviewed. The analytic approaches of complex-variable and displacement field have been discussed.

 

Keywords: thin shell, revaluation shell, cylindrical shell, circular shell, toroidal shell

 

, 引言

人类在与自然的和谐共处中, 逐渐认识到利用各种不同形式的结构可以承受各种不同的荷载, 或是跨越一定跨度的空间距离.人们首先认识到索和梁可以承载荷载, 逐渐又发现了柱,桁架,拱和其他结构形式, 相应的理论也逐步建立起来。

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ranz Dischinger

由于人类对于工业的要求, 已有的结构形式不能满足大跨度,重荷载等方面的要求. 解决这些问题的一个途径就是利用结构的空间形式和性能. 壳体结构就是其中一种优越的空间结构形式[1-5]

壳体的曲面特点具有十分优越的力学性能,如果设计得合理可以以较小的厚度承担起相当大的载荷。在这方面它比平板要优越的多,其所提供给设计者的优越性大致可以以拱代梁相似。壳体的这种性质使它可以用来制造很轻而又有足够强度的结构物,并使这类结构广泛应用于飞机制造,船舶制造和钢筋混凝土结构的建造中. 壳体成为以重量小承载大结构的一种最佳选择形式。

现代把壳体作为承重结构主要归功于1900年开始的预应力混凝土技术,经过1900-25结构理论的发展积累, 在德国出现了由Baursfield和Franz Dischinger (他是我国著名力学家张维先生的老师)设计的Zeiss-Dywidag薄壳结构。这个时期也是壳体结构数学理论走向技术或应用理论的发展。 可以这样说, 薄壳结构大规模的应用首先是从德国开始的[1]

 

, 壳体理论的发展

弹性力学中所谓的“壳体”是指两个曲面所包住的薄型物体,其曲面间的厚度较物体其他尺寸要小的多,生活中可以把壳体看出为弯曲的板. 距两表面等距点的轨迹称作“壳体的中面。在中面上任意点作垂线,垂线被曲面所截割的一段长度被定义为壳的“厚度”。一般来说厚度可以是变量,等厚度的壳体在实际中最常见。中面、厚度及边线合起来完全决定了壳体的几何形状。作为弹性力学的一个分支,壳体理论的任务就是研究壳体在已知载荷作用之下的变形[2,4]

经典平板理论有两种解决问题的主要办法。第一种方法是A.Cauchy和S.Poisson提出的,第二种方法K.Kirchhoff提出的。A.Cauchy和S.Poisson的方法的基础是把板的所有位移和应力展成z(从板中面到点的距离)的级数。在这种级数中保留尽可能少的项,就可得Sophie Germain方程(她受到德国Gauss的影响),保留较多的项就能随之得到较精确的平板理论。最后若在级数中保留无穷大项,就会得到精确解。A.Cauchy和S.Poisson的方法是平板理论的一般方法[2,3,4,5]

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Kirchhoff

Kirchhoff所提出的平板理论由于物理概念明确,很快就得到了公认并一直使用。Kirchhoff采用了类似直梁理论中的一些假定,他的假定可归纳为下列几点:a)变形前垂直于中面的直线在变形后还是直的,并与挠曲了的中面垂直,而且其长度不变。b)平行于中面的面素上的法向应力与其他应力相比较可以忽略[2,3,4,5]

Kirchhoff提出的板模型比A.Cauchy和S.Poisson的优越,因它有更大的直观性和明确的物理概念:理论的基础是一种简化,这种简化具有明确的物理意义,并且十分明显的继承了为实验所验证的弯曲理论。引进了内力和内矩的概念使平板理论和梁的理论更加接近,并且最后明确了平板的边界条件问题[4,5]

Navier研究了旋转薄膜壳体问题. 1833年Lamé和Clapeyron计算了球壳在内压和外压下的应力和变形问题, Lamé于1854年又完成了在任意分布荷载下的球壳变形届. 以克希霍夫Kirchhoff的假定为基础的壳体静力和动力理论最早由Hermann Aron (1845-1913)于1873年试图建立起来。不过他的推导有些不准确性,在14年后A.Love给予纠正, 并收录到他的名著A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity中, Love导出了在最后形式上与克希霍夫的平板理论相似的壳体理论。几乎在同一时期, 诺贝尔奖获得者Lord Rayleigh也独立发表了有关壳体理论的论文, 并记录在其著名著作Theory of Sound中。

Love壳体理论推导有缺点,即他对待微小量前后不一致:一部分微量被保留下来,而另一部分同样的微小量却被弃掉。在壳体理论中应如何写出内力,力矩与中面变形之间的相互关系没有明确, 以致造成这一理论的方程在很长时间内没有标准写法。1890年Sir Horace Lamb使用新的符号改进了Love壳体有关公式使得壳体理论可以让工程师接受[4,5]

在壳体的内蕴或内禀(Intrinsic)理论中[6-9], 不使用位移作为未知量, 而使用度规的变化(即中面拉伸变形)和曲率的变化(即弯曲变形)作为未知量, 壳体的内禀理论和变形协调关系是Lure(1940)完成, 同时Synge和钱伟长(1941-1944)[6]也独立完成内禀理论, Synge-钱的理论更加系统和有知名度. 钱伟长[6-9]在微观分析中采用了一种全新的坐标系——以中面为基础的拖带坐标系(co-moving coordinates),引进了中面的拉伸变形张量和弯曲变形张量共六个未知量是内禀理论的基本未知量. 基本未知量满足的三个相容方程可由曲率张量满足的条件得到,而另外三个方程是平衡微分方程,从而形成完整的张量方程式。所提出的内禀理论适合于各种不同的坐标系及各种不同形状的薄壳和薄板问题。根据板壳特征尺度与曲率半径之比及其与相对厚度的关系,对薄板薄壳进行详尽细致的分类。钱伟长[7-9]确定了12类薄板问题和35类薄壳问题,均用六个方程(三个平衡方程、三个协调方程)加以描述,这些方程涵盖了常见的小挠度方程以及一些已知的大挠度方程。

应当指出, 由于壳体的内蕴或内禀理论不使用位移作为未知量, 而使用度规的变化(即中面拉伸变形)和曲率的变化(即弯曲变形)作为未知量, 这对于理论分析比较有用, 但由于实际问题因为一般都要计算位移和利用边界条件, 而内禀理论就很难用度规的变化(即中面拉伸变形)和曲率的变化来表达边界条件, 这可能是内禀理论后来没有得到应用的一个原因.

对壳体理论协调条件的是由Goldenveizer(1939)[10]完成,他第一次表达了壳体小变形的线性连续条件或称变形协调条件.非线性协调方程是由Galimov(1953)导出, 并于1966年由Koiter改正. 从微分几何的角度看, 变形协调条件本质就是变形后曲面的高斯-科达奇(Gauss-Godazzi)条件或者说是壳体变形的Riemann张量为零的条件。

1934年德国的Wilhelm Flügge 出版了有关壳体的第一部专著 Statik und Dynamik der Schalen[2] (壳体的静力学和动力学). 荷兰W. T. Koiter (1945)建立了壳体的线性一致理论和非线性壳体理论, 但由于使用荷兰语发表到了很晚才被知道. 1949年Zerna建立以位移为未知量的壳体弯曲理论, 后来他与A.E.Green合作使用张量系统导出壳体一般理论。

著名力学家,世界第一部壳体专著的作者W.Flügge曾说:“在连续介质力学领域中,张量分析最精彩的应用之一是壳体一般理论。”[2] 而壳体理论的建立需要曲面的一般理论。

德国学者在完成薄壳理论方面起到关键性的作用, 主要是由于二个方面的原因. 一是因为德国学者Kirschhoff物理上提出了能反映壳体变形本质的假设, 即变形前的直法线在变形后为直线。这个力学假设较好的反映了薄壳的变形本质, 极大的简化了问题的力学模型; 第二个原因是壳体模型需要的微分几何已经由德国数学家构造好了. Kirchhoff的老师高斯(Gauss )以及高斯的学生黎曼(Riemann)完成了曲面理论. 壳体由于是曲面, 要建立它的力学就必须首先建立曲面上的几何学, 这些数学工具都由Kirchhoff的老师高斯和同学黎曼准备好了。

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J.C. Gauss

壳体按几何形式可以各种各样有比较一般的旋转壳,常用的有球壳、柱壳、锥壳、环壳和抛物旋转壳。球壳和柱壳由于其曲率是常数比较容易求解。锥壳[1112]、抛物旋转壳[13]和环壳[14]的曲率是变的,问题比较难处理。

 

, 旋转壳的研究

德国学者Hans Reissner对球形壳体计算首先取得重大的成就,H. Reissner把描述这种壳体对称变形的微分方程转化为简便的形式,随后Blumenthal (1913)帮助Reissner利用渐进法求解了方程。那时Hans Reissner发现了有可能用复数变换的方法降低该问题的微分方程的阶次,把受对称载荷的球形壳体的计算归结为积分一个不超过二阶的微分方程。紧随着,苏黎世的Eric Meissner就把上述结果成功地推广到任意形状的(甚至变厚度的)旋转壳体的对称变形上去[2,4,5]. 德国-苏黎世学派的这些结果不便于实际应用,他们的精确解通常是用超越几何级数表示, 在当时计算超越几何级数是件非常困难的事。

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Hans Reissner

旋转壳体对称变形方程(基于忽略量级等于及高于@@B2(1MFQ3BUFS[QPG@$BX9的各项,h 是壳体厚度,R是壳体特征曲率)的近似积分方法是J. Geckeler(1926)提出, 用叠加无矩方程解与所谓“边缘效应”方程的解[2,4,5].

受非对称载荷的旋转壳体的计算要比较复杂,其中最重要的是“风型”反对称载荷。对于球形壳体,这种问题曾在E.Schwerin (1919)的学位论文中得到解决,他按照自己的老师Meissner和Hans Reissner把微分方程加以变换,力求获得在给定情况下收敛得好的超级几何级数形式的解,发现了两个直接积分以及复数变换的可能性. Novozhilov[5]把复变量方法推广到任意形状的旋转壳体。当壳体理论方程写成复数形式时其阶数降低一倍,复数形式的旋转壳体方程可归结为二个变量(复数辅助函数)的方程组。

将壳体方程化成复数形式是有条件的, 条件是:1. 壳体中曲面的变形协调方程与壳体元素的平衡方程是完全对称的,即存在静力一几何相似;2. 复数变换在内力一力矩和中曲面的变形间的关系,即本构关系具有一定形式才能进行。由于将壳体方程化成复数形式的方程应具备以上两个条件,就使得这种方法具有一定的适用范围,它只能用来处理等厚度环壳的弯曲问题, 它不能一般的推广到变厚度壳和各向异性壳上,它不能用于壳体动力学问题以及壳体的稳定性问题,在壳体的非线形理论中也没有复变量变换。就是说在一般情况下不存在静力一几何相似, 也就是说没有可能通过引入复变量将平衡方程与变形协调方程合并[2,4,5]

 

三、有关壳体解析理论的复变量方法[5]和位移场方法

一般情况下壳体的主曲率不是常数而是变数,这样中面的应变和曲率变化都是变系数的,最终导致控制方程都是变系数的,非常难于求解。为了解决求解的难题,百年以来国际上一直使用力复变量方法将弯曲问题的方程简化降阶,所得结果的待定常数对于只有力学边界条件的问题比较好确定,但对于有位移边界条件的问题就非常难于确定,因为这时求解位移一般还需要积分过程而复杂函数的精确积分一般很难求得,所以一方面通过引入力复变量简化了方程得到了解但在求解位移时的积分难度又将前面简化的劳动成果抵消了许多,甚至有些函数的积分根本就得不到解析表达而不得不使用数值方法。另外一个本质缺陷是这种引入复变量的方法只能用来处理弯曲问题,不能用来处理振动和屈曲特征值问题,因为可以引入复变量的静力-几何比拟条件对特征值问题一般是不成立的。所以一般的处理壳体问题使用位移场作为基本变量是最受欢迎的,其优点是在求得位移场后使用微分就可以求得应变场,微分运算比积分要容易的多,同时位移场方法可以统一的处理静力、动力和屈曲问题。虽然位移场方法有以上优点但其缺点是方程组更为复杂更难求解,所以自有壳体理论以来,除了等厚度园柱壳有位移场解外,壳体理论发展的百年来以来都没有锥壳和环壳等的任何位移场解,直到近年来才有[12](1989)给出了扁锥壳位移场,[13](1996)给出抛物旋转壳体的位移场[14](2010)]给出细环壳位移场,。但是,对于非扁的壳体即深壳体,如何求其位移场解是壳体理论建立以来一直存在的数学难题。

 

致谢

本人感谢硕士导师黄义教授把我引进壳体领域特别是锥壳的研究,感谢博士导师叶开沅教授引导我从事非线性力学和组合结构的研究,感谢博士后导师张维院士引导我从事环壳等方面的研究。 愿以此文特别怀念张维和叶开沅二位先生.

 

参考文献

[1]    张维,壳体结构概论,北京力学会,北京,1962年。

[2]    Flügge  W, Statik und Dynamik der Schalen, Spinger-Verlag, Berlin,1938.

[3]    Timoshenko, S.P., History of Strength of Materials, McGraw-Hill Publishing Co., New York, 1953.

[4]    Love, A H., A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity, University of Cambridge, Cambridge, 1988.

[5]    Novozhilov, V.V., The Theory of Thin Shells, Noordhoff, Groningen, The Netherlands, 1959.

[6]    J.L.Synge and W.Z. Chien(钱伟长), The intrinsic theory of elastic shells and plates, Applied Mechanics, Theodore von Karman Anniversary Volume, 1941, 103-120.

[7]    Chien Wei-zang(钱伟长), The intrinsic theory of thin shells and plates, Part I – General theory, Quarterly of Applied Mathematics, 1944,1(4), 297-327.

[8]    Chien Wei-zang(钱伟长), The intrinsic theory of thin shells and plates, Part II – Application to thin plates, Quarterly of Applied Mathematics, 1944, 2(1),43-59.

[9]    Chien Wei-zang(钱伟长), The intrinsic theory of thin shells and plates, Part I – Application to thin shells, Quarterly of Applied Mathematics, 1944, 2(2), 120-135.

[10] A. Goldenveizer, 弹性薄壳理论,薛振东,刘树澜译,上海科学技术出版社,1963.

[11] 孙博华,黄义,经典锥壳理论的新进展,力学进展, 1989,19(40, 497-506.

[12]黄义,孙博华,锥壳一般弯曲振动和屈曲位移型统一方程和应用,固体力学学报,1992, 13(1), 80-87.

[13] Sun Bohua(孙博华), Zhang, W.(张维), Yeh, K.Y.(叶开沅) and Rimrott, F.P.J., The exact displacement solution of paraboloidal shallow shells of revolution made of linear elastic materials, Int. J. of Solid and Structures, 1996, Vol.33, No.16, pp.2299-2308.

[14]Sun Bohua(孙博华), Closed form Solution of Axisymmetric Slender Elastic Toroidal Shells, ASCE Journal of Engineering Mechanics, Vol. 136, No. 10, October 1, 2010.

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冯•卡门与清华大学早期的航空工程学科

冯·卡门与清华大学早期的航空工程学科

 

朱克勤

(清华大学  航天航空学院  北京 100084)

摘要:今年是力学大师冯·卡门 (1881-1963) 逝世五十周年,本文结合他于二十世纪上半叶对清华大学的两次访问,回顾冯·卡门对我国早期航空学科创建和人才培养的支持和贡献。

 

关键词:冯·卡门;华敦德;钱学森

 

清华大学始建于1911年,初名“清华学堂”,1912年更名为“清华学校”,1925年设立大学部。1928年正式更名“国立清华大学”后,罗家伦为首任清华大学校长。为了开展国际学术交流,当时清华大学曾邀请泰戈尔(Rabindmnath Tagore)、维纳(N.Wiener)、哈达玛(J.Hadard)、郎之万(Paul Langevin)、冯·卡门(Theodore von Kármán)等学术大师来校讲学。他们的来访对于清华的学科建设和人才培养起到了积极推动作用,并一直被传为佳话。 比如,1935年美国著名数学家、控制论的创始人维纳访问清华大学,他大力推荐并促成华罗庚赴英国剑桥大学为期两年的进修访问,从而与熊庆来教授一起为只有初中文凭的华罗庚最终成为世界著名数学家创造了条件。

1929年,受清华大学理学院院长叶企孙教授的邀请,冯·卡门首次访问清华大学。当时中国的近邻日本已经开始发展航空工业,他们在河西机械公司建造的第一台风洞于1928年竣工,并成立了一家飞机制造公司。在随后的第二次世界大战中,河西公司成为日本水上飞机和战斗机的主要生产部门。冯·卡门在清华大学访问的过程中,向校方阐述了发展航空工业和航空学科的重要性,建议在清华大学尽快创办航空工程专业和设立航空讲座,培养这方面的人才,以便与邻国日本保持军事上的平衡。由于历史条件和种种原因,他的建议没有得到时任校长罗家伦的重视。

1931年九一八事变后,梅贻琦出任清华大学校长。当时侵华日军凭空中优势狂轰滥炸,给中国军民造成极大伤亡。1932年一二八事变,倭寇的飞机更是驰骋于上海空中,如入无人之境,闸北犹在无空防的情形下,变成了瓦砾之场,引起全国震惊。从舆论界到学术界,从社会到政府,“航空救国”成为当时震撼全国的呼声。同年,清华大学组建工学院,梅贻琦亲自兼任工学院院长。在机械工程系内设 “动力工程” 和 “航空工程” 两个专业组,成为中国大学创办航空学科的发源地。1933年顾毓绣及庄前鼎等教授在清华开始筹建航空馆与飞机库房、自制实验风洞、购买实习飞机。[1]

为解决清华初建航空学科阶段人才缺乏的问题,1934年清华校长梅贻琦曾函聘冯·卡门教授来清华任教,协助筹备设计空气动力学实验设备。此时冯·卡门已赴美国在加州理工学院任古根海姆航空实验室主任,无法来清华应聘。1935年8月17日他致函梅贻琦校长,推荐他的得力助手华敦德(Frank L. Wattendorf  有译为瓦登道夫)博士来清华任教。他在信中指出:华敦德博士毕业于麻省理工学院航空系。1926下半年在哥廷根与普朗特一起研究湍流,1927年到亚琛工学院研究空气动力学。1933年获加州理工学院博士学位,目前在加州理工学院古根海姆航空实验室工作。华敦德博士绝对是风洞与飞行实验方面的第一流的研究人员,也是一名优秀教师。他具有调整自己适应任何外国环境的出色能力。他相信华敦德博士一定能在清华做好工作[2,3]。

冯·卡门在德国亚琛工学院空气动力学研究所担任所长时,华敦德是他研究室中第一个来自美国的研究生,后来成为他最亲密的同事和得力助手。对此,冯·卡门在他的自传中写道:“1927年,华敦德和他的母亲一起来到亚琛。从那时候起,我一直把他当成我的家庭成员。我们合作研究了许多课题,他始终是我最亲密的同事。现在他是北约航空顾问团主席。[3]” 对于冯·卡门推荐华敦德来清华工作一事,梅贻琦校长于1935年9月26日、11月23日两次复函感谢冯·卡门的支持和推荐,表明清华发展航空工程学科并迫切需要人才的心情,并欢迎华敦德博士来清华任教。[2]

经冯·卡门的大力推荐,华敦德博士于1936年2月12日抵达清华大学,任空气动力学教授。到达当天就开始工作,他仔细观察了清华建成的5英尺风洞,当即表示十分满意。2月20日,华敦德致函冯·卡门,对于在清华一周来的工作环境表示满意,信中指出“没想到,中国能建造如此精确的风洞,已经达到国际水平。” 华敦德博士此封写自北平国立清华大学的信件如今仍展示在加州理工学院冯·卡门纪念室的显著位置,已经成为力学大师冯·卡门当年大力支持清华大学发展航空工程学科的最好见证。

 

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图1  清华大学航空研究所,前排左三起顾毓琇、庄前鼎、华敦德(1936)

在抗日战争的大背景下,1936年国立清华大学航空研究所正式成立(见图1),工学院院长顾毓琇教授任所长,机械系主任庄前鼎教授任副所长,华敦德博士任空气动力学教授。在积极开展航空工程教学和研究的同时,为了进行准确模型的空气动力学试验,华敦德博士建议由清华大学在南昌建造一座远东最大的大型风洞,试验段口径为15英尺。经过反复论证,最终政府同意了他的建议和方案。1936年6月,华敦德、冯桂连、殷文友3位教授担任主设计,用了不到一个月的时间,便完成了此大型风洞的初步设计,其中风洞的空气动力学设计由华敦德博士完成。

1937年,冯·卡门第二次访问清华大学,当时正值七七事变的前夕。冯·卡门从莫斯科横穿西伯利亚乘火车进入中国,华敦德博士到山海关车站迎接,并全程陪同他的中国之行。7月6日,在北平饭店,冯·卡门与有关政府官员和清华大学领导开了一个秘密会议,这时他才发现此次访华不但是学术交流,而与中国空军的发展战略有关。会后冯·卡门到清华参观,并受聘为清华大学名誉教授。在南京与中国空军司令周至柔将军会面后, 7月9日,冯·卡门赴南昌参观空军基地和清华大学15英尺风洞的建设,当时该风洞主体的施工基本完成,已进入装配和调整阶段。关于南昌风洞,多年后冯·卡门在回忆录中写道:“1937年夏末我到达南昌时,风洞已快竣工。主体混凝土外壳已经浇注好,发动机和螺旋桨也已经定了货,平衡设备正在制造。这座风洞比加州理工学院的那一台要大50%,是当时世界上最大的风洞之一。” 7月14日,冯·卡门由华敦德、梅贻琦、顾毓琇等陪同前往庐山面见蒋介石,冯·卡门就如何发展中国航空工业和航空学科,提出了看法和建议。 对于冯·卡门的这次中国之行,在他的回忆录中以“中国航空发展初期”为题,用整整一章的篇幅进行详细的描述[3]

华敦德博士对清华的贡献不只限于航空学科的建设。1937年清华沦陷,他受叶企孙、吴有训教授密托,不畏艰险,利用美国公民的身份,避开日本军队的盘查,将一大笔校款及镭等贵重物品,从北京带到南京,亲手转交给了梅贻琦校长。不幸的是,1937年底,华敦德博士由于突发半身不遂,不得不提前结束在清华大学聘期。1938年,在身体康复的过程中,华敦德博士曾代表清华大学出席第14届国际应用力学大会,提交关于风洞设计理论的论文,被誉为“运用分析方法设计风洞之鼻祖”。 1939年华敦德博士主持设计了美国莱特空军基地当时世界上功率最大的4万马力风洞。该风洞后来成为美国空军研制B-36轰炸机和高速航空问题的关键设备,在第二次世界大战中发挥了重要作用。1944年,经冯·卡门提名,华敦德与钱学森一起,人选美国空军科学顾问团。 1947年,华敦德任美国远东科学顾问团主席时,曾到昆明与梅贻琦会面,建议中国到日本搜运航空技术及其他科学仪器与图书。冯·卡门1963年去世, 1964年华敦德撰文纪念他的导师和挚友[4]。1968年,华敦德获美国空军特别贡献勋章;1986年去世,享年80岁。

冯·卡门在清华大学早期创建航空工程学科的过程中,他的贡献除举荐他最得力的助手华敦德博士来清华工作之外,另一个功绩当属精心培养赴美留学的中国青年学子,其中最著名的当属钱学森。清华大学1934年起在留美公费出国留学生中设立航空工程名额,当年毕业于上海交通大学的钱学森以优异的成绩被录取。1935年,钱学森赴美国麻省理工学院攻读航空工程专业,1936年获得硕士学位后,转到加州理工学院,在冯卡门的指导下攻读博士学位。冯·卡门对于中国非常友好,新中国成立后,中美关系处于低潮,冯·卡门在自传中曾写道:“我坚信,中国已经摆脱了许多技术发展的束缚,一旦解决了面前的内政和外交问题,它的巨大科学潜力将会充分发挥出来”。对于钱学森更是赞许有加,在他的长篇自传中,曾以“中国的钱学森博士”为题,以整整一章的篇幅详细回顾了他与钱学森的友谊、钱学森的出色工作、以及在钱学森回国前受到美国政府不公正待遇的不平。

 

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图2  中国学生在冯·卡门家中做客,左右下蹲者分别为钱学森和谈家桢

冯·卡门在文章的开头写道[3]:“我的朋友钱学森是1945年我向美国空军科学顾问组推荐的专家之一。钱是加州理工学院火箭小组的元老,二次世界大战期间为美国的火箭研究作出过重大贡献。他36岁已经是一位公认的天才,他的研究大大地推动了高速空气动力学和喷气推进技术的发展”。周末,冯·卡门的家也常常是当时中国留学生的聚集地(见图2),对此他在自传中写道:“钱喜欢到我家作客。由于他饶有风趣的见解和诚挚直率的态度,我妹妹总是很欢迎他的到来。他经常会提出种种新奇的设想”。

这里补充一件冯·卡门自传中没有提到的关于钱学森留学美国的细节。按照清华公费留美生的章程,钱学森应该于1938年回国。考虑到当时钱学森的研究正处于进一步突破的关键时刻,冯·卡门1938年6月8日致函清华梅贻琦校长,在详细介绍了钱学森的研究进展和成果之后,希望清华能继续支持钱学森在加州理工的学习和研究。他在信中坚信,奖学金的延长可使得钱学森在今后的一两年内成为可压缩流、高速和弹道问题方面的专家,这对于中国的将来是非常重要的。此信现仍完好地存放在清华的档案馆中[5]。由于冯·卡门的建议,清华大学同意延长钱学森在美学习的年限和奖学金。事实证明,冯·卡门当时的信函及其判断不但完全正确,对于中国的将来也的确及其重要。

冯·卡门的指导和加州理工的经历,对于钱学森在高速空气动力学和火箭技术方面作出一系列极其优秀的研究成果创造了条件。钱学森1955年回国后,为中国的科学技术事业做出了巨大贡献。中国国务院、中央军委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号,获中共中央、国务院、中央军委颁发的“两弹一星”功勋奖章。

在纪念冯·卡门逝世五十周年之际,回顾他于二十世纪上半叶对清华大学的两次访问和书信,深深感到这位力学大师对我国早期航空学科创建和人才培养的关心和贡献。无论是推荐自己最得力的助手华国际著名航空工程专家敦德博士来到清华任教,还是在培养以钱学森为代表的中国公费留学生方面,他实实在在的支持,对于上世纪三十年代前后处于起步阶段的中国航空工程学科的发展起到了重要的作用。在如今改革开放的今天,国际交流日益频繁,思考冯·卡门对我国早期航空学科发展和人才培养支持的非常有效的模式,可以给我们以有益的一点启示。

 

 

参考文献

[1] 庄前鼎,国立清华大学航空研究所工作报告(1937年至1945年),清华大学档案馆。

[2] 金富军,华敦德与清华大学航空研究,《中国科技史杂志》2006年, 第27卷第3期: 229—236

[3] 冯·卡门-航空与航天时代的科学奇才,冯·卡门,李·爱特生著,曹开成译,上海科学技术出版社,上海 1991

[4] F. L. Wattendorf & F. J. Malina, “Theodore von Kármán, 1881-1963,” Astronautica Acta 10 (1964), 81.

[5] 魏宏森,钱学森与清华大学之情缘,清华大学学报(自然科学版) 2008 年,第48 卷第11期

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试析伽利略的力学研究之比例缩放思想1) ——从“地狱”的演讲到《两门新科学》

试析伽利略的力学研究之比例缩放思想1)

——从“地狱”的演讲到《两门新科学》

杨  光2)    陈凯锋    吕增建3)

(焦作大学 基础科学系,焦作  454000)

摘要: 1588年伽利略在佛罗伦萨学院做了两场学术演讲,这些演讲主要是关于《神曲》中炼狱图形的构想。从中可以看出伽利略在当时就已经意识到自然不是比例缩放不变的,而且在随后的兵工厂建设项目、《水中浮体》著作以及给友人的信件中伽利略都有关于比例缩放问题的想法和应用实例。这引导着他在后续的工作中逐渐形成了比例缩放的思想,并在力学名著《两门新科学》这本著作中最终呈现出来。

关键词:伽利略  比例缩放思想  比例缩放不变性  两门新科学

中图分类号:O4-09     文献标识码:     文章编号:

Analysis scaling ideas of Galileo in the mechanics

——From the speech of “Hell” to Two New Sciences

  Yang Guang   Chen  Kaifeng   Lv Zengjian

Abstract: Galileo made two lectures at the Florence academy in 1588, the lectures  mainly talked about  the purgatory graphic of The Divine Comedy. From it, we can find that Galileo had realized that nature was not changed by scaling invariant. Galileo had ideas and applications about the scaling problem with the following Arsenal construction project, the works of The floating body in water and  the letters to friends. This led him to form a scaling ideas gradually in the following works, and, eventually, showed it in Two new science of the mechanical masterpiece.

Key words: Galileo  Scaling theory   Scaling invariance  Two New Sciences

 

1引言

伽利略1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(以下简称为《对话》)在科学史上影响甚大。然而,从纯科学的观点来看,真正树立他在科学史丰碑的是他的另一篇科学杰作《关于两门新科学的对话和数学证明的对话集》(以下简称为《两门新科学》)[1],这是他最成熟的科学思想和研究成果。在书中,开篇以威尼斯兵工厂的一个实际建设项目(造船)为例,展开了比例缩放问题的讨论。因而有人认为:伽利略关于比例缩放的想法就是形成于此。细读《两门新科学》的话,从中不难发现:其实,伽利略在很早就已经有了一些关于比例缩放问题的思考。比如在伽利略早期的两篇被忽视的演讲报告中,关于但丁对于地狱的形状、位置和大小的描述,就是一个很好的佐证。本文从《两门新科学》追溯到伽利略早期的一次关于“地狱”的演讲,来尝试展现其比例缩放思想的形成。

2 伽利略的比例缩放思想

2.1《两门新科学》中的比例缩放不变性

伽利略的比例缩放思想是在解决物理学的实际问题中而产生的。伽利略在《两门新科学》中指出:“小的固体比大固体其表面积大。”[2]也就是说,如果让一个宏观物体按比例缩小的话,物体体积比其表面积减小得快。因为面积是线度的平方,体积是线度的立方,所以体积减小得比表面积快。又因为重量与体积是按相同的比例变小,所以重量也比表面积减小得快。如果要从动力学上来分析的话,由于物体表面上存在的粗糙度和多孔性,当物体运动时,这些粗糙的地方和空气作用形成粘滞阻力,而面积因比体积减小得慢,其与表面积有关的粘滞阻力就不如与体积有关的重力减小的快,所以粘滞阻力与重力减少的比率不同。伽利略将这样的想法写进了《两门新科学》这本书中,并用其来分析自由落体的受力问题[2]

伽利略在《两门新科学》中断言,按比例放大的大船有在自重作用下船断裂的危险,但小型船只却没有[3]。伽利略与他人不同,他在保留必不可少的物理的“几何”性质的同时,在其上添加了材料属性。这与伽利略在《对话》中所用到的数学与实验想结合的方法如出一辙。伽利略敢于向传统的思想挑战,不是先臆测事物发生的原因,而是先观察自然现象,由此发现自然规律,以及数学与物理属性间的内在联系。书中的不少例子就在解释此方面的内容。比如,伽利略的非常著名的观察:为什么动物不能简单地成比例的变大,那是因为当他们变的更大时,他们的骨头也必须成比例变得更重。伽利略在《两门新科学》中曾提出,动物形体尺寸变大时,躯体的强度并不按比例变大。他说:“一只小狗也许能够在它背上携带和它一样大的两或三只小狗,但是我相信一匹马甚至驮不起和它大小一样的一匹马。”[4]

2.2追溯伽利略比例缩放思想的形成过程

早在1612年伽利略就应该是有关于比例缩放的想法了,因为此时伽利略已经出版了《水中浮体》这本著作。伽利略处理的最棘手的问题是一个比水密度大的薄板材料却浮在了水面上。在《水中浮体》中,伽利略提出了这样的观点“一个厚度一定的正方形薄板如果被分割成许多小正方形后,它的重量和体积随着尺寸的减少而成相应比例的减少,但比面积随尺寸的减少而减少得要快。而浮力的大小取决于面积的大小,所以相对而言,每一小块所受到的浮力显现得更大了”。伽利略提出这个观点纯粹是假设,很显然,正如我们现在所知道的:等厚的薄板被分割成许多小块时,其总浮力并不会增加,增加的是表面张力。因为表面张力是和板与液体的接触线的长度有关的。被分为小块以后,接触线的总长度增加了,所以总的表面张力也相应增加了。这里,我们并不是想讨论伽利略说法的正确性,而是想证明伽利略早在1612年对比例缩放问题已经有了具体应用的实例。

伽利略于1609年在给Antonio de’Medici的一封信里,却有一个更早的不是很明确的引用[5]。这封信实际上应该是《两门新科学》的提纲。在信中伽利略写出了他最新的关于比例缩放方面的调查[6],这表明:早在1609年,在他的脑海里就已经形成了《两门新科学》的基本构架。如果我们从时间上来看的话,比例缩放思想在《两门新科学》出版前二十多年就已经有了相应的雏形了。

1592年伽利略受聘为兵工厂船舶设计的咨询师时就曾说:“有可能会在什么地方遇到比例问题。”这可能是早在1592年就出现比例缩放思想的地方。从《两门新科学》中还可以看到,虽然在造船厂Sagredo对于比例缩放不变性的失败是惊讶的,但Salviati(在书中代表伽利略)却不是很惊讶。他已经明白,并立即准备解释这一切给Sagredo。Salviati的这番表达就是伽利略的思想,因为伽利略本人可能早已有了一些较为成熟的比例缩放问题的思考。这意味着我们必须从历史上再往前去寻找比例缩放思想形成的时间,比如在伽利略的青年时代。

2.3关于但丁“地狱”的演讲

青年时期的伽利略曾把他包含比例缩放思想的数学证明送到一些意大利数学家手里,希望得到一些肯定。他幸运的得到托斯卡纳大公御用巡视员Guidobaldo del Monte的帮助[7]。当比萨大学的首席数学教授对外公开招聘时,时任红衣主教的Guidobaldo del Monte安排伽利略于1588年去佛罗伦萨学院做了两场数学方面的演讲[8]

在演讲中,他出色地将数学与听众喜欢听的但丁的“地狱”模型结合了起来。伽利略说:“地狱不可能那么大,覆盖地狱的拱顶似乎不可能支持自身而不落下,假如地狱如此之高,那么拱顶必须非常薄。……如果连同海的深度是100英里的话,那么拱顶就需要非常厚,远远超过支撑自重的需要。”伽利略在试图描述一个地狱的模型,以约每100英里1布拉乔奥(古意大利的长度单位,相当于66或68厘米)厚的比例挖出一个空室为模型。一个正常的人的高度是3布拉乔奥,所以该模型显示一个大的穹顶,有点小于佛罗伦萨大教堂著名的布鲁内莱斯基穹顶。就像伽利略所说,不到4布拉乔奥的厚度完美的支撑了自重。这是一个令人信服的参数,但只是在认为尺度不变的前提下才成立!如果按比例将其放大100000倍,仍然成立吗? 绝对不是!这个升级版的模型实际上是脆弱的,受更多因素影响,会立即被自重压垮的。

据现有可查的历史资料中,这是最早出现伽利略比例缩放思想的事情。由此看出:早在1588年(甚至有可能更早),伽利略就应该已经有了比例缩放思想的简单结构了,并用此做为有效的防守反击武器来成功地赢得了辩论。

3 结论

从伽利略在佛罗伦萨学院的演讲到威尼斯兵工厂的实践,再到《两门新科学》的出版,可以看出:伽利略认为自然不是比例缩放不变的,这是在充分考虑数学内容和物理内容的基础上得出的结论。伽利略在比例缩放问题上倡导的数学与物理结合的方法,与他在《对话》中所提到的数学与实验相结合的方法相类似。这是他在科学上取得伟大成就的源泉,也是他对近代科学的最重要贡献[9]

伽利略为什么迟迟不肯发表他的比例缩放思想的有关想法呢?这应该是一个复杂的问题,原因可能很多,其较为突出的原因之一是:在充满辩论的文艺复兴时代的历史背景下,伽利略可能采取了“留一手”的策略。即对一个重要的理论成果保守秘密,直到需要它在辩论中进行防守和自卫。在有关浮体和地狱的辩论中,我们都可以看到伽利略的这种做法。另外,中年时期的伽利略可以说是一位公众人物,他频繁接触上流社会,社交活动颇多,他还进行科学实验,进行天文研究等等,他有太多的事情要做。我们推断比例缩放思想当时并没有受到他本人的重视,只是晚年受到宗教审判后,在有充分的时间进行一生学术总结的情况下,才将比例缩放的内容写进了《两门新科学》中。从书的内容中也可以看出,伽利略对比例缩放内容的不重视。因为全书从没有将比例缩放的内容作为一个专门的命题进行阐述,只是在其他命题的证明和解释中,或多或少的提及比例缩放的内容。从伽利略对比例缩放思想的态度和其比例缩放思想形成过程的研究来看,我们应该从中得到启发,特别是在高端研究领域,要及时对自己的学术成果和思想进行归纳和总结,以展现科学研究和发现的价值。

《两门新科学》介绍了在当时属于前沿的量纲分析的内容,这其实就是伽利略关于比例缩放想法的表达,而这些都来自于基本的物理学思想,目的是为了解决相关的物理问题。在书中,他系统地利用了他那个时代的数学去解决物理问题和论证新的物理定律,从而打开了通向现代精密科学的大门[10]。众所周知,重整化群理论就是在粒子物理研究中为克服微扰发散困难而进行标度变换,从而得到群不变性的一种理论[11]。所以通过对伽利略比例缩放思想的研究,我们可以认为伽利略就是标定度(或说是比例缩放)这一领域的先驱。

参考文献

[1]吕增建,科学史与科学文化[M].天津:南开大学出版社,2013.3. p. 59.

[2] Galileo Galilei(著),Henry Crew,Alfonso De Salvio(译). Stockbridge, Massachusetts, USA: Dialogues Concerning Two New Sciences[M],Hardpress Plublishing,2013. p. 90.

[3] Galileo Galilei(著),Henry Crew,Alfonso De Salvio(译). Stockbridge, Massachusetts, USA: Dialogues Concerning Two New Sciences[M],Hardpress Plublishing,2013. p. 2.

[4] (意)伽利略著,武际可译.关于两门新科学的对话[M]. 北京:北京大学出版社, 2006.

[5]武际可.  打开近代科学之门的对话——力学史杂谈之十八,介绍伽利略的《关于两门新科学的对话》[J]. 力学与实践. 2006,28(05):89-91.

[6] Stillman Drake, Galileo at Work: His Scientific Biography. New York,USA: Courier Dover Publications, 2003. p. 16-17.

[7] Galileo Galilei(著),Henry Crew,Alfonso De Salvio(译)Dialogues Concerning Two New Sciences[M]. Stockbridge, Massachusetts, USA: Hardpress Plublishing,2013. p. 100.

[8] Stillman Drake, Galileo at Work: His Scientific Biography. New York,USA: Courier Dover Publications, 2003. p. 13.

[9] Mario Biagioli,Galileo Courtier: The Practice of Science in the Culture of Absolutism.Chicago,USA:University of Chicago Press,1993,p. 30-31.

[10]邱德胜,钟书华,经典力学的奠基人——伽利略[J]. 力学与实践. 2005,27(03):91-94

[11]《数学辞海》编辑委员会,数学辞海:第五卷[M].北京:中国科学技术出版社,2002,8.

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脱粒和软蒲的直棱碌碡

脱粒和软蒲的直棱碌碡

尤 明 庆1)

(河南理工大学 能源科学与工程学院,河南 焦作 454010)

摘  要:碌碡在江苏兴化专指侧面开有直槽的圆柱形石磙,用于稻麦的脱粒和蒲叶的碾压。石槽开凿极大地增加了碌碡制作时间,但能够提高掼把、碾场的脱粒效率,减小软蒲时的滚动阻力,而棱条尺度与土基的强度协调。

关键词:碌碡,直棱,脱粒,软蒲,滚动阻力

中图分类号: O313.3    文献标识码:A

A stone-roller with straight grooves for grain threshing and papyrus softening

YOU Mingqing

(School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454010, China)

 

Key words: Liuzhou, groove in stone-roller, grain threshing, papyrus softening, rolling resistance

 

本文于 2013-05-16 收到

1)   尤明庆,男,1964年生,教授,从事岩石力学领域的教学研究工作。youmq@hpu.edu.cn

依文献[1]所述,碌碡(Liùzhóu),本名磟碡,原名陆轴,是用于压实、破碎、脱粒的多种农GB2)A4X920OZR(JMHOBMARL具的统称,发明于西汉,三国、两晋以后得到推广应用;其主要部件为石质或木质的辊子,具有圆柱、圆台、鼓形、齿条等多种形状,尺度差异较大。不过,笔者故乡江苏兴化为水网地区,石制用物较少,因而均有专名;其中碌碡(读为入声的Luzhou)单指特殊的一种石磙(图1),用于脱粒和软蒲;直径50 cm、长75 cm左右,侧面有深约3 cm的直槽,槽宽和间距相当,约为4 cm。

                                                                                           图1

碌碡侧面开凿石槽极大地增加了制作时间,必然有相应的功效。不揣浅陋,试作如下解读。

1  脱粒

在机械化年代之前,碾场是先进的脱粒方式:以牛拖拉碌碡在平铺的稻秆或麦秆上滚动。碌碡两端凿孔固定轴栓,轴栓再连拉架。这与碾子的结构完全相同,不再细述。此外,碌碡两端都是略微向外凸起,便于转弯时拉架偏斜施载。如果场地较小,碌碡可以做成两端略有差异,即锥度较小的圆台体,便于绕圆周碾压。不过,笔者所见生产队的碾场(约在1974年),场地较大,都是直线碾压,到边转弯,而碌碡是直圆柱形式。

碾场时铺设禾秆较厚,压实后也在半尺以上,碌碡滚过时沉降显著,也就有多个棱条同时接触禾秆,因而接触力在一次滚动过程中会成间断式变化,且局部有明显的差别。这就对禾秆产生多次牵扯,获得较好的脱粒效果。碌碡开槽增加了与禾秆之间的接触面积,也增加了两者之间的水平作用力,即有效工作阻力。拖拉碌碡需要很大的水平载荷,该载荷将转换为禾秆之间的剪切作用力。禾秆、谷物之间的接触状态不同,就会引起相对滑移,使得谷物与禾秆脱离。牛拉碌碡碾过之后,就用丫杈翻转禾秆辅助脱粒,且使再次碾压禾秆时仍能产生压缩变形和水平滑移。当然,对边角没有充分碾压的禾秆,还得辅以打连枷[2]才能完成脱粒。

禾秆之间不仅可以发生差异沉降,还会产生水平滑移,因而碌碡并不是纯滚动,脱粒是碾、压共同作用的结果。假若将平板搁置在禾秆上,其上施加载荷,除边缘之处,平板下方的谷物并不会从禾秆上全部脱落,这与载荷的大小关系不大。据此也可以理解碌碡开槽对脱粒的效用。

农民自留地的水稻数量较少,有时也采用掼把脱粒:双手握住稻秆底端,平放在碌碡上,略作整理;然后拉回、侧身、举起、转身,摔向碌碡;经过三次左右的掼摔,调整禾秆在手中的位置,再掼摔两三次,稻子就会与禾秆全部分离。显然,快速向下运动的部分稻粒和禾秆受到碌碡棱条的阻碍而停止运动,部分尚有向前运动的空间;运动的差异会产生拉力和拉伸变形,使得稻粒与禾秆分离。毫无疑问,稻粒的惯性力是关键性因素。如果只是将稻穗摔向平板,脱粒效果显然会较差。碌碡侧面开槽提高了脱粒效率,充分体现虚实相依、有无共存、动静互济的哲学思辨。

与稻草不同,麦秆为中空的管状结构,抗弯强度较高,但成熟之后因水分失去而变脆,容易折断,不能以摔把方式脱粒,只能以碾场或打连枷的方式脱粒。又,自古就有“拾麦穗”的作业,如白居易《观刈麦》中称“更有贫妇人,抱子在其旁。右手秉遗穗,左臂悬敝筐。听其相顾言,闻者为悲伤。家田输税尽,拾此充饥肠。今我何功德,曾不事农桑。吏禄三百石,岁晏有馀粮。念此私自愧,尽日不能忘”。

2  软蒲

蒲草为多年生草本植物,生于湖沼;叶长而细,可达两米以上;购回之后,先将其平铺在地上晒干,以便长期保存;然后将叶从秆上逐片剥下,理直分类;再用水湿润后以碌碡滚压,俗称软蒲,即可用于农妇田间劳作之余的编席、做包和制扇。这些都是30多年前的日用之物,售给供销合作社可得少许钱财,置换食盐、肥皂、火柴以及过节之糖烟酒等物。所购之物多是计划供应。

蒲叶脉管众多,干燥脱水之后可见明显的孔隙;而碾压以及拉伸(后述)可排除空气使纤维紧密接触而增加粘结力;也使蒲叶变薄,弯曲时外侧变形减小,柔软平顺。又,蒲草应在枯萎之前即“有劲儿”时采割,以免强度丧失;蒲叶晒干之前不能碾压,否则细胞里水分被挤出,结构遭到破坏,降低强度,损坏品相;而碾压时又需以水湿润。水对植物纤维的强度、变形影响显著。

碾压蒲叶使用碌碡,碌碡很重,不过70岁的农村奶奶竟也能操控自如。软蒲是个技术活儿。碌碡上开有直槽,人能够稳定站立,扶持、牵拉拴于房梁之长绳,便能使碌碡向前滚动,其间将双脚轮换向后上方移动以保持平衡,而将脚立于碌碡后侧即可停止。这与“狮子盘球[3]”类似。因房间空间所限,碌碡只是在两三米范围内往复运动,滚动速度也就较低。

图1所示碌碡已闲置于巷头,两端没有轴孔,想来是用于当年的软蒲。直径 50 cm,长 75 cm,质量约350kg(已扣除棱槽处岩石);人质量为 50 kg,滚动阻力系数以棱条宽度的一半即2 cm计算,则维持碌碡向前滚动需要将人体重心置于顶点前 14 cm 处。这大致要求双脚轮换从圆心角30º移至 75º(从水平线向上计量),相当于缓慢地逐级登踏10 cm左右的台阶。软蒲比踏车提水要轻松许多。若碌碡直径45 cm,质量约290kg,驱动更为容易;不过,碌碡直径进一步减小,人不易站立其上;碌碡质量过小,稳定性降低,驱动反而困难。

若滚动阻力系数达到3 cm,则难以完全利用人体自重驱动碌碡,因而碌碡上棱条不能过宽。另一方面,软蒲在刚度较低的土面上进行,棱条也不能过窄,以免增大对地面的应力而破坏。以前述参数计算,宽4 cm的单一棱条支承碌碡时,平均接触应力为133 kPa(含软蒲者的重力),已经达到或超过土基的极限承载能力[4],碌碡滚动形成的动态载荷使地面逐步变形而呈波浪状。蒲叶在碾压过程中受到凸出土基的抻拉,且对其产生压力。该压力有利于维持地面的最终稳定。此外,软蒲过程中蒲叶位置需作数次调整,使得各处变形均匀。

假如碌碡是圆柱面,其接触地面的宽度大于4 cm,即超过一个棱条宽度。棱条支承可减小滚动阻力。碌碡停止时应为两个棱条支承,土的变形会使支承应力趋于均匀,即58 kPa。该值与粘土强度相当或略小[4]。如果棱条宽度减小,碌碡将会因粘土流变而陷入地中。

3  结语

碌碡开槽费弃了部分材料,增加了制作时间,但工作性能显著改善。碾场时碌碡对禾秆作用非均匀的压缩载荷并增大水平作用力,引起禾秆、谷物之间的相对位移,提高脱粒效率;掼把时碌碡棱条和直槽使得快速向下运动的稻粒和禾秆产生运动差异,因惯性力而引起拉力使得稻粒与禾秆分离。软蒲碌碡的大小及棱条尺度,不仅满足操控所需,减小滚动阻力,且与土基的强度协调。

人类为了更好地生活,发明了众多器物。中国古代一直缺少科学意义上的力学分析和机械设计,能工巧匠只是依赖师徒相授的规制以及经验、类推、比拟来工作;而社会实践在流淌的时间中择善而存。存在的总是合理,传承的都已优化。不过,以“拆(农家)院上楼”为标志的新农村建设以及工业经济的展开,农业正在急剧演变,传统农具也在快速消亡,正如生物灭绝一样。

 

参考文献

1   周  昕. 中国农具通史. 山东科学技术出版社,2010. 439-449.

2   周  靖. “一夜连枷响到明”打连枷的力学. 力学与实践, 2012, 34(6):91-95

3   尤明庆. 关于狮子盘球力学原理的注记. 大学物理,2010, 29(6):12-14.

4   陈希哲. 土力学地基基础 (第4版). 清华大学出版社,2004.

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椎间盘突出症和力学

椎间盘突出症和力学

 

武际可

提要 从梁和柱的受力分析,联系到脊柱的受力。结论是,为了保护脊椎不受伤,要尽量使脊柱作为柱承受压力。文章分析了椎间盘突出症的病理和建议保护脊椎的负重姿势。还建议平时应当注意保护脊柱,注意坐卧的姿势。

关键词  梁;柱;脊椎;椎间盘突出症;负重姿势

 

著名剧作家沙叶新说到他妻子有下面一段话:我妻子生病,我和她开玩笑,我说:“你呀,一辈子平平淡淡,啥也不突出;退休之后倒突出了,可你突出的不是地方,腰椎间盘突出!”妻子气得呀直捶我。腰椎间盘突出很痛苦。医生说,如果躺着的时候,腰椎承受的压力是0的话,站着则是1,坐着却是8。所以这种病人是真正的坐立不安,只能静卧;尤其是不能坐,每天只能在床上水平地横着或在地上笔直地竖着,我说她现在过的是“横竖横”日子。“横竖横,拆牛棚”,很厉害,所以如今遇事我都让着她一点。

说起来要了解椎间盘突出,还需要了解一点有关的力学知识。

下面这幅图画的是人的脊椎。有的书上管它叫脊柱,老百姓的口语中管它叫脊梁。到底是“脊柱”还是“脊梁”,一字之差,很是耐人寻味。

从力学的角度来看“柱”和“梁”虽然形状一样,都是一根柱体,由于它们所受的外力不同,就得到不同的名称。柱是承受轴向外力的,而梁是承受垂直于杆轴的外力的,亦即承受横向加载的外力的。

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图1 脊柱

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图2  柱和梁

 

在图2上,左边是一个柱承受的压力,而右边是一根悬臂梁。外力F是一样大。设这根柱和梁的横截面都是矩形,其宽度是b高为h,并设它们都是有同一材料组成的。由材料力学我们知道,两种情形,截面上的最大应力[σ]可以经过简单的计算得到。

对于柱的情况[σ] =F/(bh),因为这时柱的横截面上受力是均匀的,所以应力是外力F简单地用截面积去除。应力沿整个截面和杆长都是均匀的。

对于梁的情况[σ]=6l/(h)F/(bh),这种情形,截面上的应力有拉力也有压力,所以最大应力比起柱的情况要增大6l/(h)倍。就是说如果l比h大10 倍的情形,则这时受同样大小的外力,梁的最大应力应当是柱的60倍!而且最大应力的位置是在梁的根部。

这就是说,在相同的截面的梁与柱,一般情况下,柱的承载能力要大得多。所以俗话说“立柱支千斤”。

这也就是说,在给定横截面的梁上,要降低梁的最大应力,最重要的因素就是要降低承力点到梁根部的距离l。因为l与最大应力是线性相联系的,最大应力大了便会引起梁的破坏。

现在回过头来看脊柱,由于人体是经常活动的,所以脊柱有时是作为柱来承受外力的,比方说在人直立、或端坐的状态就是这种情况;有时脊柱又作为梁来承受外力的,例如,人在弯腰拾取重物时,这时上体的自重和重物的重力都是垂直于脊柱的轴线的。从前面的简单讨论,我们知道,除了人在平躺的情况外,脊柱还是作为立柱时在脊柱内引起的最大应力较小。脊柱最大负担,亦即引起局部最大应力,还是当人处于弯腰负重的情况。这时,脊柱大致上就表现为一根悬臂梁,为了保护脊柱,这时需要多加小心。

因此,人类在很长的历史演进中,已经学会了在负重时尽量使脊柱作为支柱来承载。如图许多人采用头顶负重,或者用肩挑负重,都是使重物的重力大致是沿着脊柱作用,使脊柱作为支柱,只简单地承受压力。这种负重的办法是很科学的,它既能够承受更多的重量,又能够保护脊柱不受伤害。

 

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图3 头顶重物

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图4 肩挑担子

然而,我们前面从力学的角度来看脊柱,未免过于简单。人的脊柱毕竟不是一根僵直的棍棒,而是如图1 所示由一节一节的脊椎骨组成的,在每两节脊椎骨之间,又垫着一层椎间盘。它们是由中央部富于弹性的胶状物质的髓核,和周围是多层纤维环按同心圆排列易于变形的软骨构成的。只有这样,脊柱才能够自由弯曲,而不是僵直的。

也正是脊柱构造的这一特点,它和严格的力学中的“梁”是很不同的。最大的不同,就是它能够很好地承受压应力,而不能承受拉应力。我们知道,严格力学上的梁在承受弯曲的时候,截面上有一部分承受压力而另一部分承受拉力。但是脊柱在承受弯曲时,例如弯腰负重时,有压力也会有拉力,压力就由脊柱本身承受,而拉力部分,只能由脊柱旁边的腰肌来承受了。

脊柱和严格力学上的梁还有一个区别是,脊柱作为梁的组成材料是生物组织。它的行为与时间关系很大,在脊柱弯腰负重时,背肌承受拉力,时间稍长,肌肉就会疲劳不能继续支持。即使脊椎和椎间盘本身,承力的时间一长,也会产生显著变形和损伤。

注意到脊柱的这两点特点,我们会有脊柱的两种常见的损害。

一种是,当你弯腰负重时,所要搬动的物体比较重,超过了你的能力。实际上是你的背肌不够强,被拉长了,这时脊柱所受的压力是脊柱的前边应力大后部应力小,椎间盘被挤到后边去,而后边的纤维组织会被压裂而使髓核从脊椎的后方突出。我们知道在弯腰负重时,人脊柱类似于悬臂梁承重,而悬臂梁的应力是它的根部最大,所以这种突出大多发生在脊椎的最后一节上,即第五腰椎上。我们又知道脊柱后面的椎管里有神经,而第五腰椎出发的左右两条坐骨神经分别延伸到左右两条腿上。突出的椎间盘会和某一条坐骨神经相摩擦,使这条神经慢性发炎,这就构成坐骨神经痛。这是一种很常见的劳动损伤。俗称腰腿疼。严重时受伤者只能卧床休息而失去劳动力。前面说的沙叶新的夫人大概就是这种情况。下图示意椎间盘突出的病变。

 

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图5   椎间盘突出示意

 

为了避免这种损伤,首先是对于所要搬动的重物要衡量一下,是不是一个人搬得动。不做超过自己能力的事。其次在搬动时要姿势正确,要使重力对脊柱所形成的力矩尽量小。也就是说让重力作用线与脊柱的轴线距离尽量小,这相当于减小图2中的l。下面四幅图中左边两幅的姿势是正确的,而右边的两幅是不正确的,因为后者的l相对要大许多。注意左下边的那幅,那个人让重物靠在腹部,重物对脊柱的力矩就会减小到最小的程度。在文革中许多知识分子被下放到农村做体力劳动,由于不熟悉这些劳动中的窍门,所以很多人用力不当,得了这种腰腿疼的病。

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图6  搬动重物的姿势

其次,即使我们并没有负重,但是由于姿势不正确。这时 虽然脊柱所担负的力矩很小,但是由于我们的脊柱和肌肉组织是不能承受很长时间的,所以即使负重很小但时间过长也会造成脊柱的病变。例如由于躺着的姿势不正确或长时间在电脑前工作,或者长时间蹲着,会造成颈椎和腰椎病变。还例如,长期小学生曾经用单侧背的书包,后来研究发现会导致脊柱歪曲,才普遍改用如现今用的双肩背书包。下面这两幅图,他们的姿势就不正确,会造成颈椎或腰椎病变。因为时间长了,他们的肌肉会松弛,脊柱长时间维持一个姿势就会产生“流变”,是一种不可恢复的变形。有时肌肉长时间紧张还会产生肌肉劳损。在需要较长时间弯腰时,最好把一支胳膊支撑在膝盖上;在需要较长时间做蹲位劳动时,例如人们在擦地板时的情形,这时最好采取爬行在地板上的姿势,它会使脊柱的负担减小许多。

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图7  长期这样的姿势有可能导致脊柱病变

 

 

可见,懂一点力学,对于保护你的脊柱的健康是很有好处的。

注:文中的插图大多来自网上。

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涡旋星系与太空版《星月夜》

涡旋星系与太空版《星月夜》

               东(天津大学力学系,天津300072

 摘要:涡旋星系是大自然中尺度最大的流体涡旋。哈勃望远镜拍摄到许多很美妙的涡旋星系照片,使我们认识到在宇宙中有那么多姿多态的星系,涡旋星系是其存在的常态之一。天文学家评选出哈勃望远镜巡天16年的十佳照片的第八张,被命名为《星月夜》的太空版,它与梵高《星月夜》和NASA公布的洋流版《星月夜》,都是形象描述流体涡旋的画作与图像。

关键词:梵高;星月夜;流体涡旋;涡旋星系;哈勃望远镜

               哈勃和星系分类“音叉图”

 哈勃(Edwin Powell Hubble,1889.11.20~1953.9.28),美国天文学家,观测宇宙学的开创者。1889年11月20日生于美国密苏里州马什菲尔德,1953年9月28日卒于美国加州圣马力诺。

哈勃对20世纪天文系作出许多贡献,被尊为一代宗师。其中最重大贡献有二:一是确认星系是与银河系相当的恒星系统,开创了星系天文学,建立了大尺度宇宙的新概念;二是发现了星系的红移-距离关系,促使现代宇宙学的诞生。

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                     哈勃(1889~1953)

 哈勃研究过约600个星系,其中17%是椭圆星系,50%是标准涡旋星系,30%是棒旋星系,而不规则星系只占3%.

1926年,哈勃提出了著名的星系分类“音叉图”,试图将繁多的星系用外观进行分类,成为容易识别的序列。

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                      哈勃的星系分类“音叉图”

 在哈勃的星系分类中,包括外观从圆形E0到椭圆形E7的椭圆星系,椭圆星系只有核球,没有旋臂;用S代表具有涡旋结构的星系。涡旋星系又分为 a、b、c三种次型:Sa型中心区大,稀疏地分布着紧卷旋臂;Sb型中心区较小,旋臂较大并较开展;Sc型中心区为小亮核,旋臂大而松弛。 哈勃认为,有些星系中央有棒状结构,有些则没有:SBa到SBc代表有中央棒状结构的涡旋星系,Sa到Sc是中央没有棒状结构的涡旋星系。

在天体研究中首先引入涡旋观念的是法国的笛卡尔,他提出了以太涡旋理论,认为以太是一种非常稀薄的连续流体,没有重量,物体作用是通过以太挤压来传递的,天体在以太中运行不会受到任何阻力。笛卡尔认为,在自然界中只有通过物质的接触才能发生作用和产生运动。他想象一个粒子让出了位置,则被临近粒子占有,而空出的位置又同时为第三个粒子所有。粒子不断调换位置,作循环的旋转运动,结果就形成了物质的涡流。1669年,荷兰的惠更斯以水碗里的涡旋把涂蜡的卵石拉向碗中心的实验,来支持笛卡尔的学说。他把旋转的水比作以太涡旋,认为以太由于旋转而具有了力图离开中心物体的倾向,从而又迫使其中的物体向中心物体靠拢。

 

涡旋星系通常具有明亮的旋臂。20世纪40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波来解释涡旋结构。他认为旋臂并不是永远由一些固定的恒星组成的“物质臂”﹐而是随著时间的不同,会在这里聚集更多的恒星。

美藉华裔学者林家翘等,1964年提出了准稳涡旋结构假说﹐认为涡旋星系的基态是稳恒且又是轴对称的。他们证明﹐涡旋结构一旦形成就会长期维持下去,还求出了密度波的色散关系,成功地解释了许多观测事实﹐同时又在密度波理论的基础上﹐研究了大尺度的星系激波﹐为解释恒星的形成提供了一种可能的机制。

星系动力学的研究虽然成果己不少﹐但涡旋结构的起源至今仍未能弄清楚﹐就是已经建立起来的理论﹐也还带有半经验的性质。

       哈勃望远镜和多姿多彩的涡旋星系

哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)是以天文学家哈勃为名,由美国宇航局和欧洲航天局共同管理,在轨道上环绕地球的望远镜。它1990年4月24日搭乘“发现号”航天飞机,顺利进入预定轨道,开始了孜孜不倦的巡天航程。这架太空望远镜因位置在地球的大气层之上,所以获得了地基望远镜所没有的好处:影像不会受到大气湍流的扰动,视相度很高,又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。这是人类第一座巨型空间天文台,填补了地面观测的缺口,帮助天文学家解决了许多根本问题,对天文物理有了更深入的认识。

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运行在环绕地球轨道上的哈勃太空望远镜

 

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            展开了太阳能电池板的哈勃太空望远镜

 

哈勃太空望远镜充当起人类观测宇宙的眼睛,人们凭借它对天体精确的观测能力,揭示了更多宇宙的奥秘。从下面几张它拍摄的图片,我们可以看到几张典型的涡旋星系图片:

 

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             涡旋状的银河系(太阳在箭头指处)

 横亘夜空的银河系并非像天文学家原先猜测那样,呈现规则的涡旋状,而是有一条长达27000光年的恒星棒,架在涡旋星系中间。

 

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大犬座的一对涡旋星系

   哈勃太空望远镜1999年11月拍摄的大犬座内的一对涡旋星系,NGC 2207和IC 2163是正在碰撞和合并中的星系,它们将逐渐合并成一个椭圆星系。

 

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距地球7000万光年棒锤型的涡旋星系

 棒锤型的涡旋星系是中心呈长棒形状的涡旋星系。一般的涡旋星系的中心是有圆核的,而棒锤型涡旋星系的中心是棒形状,棒的两边有旋形的臂向外伸展。

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                        狮子座中的涡旋星系

狮子座的涡旋星系NGC 3521,离我们约3500万光年,有着明亮而致密的核心,以及细节丰富的旋臂结构。 长约5万光年的旋臂上点缀着大量恒星形成区,并遍布尘埃云的脉络。它的旋臂很不规整,成为絮状涡旋星系的典型代表。这类星系旋臂的界限不清,与那些具有明晰旋臂结构宏伟涡旋星系形成鲜明对比。

                   太空版的《星月夜》

19世纪人类最杰出的艺术家之一、荷兰绘画大师梵高(文森特•梵•高 Vincent Van Gogh  1853年3月30日~1890年7月29日),是后期印象画派的代表人物,其创作深深影响了20世纪的绘画艺术,不少作品在全球广为人知,极具艺术价值。梵高1889年在法国圣雷米修道院治病疗养期间创作的名画《星月夜》(STARRY NIGHT , 73cm×92cm ),收藏于美国纽约现代美术馆(Museum of Moder Art,New York)。《星月夜》 被视为梵高最具风格的代表作之一。涡旋状星云在画中扫过夜空,手法大胆,震撼人心。参考文献[1]已介绍画评人对怎样欣赏这幅名画的参考意见。

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有趣的是,在梵高《星月夜》问世115年之后,美国宇航局和欧洲航天局2004年3月4日在公布“哈勃”太空望远镜新拍摄的一张照片时称,这幅太空摄影作品与梵高的名作《星月夜》有“异常相似”之处。“哈勃”新拍的这张照片,反映的是一颗遥远恒星周围的景象。这颗名为“V838 Mon”的恒星位于麒麟星座方向,距离地球2万光年。在照片上可以看到恒星周围涡旋状的尘埃云。据估计,这些涡旋状尘埃云在星际空间中跨越有数万亿公里。

 

2006年11月,天文学家们又评选出哈勃太空望远镜巡天16年的十佳照片,这张照片入选为十佳照片的第八张,并被天文学家命名为:“梵高的《星月夜》”,成为了《星月夜》的太空版。

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太空版《星月夜》,只是哈勃太空望远镜所拍摄到许多精彩的涡旋星系图片中的一张。

美国宇航局2008年4月24日为哈勃太空望远镜18岁庆生,2010年4月24号又为哈勃太空望远镜20岁庆生,两次庆生所公布的哈勃太空望远镜拍摄的精彩照片中,这张太空版《星月夜》也都己入选。

 

涡旋星系是尺度最大的涡旋

近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特(L.Prandtl)的学生、空气动力学家屈西曼(D.Küchemann)曾经说过:“涡旋是流体运动的肌腱。”这句流体力学中的至理名言,深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。

在流体运动中存在着各种各样的涡旋,从流体力学家H.J.Lugt 总结的各种涡旋的尺度谱表中,可见宇宙空间的涡旋星系,是大自然中尺度最大的涡旋,其尺度是“光年”。

涡旋的名称

涡尺度结构

液氦中的量子涡

10-8cm

最小的湍流涡

0.1cm

昆虫引起的涡旋

乌贼喷射的涡环

0.1~10cm

尘卷

潮水中的涡旋

1~10m

火山爆发的涡环

热对流云

100~1000m

湾流的涡旋

台风

大气高压和低压系统

100~2000km

海洋环流

大气环流

地球内部的热对流胞涡

2000~5000km

木星的红斑

土星环

太阳黑子

5000~105km

涡旋星系

用光年计

各种流体涡旋的尺度谱

在流体力学的教学与研究中,离不开涡旋。梵高的名画《星月夜》,以及天文学家评选出的太空版《星月夜》,NASA公布的洋流版《星月夜》,都是形象描述流体涡旋的画作与图像。

参考文献:

1. 王振东,梵高《星月夜》及其洋流版,力学与实践,2012,34(4):101~102

2, 王振东,峡江漱石水多漩 —漫谈流体中的旋涡,力学与实践,1995,17(2):68~70

3. 王振东,流体涡旋漫谈,现代物理知识,2012,24(2):9~16

4. H.J.Lugt ,Vortex Flow in Nature and Technology,New York:John Wiley  & Sons,1983

 

     Vortex   galaxy  and  Sky  edition’s 《Starry  Night》

 

                    WANG   Zhendong

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如何阻止天外来物撞击地球

            如何阻止天外来物撞击地球

王达亮*,许香照+,[1])

*(北京理工大学宇航学院,北京 100081)

+(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)

摘要:天外来物绝大多数在进入大气层后就摩擦烧毁了,但始终是潜在的威胁。国际上设想了多种方法来阻止外来物撞击地球,但目前只停留在理论设想中,并未给出定量的理论分析以及可行性分析,在实际中也未成功拦截过外来物或者是改变其运行轨道。本文针对这一国际热点问题,在理想情况下定量的对采用动能冲击以及核爆方式改变陨石运动轨迹进行简要的理论分析;其次,采用课题组自主开发软件,考虑弹体和外来物的变形,对两种加载方式进行数值模拟研究。通过理论和数值模拟分析,对于直径为46米的外来物,千万吨量级的核爆很可能改变外来物的运行轨道甚至将其摧毁;而动能冲击的方式在目前的科技水平下很难实现。

关键词:天外来物;撞击;爆炸与冲击;数值仿真

中图分类号O389         文献标识码A
 

How to prevent outer-space comers strike the earth

WANG Daliang*,XU Xiangzhao+,1)

*(School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China)

+ (State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract Most outer-space comers burn down after entering the atmosphere, while it is always a potential threat. To prevent outer-space comers strike the earth, international scholars envision a variety of methods which only stay in the theoretical assumptions and dont give quantitative analysis in theory and feasibility. In practice, there is no successful case of intercepting an outer-space comer or changing its orbit. According to this international hotspot issues, firstly, we did a brief theoretical analysis of changing the meteor trajectory, which were achieved by kinetic energy of impact and nuclear explosion;Secondly, we use self-developed software which consider the deformation of the projectile and outer-space comers to simulate the two loading modes. Through the theoretical analysis and numerical simulation, for an outer-space comer of 46 meters in diameter, ten million tons nuclear explosion may change its orbit or even destroy it. Meanwhile, kinetic energy of impact is difficult to realize under the current level of science and technology.

Key wordsouter-space comers; strike, explosion and impact;numerical simulation

引言

历史上,陨石以及小行星撞击地球的事件时有发生,目前估算认为大约每1000年会有一颗直径100m左右的陨石撞击地球,这样一场撞击将会形成一个直径超过1公里的陨击坑[1]。而10公里级的陨星撞击则大约每隔1亿年会发生一次,其形成的陨击坑直径将超过100公里,科学家们认为恐龙灭绝便是在大约6500万年前由于一颗陨星撞击导致的[2-3]。在更近的历史上,这样的案例也有很多,其中最著名的当属1908年6月30日发生在俄国西伯利亚的“通古斯大爆炸”事件。尽管仍然存有分歧,但大多数科学家认为这次爆炸事件便是由一颗直径在50~60m左右量级的小行星(或彗星)撞击形成的[4]。2013年2月15日早晨在俄罗斯车里雅宾斯克州坠落的陨石即俄罗斯陨石已造成近500人受伤。坠落的陨石在穿越大气层时摩擦燃烧,发生爆炸,产生大量碎片,形成了所谓“陨石雨”。

1

1 陨石撞击地球示意图

而随着技术的进步,科学家们已经开始能够在这种小天体进入地球大气层之前便发现它们并开展追踪,这样的成功案例已经存在:2008年10月7日,小行星2008TC3进入地球大气层,这颗小天体的直径仅有2~5m左右,重约80吨,最后它在苏丹上空大约37km高度发生爆炸并坠毁,科学家们随后在其坠落点附近收集到10.5kg的超过600块陨石碎块。一般天文学上认为,几十米直径的陨石撞击地球会造成强烈影响,估计直径在一二百米的陨石会造成毁灭性的气候巨变,造成至少90%的人类死亡[5]。人类依靠了科技,生存能力比其它物种会强一些,对能造成人类灭绝的陨石至少多大科学界并没有共识,一般认为1km直径的陨石撞击地球人类无法承受。目前,国际上对外来物的防护提出了多种的设想,其中主要的方式有:1)动能冲击的方式,采用合适的方式对其进行撞击使其改变运行轨道偏离地球;2)核爆方式,核爆目前是人类能够在瞬间提供巨大能量的最有效手段,被认为是地球免受外来物撞击的最有效方式。但是,国际上提出了这些方法仅存在于理论设想中,并未给出定量的理论分析以及可行性分析。

本文针对上述问题,对两种防护手段进行定量的理论和数值模拟分析。在理想情况下,对采用动能冲击和核爆方式进行理论以及可行性分析;并在理论分析的基础上,采用课题组自主开发的三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件(EXPLOSION-3D)在更贴近真实情况下对两种加载方式进行数值模拟分析。综合理论分析和数值模拟结果可知,以小行星2012 DA14为研究对象,千万吨量级的核爆能够改变其运行轨迹或是将其摧毁。而在目前的科技水平下,动能冲击的方式很难实现。

1、理论建模分析

    小行星2012 DA14是一颗典型的近地小行星,直径40至50m,将在距离地球约27680km的空间掠过,届时2012DA14将距离地球只有35000km。然而,据天文学家对小行星轨道的计算,这颗小行星并不会撞击地球。本文以其为假想外来物背景作为研究对象。

地球同步卫星的轨道高度3.6万公里,近地轨道上地球对其有一定的引力作用,很有可能地球引力将使得外来物朝着地球飞行。假设在该距离对外来物进行拦截,改变其运行轨道。小行星2012 DA14直径为46m,假定其撞击地球的位置为地球中心。根据美国航天局的最新评估,撞击俄罗斯的陨石进入大气层后飞行速度高达每秒18公里。在此,假定小行星以恒定速度18km/s向地球靠近,则其到达地球的时间为1646s。地球的平均半径为6371.11km。依照上述数据建立一个陨石撞击地球的飞行轨迹示意图,如图2所示。

 2

 

图2 陨石撞击地球飞行轨迹示意图

    若使得陨石在这种情况下不与地球发生碰撞,必须在到达地面之前使得陨石的横向运动距离超过地球半径。由匀速运动公式s=v×t可计算陨石的横向速度至少为3.87km/s。目前,国际上对这类问题的主要处理方法有两种设想,一种是采用动能弹撞击,使其改变原有的运行轨道,偏离地球运行;还有一种更为普遍的想法就是采用核弹攻击,直接摧毁陨石,或通过爆炸驱动使其改变运行轨道偏离地球不对地球造成伤害。

1.1 动能撞击改变陨石的运行轨道

火箭及其运载物体空间航天器可以获得第一宇宙速度7.9km/s。美国1973年4月6日发射的先驱者10号,它的速度达到14km/s左右,在这之后1977年8月20日发射的旅行者号探测器,能够达到这是16.7km/s,也就是第三宇宙速度,这是人类到今天为止能达到的最快速度。

动能撞击的外来物,主要的设想方法是对准外来物的质心进行撞击,使其偏离原有的轨道,不与地球发生碰撞。基于最根本的能量守恒,对撞击进行理论分析。采用最简单的分析方式,假设动能撞击体以及陨石均为完全塑性体。以一个直径为六米的刚性球体撞击陨石,如图3所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 3

 

图3 动能撞击小行星示意图

采用高强度钢作为撞击弹体材料,其密度a 0kg/m3,弹体的质量由公式(1)计算得到。

a kg                         (1)

陨石的平均密度在3~3.5间,主要成分是硅酸盐;陨铁密度为 7.5~8.0,主要由铁、镍组成;陨铁石成分介于两者之间,密度在5.5~6.0间。在此计算取中间的密度为研究对象,取陨石的密度为a1kg/m3。小行星的质量由公式(2)计算得到。

b kg                        (2)

弹体撞击陨石时,使得其飞向地球的速度与陨石飞向地球的速度v大小一致,均为18km/s。两者在飞向地球方向的相对速度为零。根据前面的完全塑性体假设,弹体的能量将全部转化为陨石的能量。由此可得:

c          (3)

式(3)和式(4)中, 为垂直撞击陨石的速度;为撞击之后弹体和陨石共有的速度;为陨石飞向地球的速度。

由前面的分析可知,对着这样的撞击,陨石的横向速度至少为3.87km/s才能保证陨石不与地球发生撞击。也就是的最小值为3.87km/s。将其带入公式(3)中,可得到弹体的撞击速度最小值=70.92km/s。该速度远超过人类所能达到的极限速度16.7km/s,对于这样的一个速度,而且弹体的质量高达882吨,目前的科技将无法实现。

1.2 核弹爆炸改变陨石的运行轨道

大多数科学家认为核武器完全可以摧毁小型陨石,碎片可以在大气层中烧毁不会造成太大影响。对于大型陨石,可通过多次核攻击,使其改变原有的轨道偏离地球,如图4所示。

 4

 

图4 核弹攻击陨石示意图

若采用一个100万吨当量的核弹对陨石进行爆炸摧毁,作一个简单的假设,核弹的能量全部转化为陨石的动能。1吨TNT炸药可产生4200兆焦耳的能量,100万吨TNT炸药爆炸将产生4200×106兆焦耳的能量。若将整个核弹爆炸的能量转换为陨石的动能,可计算出陨石的速度为3.77 km/s,接近不与地球撞击的最小速度。核弹爆炸问题是一类涉及高应变率、高温、高压、相变等极端条件的瞬态动力学问题。在这些极端条件下,材料将会发生极大的变形,结构将被破坏,很有可能在百万吨当量的核弹作用下,陨石会被炸碎。从而不对地球造成伤害。从简单的能量角度分析可知,采用核弹攻击陨石的手段更为可行。

2、数值模拟分析

前面对陨石撞击问题的分析,均在理想条件下实现的。采用动能弹体冲击的想法,在超高速撞击下,陨石内部的一系列复杂力学情况均未考虑。完全弹塑性假设仅能提供一些直观分析数据,并不能反映其真实的撞击情况。核弹爆炸摧毁陨石的简单分析与实际情况相差甚远,爆炸过程中不可能所有的爆炸能量均转化为动能。但是,上述的简单理论分析能够为下一步的工作提供了一些理论指导,给出了大致的方向。在以下的数值模拟分析中,我们根据理论分析得到数据,考虑弹体、陨石变形以及爆炸的作用,适当取值进行数值模拟,定量地对两种设想进行数值模拟分析。     

采用课题组自主开发的三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件(EXPLOSION-3D)进行数值模拟,EXPLOSION-3D是采用有限差分方法的三维多物质欧拉型工程仿真软件,能够进行大规模计算的并行软件,在处理涉及到材料的大变形、多种物质交界面及各种强间断的爆炸与冲击问题有着显著的优势,能够有效地对工程中各种复杂爆炸与冲击的过程进行数值模拟[6]

2.1 动能冲击陨石的数值模拟分析

算例模型和理论分析模型参数一致,如图5所示。弹体长度为直径2R1=6m。冲击速度50km/s。计算域为60.0m×60.0m ×60.0m,采用等步长离散计算域,网格步长为0.20m,共离散301×301×301个网格,共2727.1万个网格。其中弹体为Arne 工具钢,材料本构方程采用含热软化效应的增量型弹塑性本构关系,材料状态方程采用广泛应用的Mie-Grϋneisen 状态方程[7],参数如表1

1 Arne工具钢材料参数

(g/cm3)

E(GPa)

c0

a

s1

s2

s3

7.85

200

4600

2

0.43

1.33

0

0

 

5

5 动能冲击模型图

数值模拟结果如图6所示。从图中可以看出,在50km/s的超高速冲击下,弹体侵彻陨石与现实中侵彻钢板或是混凝土的情况完全不一样。在撞击过程中, t =1.691ms弹体发生了严重的大变形,近似成为流体。而在后面的过程中,弹体的烧蚀很严重,质量的损失比较严重。当t =21.774ms时,整个弹体几乎全部烧蚀。在此之后,弹体对陨石将不在起到任何的推动作用。

    

6 1    

                                           t =0.193 ms    t =1.691 ms        t =2.973ms

6 2        

                                       t=9.021 ms      t =14.817 ms       t =21.774ms

                     图6 弹体撞击陨石的二维以及三维剖切数值模拟结果

    由数值模拟结果提取数据,得到弹体撞击陨石后陨石的平均速度达到了3.6 km/s。对于这个速度虽然接近了理论计算的不与地球碰撞的最小安全速度。但是对于半径为3m,重达800吨的大实心钢球,目前科技很难实现将其运送到外太空并将其加速到50km/s。因此,对于外来物的防护,仅采用动能撞击的技术手段很难实现。

2.2 核弹爆炸改变陨石轨道数值模拟分析

采用和理论分析的模型一致,将核弹紧贴在陨石的壁面进行爆炸。TNT当量为1万吨的核弹对其进行爆炸加载。炸药爆轰产物的状态方程在软件选用可变指数多方气体状态方程,空气采用理想气体的状态方程。爆轰产物主要参数见表2和表3,其中为初始炸药密度,P为CJ爆轰时产生的压力,C为CJ爆轰时冲击波的速度,e为炸药的初始比内能,k0为爆轰产物的多方指数,k1是爆轰产物充分膨胀下的多方指数,b是调节系数。

 

2 TNT炸药爆炸性能参数

(g/cm3) P (GPa) C (m/s) e (KJ/g)
1.60 18.5 6970 7.0

 

3 TNT炸药可变指数多方气体状态方程参数

k0 k1 b
3.0 3.16 1.0

 

由图7显示了爆炸驱动陨石的整个过程。由数值模拟能够清晰地看到爆炸冲击波在整个陨石内部的传播过程及其相互作用情况。由数值模拟结果可以看到,核弹的爆炸威力巨大,将附近的陨石直接炸碎,当t =44.50 ms,陨石已经被炸出一个大坑,并且产生大量的碎片云。但是,核弹爆炸的能量并非完全加载在陨石上,大部分能量向其他方向扩散,能量急剧下降,未能有效地加载在陨石上。当t =78.40ms以后,核弹爆炸所产生的能量对陨石几乎没有作用,t =90.368 ms的数值模拟结果与t =78.40ms的结果几乎一致,陨石坑的深度并未有显著的加深。

  

7  

                                     图7核爆炸手段的二维以及三维数值模拟结果

    在1万吨TNT完全爆炸后陨石的整体速度达到了151m/s。根据陨石得到的速度,可以简单的进行能量计算。1万吨TNT完全爆炸所释放的能量为4200×104兆焦耳,而陨石所得到的动能为3.367×106兆焦耳。按照这样的比例粗略的估算,进行这样的核爆炸驱动,陨石能得到核弹释放能量的10%左右。以此类推,若采用千万吨的核弹爆炸,其陨石动能应该是百万吨TNT爆炸的能量,根据1.2的理论分析,陨石获得的速度将超过脱离地球的最小安全速度。

4 总结

本文仅从力学的角度对动能冲击以及核爆炸两种驱动陨石改变其轨道的方案进行了初步探讨。在理想情况下,进行了定量的理论以及数值模拟分析,计算结果表明对小行星2012DA14(直径约为46m)这类的天外来物采用核爆炸驱动是有效途径之一。然而天外来物并非单一介质,飞行轨道也难以确定,很难精确地对准其质心进行加载。其次,核爆炸是一个极其复杂的问题,对于如何防止核爆炸后的辐射尘埃降落地面以及如何防护其不对人类造成伤害都是需要考虑的因素。另外,核爆后陨石不会保持完整的形状脱离地球,会造成大量的碎块,而这些碎块的轨迹又将是更为复杂的问题。总之,本文仅从力学的角度对如何阻止天外来物撞击地球做了一个初步的探讨,有待更为细致的分析。

 

参考文献

[1] 薛廷河,张成全. 撞击速度的变化对陨石撞击形变场的影响及其规律探讨[J]. 岩石力学与工程学报. 2003(03): 467-471.

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[3] 向辑熙. 陨星撞击地球将是21 世纪的研究热门[ J] .中国地质, 1998( 3) : 26- 29 .

[4] 宁建国.方方面面话爆炸[M].北京:高等教育出版社,2011.

[5] 覃功炯, 欧强. 国内外对天体撞击地球的撞击构造研究的新进展[ J] . 地学前缘, 2001, 8( 2) : 345- 352.

[6] Ma, T. B., Wang, C. and Ning, J. G. (2008). Multi-material Eulerian formulations and hydrocode for the

simulation of explosions. CMES-Comp. Model. Eng., 33: 155–178.

[7] 宁建国, 王成, 马天宝.爆炸与冲击动力学[M].北京:国防工业出版社,2010.


1) 许香照(1989—),男,博士研究生,主要从事大规模并行计算研究,Emailxuxiangxuxiangz@bit.edu.cn

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从И.Г.布勃诺夫生平活动 寻迹“船舶结构力学”的创建

从И.Г.布勃诺夫生平活动

寻迹“船舶结构力学”的创建

郭日修

海军工程大学舰船工程系,武汉,430033

 

  要:本文内容分两部分。第一部分,简介И.Г.布勃诺夫生平活动。第二部分,从И.Г.布勃诺夫生平活动追寻他如何创建“船舶结构力学”:接受优质的造船专业教育,攻读高水平数学力学课程;充分认识发展钢壳船面对的问题,以建立一门船舶结构强度计算学科为已任;为建立这一学科作充分的理论准备;在军舰结构设计实践中建立船舶结构强度计算方法;将计算方法的实践上升为理论,建立“船舶结构力学”学科;培养人才,使这一学科后继有人,不断发展。

关键词:船舶结构力学;力学史;И.Г.布勃诺夫;生平

 

 

引言

1909年,И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院讲授“船舶结构力学”,这是此前高等学校未曾开设过的一门新课;19121914年,И.Г.布勃诺夫的专著《船舶结构力学》第I、Ⅱ卷先后问世,这标志着一门新的学科——“船舶结构力学”诞生。它开辟了研究船舶结构强度新领域,为船舶结构设计提供理论和计算方法,使船舶结构设计由经验设计走向理性的分析计算,这是一项有重大理论意义和工程应用价值的辉煌的学术创新,有力地推动了造船科学技术进步和船舶工业发展。

И.Г.布勃诺夫18721月出生于俄罗斯,卒于19193月,其人生仅47岁,堪称短暂。然而,在其短暂的一生中,竟创造出如此辉煌的学术成果,这不能不令人惊叹!是什么原因使他具有如此出众的才华、创造出那样辉煌的成果?本文试从И.Г.布勃诺夫的生平活动,追寻他创建“船舶结构力学”的历史轨迹,对如何培养拨尖创新人才,可能有所启发!

И.Г.布勃诺夫生平活动[1]简介

2.1  求学

1881-1887  И.Г.布勃诺夫完成了初等教育和中等教育。18878月进入喀琅施塔得“海军技术学校”(按当时俄罗斯学制,属高等学校),入机械工程系,一年后转入造船工程系,18919月毕业,年方19岁。毕业后从事船舶建造工作。

1894年海军征集11000t快速巡洋舰设计方案,1895年海军从征集的诸多设计方案中评选,И.Г.布勃诺夫提出的设计方案入选优秀设计方案第1名,初步显示了这个年青人的才华。

189410月,И.Г.布勃诺夫进入“海军学院”(按当时俄罗斯学制,属研究生院)造船工程系深造,在著名数学家、力学家、造船学家А.Н.克雷洛夫指导下,于189610月以最优成绩毕业。经А.Н.克雷洛夫推荐,留学院任教。

2.2  执教、发表学术论文和著作

189610月,И.Г.布勃诺夫开始在海军学院执教,А.Н.克雷洛夫推荐他开设新课“造船现代化进展述评”和“军舰设计”。在这同时,И.Г.布勃诺夫到彼得堡大学跟随名师攻读“纯数学”、“偏微分方程”、“变分法”、“概率论”,以及“分析力学”、“弹性理论”等数学力学课程,提高自己的数学、力学水平。

1897-1899年,И.Г.布勃诺夫结合教学,在海军学院石印出版了多种讲义:《军舰设计》和《惯性矩与利用系数》、《(船体)接缝分布与不同构件的铆钉连接》、《波浪中船的纵摇》、《论弯矩的计算》等与军舰结构设计相关的讲义。

1902年,И.Г.布勃诺夫发表了著名的《船壳板在水压下的应力》一文,解决了“柔性板”计及中面力的应力计算问题,这是当时有待解决的计算船舶结构强度的一个基本问题,也是关键问题。受到国际造船界的重视,其英文本在英国《造船工程学会会刊》上发表(1902Vol.XLIV)。

1904年,И.Г.布勃诺夫开始在彼得堡理工学院结构力学教研室任教,开设“弹性理论”、“结构力学”课程。1906年在学院石印出版讲义《弹性理论与结构力学》,书中,除应力、变形理论、弹性力学基本问题等一般内容外,还编入了计算船体结构强度所需的结构力学内容,以及板理论等新内容。

1909年,И.Г.布勃诺夫任彼得堡理工学院教授,讲授“船舶结构力学”,在世界上、在高等学校开设这样一门新课是前所未有的。这一年,И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院石印出版《船舶结构力学补充教程》讲义。

1912年和1914年,И.Г.布勃诺夫的专著《船舶结构力学》卷I、卷Ⅱ先后出版,并开始用作彼得堡理工学院和海军学院的教科书。

И.Г.布勃诺夫于19108月任海军学院教授,191610月,获“功勋教授”荣誉称号。

1913年,И.Г.布勃诺夫在《评铁木辛柯教授论文集》的评语中,首先提出求解齐次边界条件弹性力学问题的近似方法,后来被称为“布勃诺夫伽辽金方法”[2],其重要性已超出了结构力学,被广泛应用于求数学物理方程的近似解。

1916年,И.Г.布勃诺夫发表《加肋薄壁圆管的临界压力》一文,这是И.Г.布勃诺夫留下的计算潜艇耐压壳体(加肋圆柱壳)的唯一一篇论文。

И.Г.布勃诺夫在海军学院和彼得堡理工学院执教,都一直持续到19193月他去世。

2.3  设计建造军舰

1903年,И.Г.布勃诺夫担任俄罗斯海军技术委员会“造船绘图室”(“设计室”——作者注)领导,该室负责军舰的“草图设计”。此后,И.Г.布勃诺夫以大量精力投入军舰设计制造,仅在波罗的海造船厂领导军舰设计制造,前后长达十余年。

1907年И.Г.布勃诺夫提出一战列舰“草图设计”方案,获准设计建造。1907-1908在波罗的海造船厂成立设计组,在И.Г.布勃诺夫领导下进行该舰的设计,И.Г.布勃诺夫提出了一套计算船体结构强度的方法和“许用应力标准”。该舰结构和主要构件均按И.Г.布勃诺夫提出的方法进行设计计算,所有重要的计算均由И.Г.布勃诺夫本人进行。基于强度计算进行军舰结构设计这个重大课题,在舰船设计的实践中,得以全面解决。这便是著名的“塞瓦斯托波尔”型战列舰,排水量23000t。该型舰采用的钢材也是И.Г.布勃诺夫在“船模试验水池”作过研究的钢材。该型舰1909年开始建造,共4艘,均于1911年下水,1914年建成投入使用。

1913-1914年波罗的海造船厂将该型舰的“计算书”石印出版,共5卷,963页,这是世界上运用结构力学进行舰船结构强度计算的首例,其“计算书”堪称典范。

1911年开始,И.Г.布勃诺夫在波罗的海造船厂领导设计排水量32500t的“超级战斗巡洋舰”,采用纵骨架式结构,这种骨架形式,后来成为水面舰船经典的骨架形式,人们称之为“布勃诺夫骨架形式”。1914年完成了“伊兹马伊尔”等4艘该型舰的船体建造。

1901年以后,И.Г.布勃诺夫还设计建造了大批潜艇,著名的有1909年设计的“雪豹”型,排水量t,“海象”型,排水量t,前者用于波罗的海,后者用于黑海,均批量生产,是俄罗斯在第一次世界大战中的主战潜艇。

И.Г.布勃诺夫一生主持设计了48艘水面舰和潜艇。

2.4  试验研究工作

19082月,И.Г.布勃诺夫担任俄罗斯“船模试验水池”的领导工作。“船模试验水池”进行船模拖曳试验,测量船舶的水动力性能(如船舶的阻力),研究改进船型。

И.Г.布勃诺夫担任“船模试验水池”领导工作后,扩大了该机构的研究工作范围,开展造船材料(钢材)力学性能的试验研究,以及应用弹性力学的试验研究。他为该机构购置了压力500t的材料试验机,进行了大量的材料试验研究。

19143月,И.Г.布勃诺夫结束了在船模试验水池的工作。

 

寻迹И.Г.布勃诺夫如何创建船舶结构力学

    从前面简介的И.Г.布勃诺夫生平活动,可以看出,他如何创建船舶结构力学,是有迹可寻的,试分析、寻迹如下。

3.1  接受优质的造船专业教育,攻读高水平的数学力学课程

    И.Г.布勃诺夫热爱造船专业,接受了优质的专业教育,高校毕业、工作之初,便显示出他的才华。后又继续进研究生院深造,获名师指导,以优异成绩毕业。他具有造船专业坚实的基础理论和系统的专业知识。从研究生院毕业、工作之初,他还到彼得堡大学在名师指导下,攻读高水平的数学力学课程,使他具有很高的数学造诣。优秀的力学家必然首先是数学家,И.Г.布勃诺夫也遵循这条规律。

3.2  充分认识到发展钢壳船面对的问题,以建立一门船舶结构强度计算学科为已任

    1896-1897年,И.Г.布勃诺夫在海军学院开设“造船现代化进展述评”和“军舰设计”两门新课。通过实际考察和收集资料,他发现19世纪后期,木船发展为钢壳船的“现代化”进程中,不少船舶出现海损事故。有的船因甲板失稳导致船体折断,如1874年英国蒸汽船“玛丽号”;有的船底部壳板在肋板邻近出现裂缝导致船体在海浪中折断;有的船因片面追求航速而盲目降低船体构件尺寸以降低船体重量,导致船体强度不足而破坏。究其原因,是由于当时钢壳船建造因袭木船建造的经验,船体结构没有合理的强度计算,尤其缺乏钢壳板在水压下的应力计算方法,以及阐明这种局部弯曲应力与船体总弯曲应力的相互关系的理论,以致船体结构强度不足,造成海损事故。从大量的海损事故分析,И.Г.布勃诺夫认识到,要使钢船建造能良好发展,需要建立一门计算船舶结构强度的学科,为军舰设计服务,使军舰结构设计建立在合理的强度计算基础上,犹如当时计算桥梁、房架等工程结构物强度的“结构力学”一样。这是当时钢船建造能否向前发展的重大问题!这位年青的造船工程师胸怀大志,以建立这样一门计算船舶结构强度的学科为已任,为自己确立了研究方向和奋斗目标!

3.3  为建立计算船舶结构强度的学科作充分的理论准备

1896年开始,И.Г.布勃诺夫在海军学院执教,1904年开始在彼得堡理工学院执教。他结合讲授“军舰设计”、“弹性理论”、“结构力学”等课程,为建立一门计算船舶结构强度的学科,作充分的理论准备。准备工作分两方面展开。

一方面他研究如何应用“弹性理论”、“结构力学”(当时的内容是“杆系结构力学”)已有的理论和方法解决某些船体结构或构件的强度计算问题。为此,在他编写并在学院石印出版的讲义中,有多章与船体结构或构件强度计算相关的内容(见本文2.2节)。

另一方面,И.Г.布勃诺夫对当时“弹性理论”、“结构力学”尚不能解决的某些船体结构特有的强度问题,研究提出新的理论和计算方法予以解决,例如1902年И.Г.布勃诺夫发表著名的《船壳板在水压下的应力》一文,解决了在船体结构中极其重要的“柔性板”(或称“有限刚度板”)计及中面力影响的应力计算问题。研究解决了船壳板在水压下的应力与船体总弯曲应力的合成问题。解决了板在某些特殊受力状态下的稳定问题。在认识了船壳板在水压下的应力分布规律后,И.Г.布勃诺夫指出钢壳船沿袭木船采用横式骨架的不合理性,提出改革船体骨架形式,采用“混合式骨架”和更合理的“纵式骨架”结构。这样可以降低船壳板的纵向应力从而降低船壳板的总应力(合成应力),并可提高船壳板的失稳临界压力,从而有效地降低船体结构的重量,提高其强度。人们因此称“纵式骨架”为“布勃诺夫骨架形式。”И.Г.布勃诺夫在船体总纵强度计算中,针对部分柔性板先于相邻的刚度大的板失稳的情况,提出“缩减系数”概念和采用逐步近似方法计算船体梁的总纵弯曲应力,从而提出更精确的总纵弯曲应力的计算方法。这些问题都是船舶结构强度计算特有的、重要的问题,是И.Г.布勃诺夫创造性的首先提出并研究解决的问题。

约十年时间,И.Г.布勃诺夫为计算船舶结构强度作了充分的理论准备。

3.4  在军舰结构设计实践中,建立船舶结构强度计算方法

1907-1908年,И.Г.布勃诺夫在波罗的海造船厂领导一个设计组进行“塞瓦斯托波尔”型战列舰设计。基于他此前的理论准备,他提出了一套舰船结构强度计算方法,指导设计组进行结构设计计算,所有重要的计算均由他本人完成。基于强度计算进行舰船结构设计的理念和方法,在塞瓦斯托波尔型战列舰的设计实践中取得成功。随后该型舰开始建造,1914年建造完成,交付使用。

1913-1914年波罗的海造船厂将《塞瓦斯托波尔型战列舰的计算书》出版。这标志着И.Г.布勃诺夫创建的系统的、全面的船舶结构强度计算方法,在军舰设计建造的实践中证明是正确的,可行的,有效的,因此公之于众。

3.5  把实践经验上升为理论,建立“船舶结构力学”学科

按И.Г.布勃诺夫创建的强度计算方法设计建造塞瓦斯托波尔型战列舰船体结构取得成功,还只是一次成功的实践经验,还不能成为一门学科。要建立一门学科,还必须有严谨的基础理论,有合乎逻辑的内在的学科体系,有充实的内容,有专著作系统的陈述,使学者对这门学科能学习、理解和运用。为此,И.Г.布勃诺夫做了深入的工作。

1909年,И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院造船系开设“船舶结构力学”课程,通过讲课,使他对这门学科言之成理,能进行系统的陈述。

1912-1914年他的两卷本《船舶结构力学》专著问世,其内容[3]包括①静定梁和超静定梁的横向弯曲(§§1-913-14);②直梁和微曲梁的纵横弯曲与稳定性;③平面杆系的弯曲与稳定性(§1215-18);④刚性板的弯曲与稳定性(§§19-22);⑤柔性板的弯曲(§§23-25);⑥梁、杆系和板的振动(§§2627)。可以看出,这两卷本专著是“船舶结构力学”的基础理论,未涉及船体结构的总强度和局部强度问题。И.Г.布勃诺夫原计划出版“专著”3卷,1914年第一次世界大战爆发,俄罗斯陷入战争,专著的第3卷未能出版,1919年И.Г.布勃诺夫不幸去世。所幸1909年И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院出版了一本讲义(石印)《船舶结构力学补充教程》,其内容有①许用应力(§§1-4);②船体总强度(§§5-9);③船体骨架的强度(§§10-14,包含底部、舱壁、甲板骨架的强度);④船体结构中板的强度(§§15-17);⑤铆钉连接(§§18-19)。一般认为这本《补充教程》就是И.Г.布勃诺夫原计划出版但没有来得及出版的《舰船结构力学》卷Ⅲ的主要内容。1916年И.Г.布勃诺夫发表《加肋薄壁圆管的临界压力》一文,是有关潜艇结构强度的论文,也是应当纳入卷Ⅲ的内容。

И.Г.布勃诺夫开设“船舶结构力学”课程和出版《船舶结构力学》专著,标志着一门新学科的诞生。他为“船舶结构力学”奠定了坚实的基础——规定了学科的名称、任务,构建了学科体系的框架,展示了它的基本内容,使船舶结构设计由经验设计转变为应用船舶结构力学理论和方法进行强度计算的理性设计。

3.6  培养年青学者,使这一新学科后继有人,不断发展

“船舶结构力学”这一新学科创建后,И.Г.布勃诺夫的工作并没有停止。他继续在海军学院和彼得堡理工学院讲授“船舶结构力学”,培养年青一代,使这一学科领域后继有人,英才辈出。其中突出的如П.ф.帕普柯维契、Ю.А.希曼斯基[3],他们或者出版宏篇巨著,使“船舶结构力学”理论更加充实、严谨;或者着力研究“船舶结构力学”的工程应用,使之丰富多彩。由于一代一代学者的持续努力,И.Г.布勃诺夫创建的“船舶结构力学”学科不断充实、发展,并广泛传播,走向世界,有力地推动了造船科学技术进步和船舶工业发展!

结束语

И.Г.布勃诺夫是一位天才的造船学家、优秀的力学家。他创建“船舶结构力学”学科,是由于他的才华,但更主要的是由于他几十年如一日,勤奋、持续、踏实地沿着一条理论与实践相结合的道路,不懈地努力。他从实践中发现钢船发展需要有计算船舶结构强度的理论和方法;他抓住这个问题,开展研究,作充分的理论准备;他在军舰设计实践中提出全面的舰船结构强度计算方法,取得成功;他将成功的计算方法的实践经验提升为理论,创建一门理论严谨,内容充实,体系合乎逻辑,应用性强的“船舶结构力学”。他培养一批英才,使后继有人,推动这一学科不断发展,广泛传播,有力地促进了造船科学技术进步,推动了船舶工业发展。

今天,人们广泛讨论如何培养拔尖创新人才问题,本文追寻И.Г.布勃诺夫创建“船舶结构力学”的历史轨迹,对解决这个问题是不是也有所启发?!

参考文献

[1] А. С. ВОлЪМИР,ОЧЕРК ЖИЗНИ ИДЕЯТЕДЬНОСТИ И.Г.ЪУЪНОВА,ВИ.Г.ЪУЪНОВ, ТРУДЫ ПО ТЕОРИИ ПЛАСТИН.

[2] 郭日修. 布勃诺夫伽辽金方法溯源。见:王希诚等,科学殿堂的力学之光,大连,大连理工大学出版社,2011

[3] 郭日修.《船舶结构力学》学科创建人,见:曲淑英  杨正光,中外力学思维纵横,北京,大众文艺出版社,2009

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疑是银河落九天──漫话瀑布

          

 

             疑是银河落九天

                                     ──漫话瀑布

       王振东(天津大学力学系,天津300072

          Talk   about   the   waterfall

                        WANG   Zhendong

摘要  从李白关于庐山瀑布的名诗谈起,讨论了瀑布的成因。作为例子欣赏了我国的黄果树瀑布、壺口瀑布,以及美加之间的尼亚加拉瀑布。分折了水力发电的优缺点,指出要重视过度开发水力资源对生态文明的破坏。

 

关键词  瀑布,水力发电,环境保护,生态文明

 

日照香炉生紫烟,遥看瀑布挂前川。

    飞流直下三千尺,疑是银河落九天。

这是唐代诗人李白(701-762)所写的七绝“望庐山瀑布”,是诗人55岁在庐山隐居时所写关于庐山瀑布的两首诗之一。香炉指庐山香炉峰,“在庐山西北,其峰尖圆,烟云聚散,如博山香炉之状”(乐史《太平寰宇记》)。从远处望去,在红日照射下,香炉升起的团团白烟化成了一片紫色烟霞;瀑布像是一条巨大的白练高挂于山川之间。诗人维妙维肖地写出了倾泻的瀑布在“遥看”中的形象,生动地表现出瀑布奔腾飞泻的气势。

第三句用夸张的比喻和浪漫的想象,进一步描绘瀑布的动态。“飞”字把瀑布喷涌而出的景象描绘得极为生动;“直下”既写出山之高峻陡峭,又可见水流之急,高空直落、势不可档之状如在眼前;“三千尺”夸张了瀑布的壮观,可以说字字珠矶,无一虚设。最后一句将瀑布比作璀璨的银河,既生动又贴切,其中一个“疑”字率直道破出诗人的想象,令人感到意味深长。

宋人魏庆芝评论说:“七言诗第五字要响。……所谓响者,致力处也。”四句中有三句的第五字均十分精彩:“生”字,不仅写“活”了香炉峰,也表现出山间的烟云冉冉上升、袅袅浮游的景象。“挂”字,化动为静,突出瀑布如珠帘垂空,把瀑布勾画得传神入化。“落”字也很精彩,它活画出高空突兀、巨流倾泻的磅礴气势。

1

                                      望庐山瀑布诗意画

    李白还有另一首写庐山瀑布的五言古诗

   

     西登香炉峰,南见瀑布水。挂流三百丈,喷壑数十里。

   欻如飞电来,隐若白虹起。初惊河汉落,半洒云天里。

   仰观势转雄,壮哉造化功。海风吹不断,江月照还空。

   空中乱潈射,左右洗青壁。飞珠散轻霞,流沫沸穹石。

   而我乐名山,对之心益闲。无论漱琼液,还得洗尘颜。

   且谐宿所好,永愿辞人间。

这两首诗,紧扣题目中的字,都以庐山的香炉峰入笔描写庐山瀑布之景,都用字突出瀑布如珠帘垂空,以高度夸张的艺术手法,将飞流直泻的瀑布描写得雄伟奇丽,气象万千,宛如一幅生动的山水画。

   李白两诗所写是庐山山南秀峰风景区内的开先瀑布,其五言古诗中左右洗青壁写的就是瀑布在洗刷青玉峡上的千仞峭壁。当下庐山旅游部门所大力推荐的三叠泉,也是庐山有名的壮观瀑布景点,但三叠泉瀑布的发现较开先瀑布要晚。

2

                                         庐山开先瀑布    

3

                                       庐山三叠泉瀑布

 

     除李白这两首脍炙人口的《望庐山瀑布》之外,也还有另一些唐代诗人写有关于庐山瀑布的诗,如:

中唐诗人徐凝写了一首《庐山瀑布》:

    虚空落泉千仞直,

    雷奔入江不暂息。

    古今长如白练飞,

    一条界破青山色。

徐凝的诗虽没有李白那种意气飞扬、自然流畅、天然浑成的气质,但是,徐凝诗的视角亦有独到之处。雷奔、界破等词坚定有力,雷奔二字在诗情画意之外平添了听觉效果,给人以身临其境的现场感;白练、青山色彩鲜明,亦给人一种舞动的印象。徐凝当时曾被著名诗人白居易、元慎看重,竭力奖掖推举。徐凝《忆扬州》诗中天下三分明月夜,两分无赖是扬州,直到今日仍然使得江苏扬州这座历史古城,平添如许文化底蕴。

 

    曾写下脍炙人口《枫桥夜泊》名句“夜半钟声到客船”的唐代天宝进士、诗人张继,也写有《江上送客游庐山

      楚客自相送,沾裳春水边。

      晚来风信好,并发上江船。

      花映新林岸,云开瀑布泉。

      惬心应在此,佳句向谁传。

   

    唐代诗人张九龄(678-740)亦写有《湖口望庐山瀑布泉》

       万丈洪泉落,迢迢半紫氛。

       奔飞流杂树,洒落出重云。

       日照虹霓似,天清风雨闻。

       灵山多秀色,空水共氤氳。

 

          瀑布及其成因

瀑布waterfall)在地质学上称为跌水,是指河流或溪水经过河床纵断面的显著陡坡或悬崖处时,成垂直或近乎垂直地倾泻而下的水流。在地质学上,是由断层或凹陷等地质构造运动和火山喷发等地表变化,造成河流的突然中断,另外流水对岩石的侵蚀和溶蚀也可以造成很大的地势差,从而形成为瀑布。瀑布也称河落(falls)。当流量很大时,可称为大瀑布(cataract)。流量小、陡峭度较小的瀑布称小瀑布(cascade),常指沿河的小跌落。

地质学家认为,形成瀑布的原因很多,主要原因是:组成河床底部的岩石软硬程度不一致,被河水冲击侵蚀得厉害,形成陡坎,坚硬的岩石则相对悬垂起来,河水在河道中奔流,遇到河床的陡坎时,便飞泻而下,形成了瀑布。除此之外,还有因山崩、断层、熔岩堵塞(一大块熔化了的岩石从下面挤上来。随着时间的推移,岩石慢慢地硬化了,就在河道中形成了一堵墙)、冰川(古代的冰川切入山谷之中,使两侧形成悬崖峭壁)等作用,形成瀑布。

号称世界最大瀑布的美国与加拿大交界处的尼亚加拉瀑布(Niagara Falls),是尼亚加拉河水翻过白云石的悬崖峭壁,直落入下面的一个大水池里。尼亚加拉河是连接伊利湖和安大略湖的一条水道,长仅56km,却从海拔174m直降至海拔75m,河道上横亘着一道石灰岩断崖.河水经过河床绝壁上宽350米的山羊岛,分成两部分,分别流入美国和加拿大,形成三个瀑布。这三个瀑布虽然一个在加拿大,二个在美国,可是三个瀑布都是面向加拿大,如果要一睹瀑布的真面目,都要到加拿大这一边。美国一边较大的瀑布称为美国瀑布在美国纽约州境内,高達50m,瀑布的岸长度305m。最大的瀑布在加拿大一侧,称为加拿大瀑布或马蹄瀑布。马蹄瀑布形状有如马蹄,高达56m,岸长约675m。马蹄瀑布由于水量大,溅起的浪花和水气有时高达100多米。由于翻滚流飞的水流不休止地浸蚀页岩,淘空了白云岩的岩洞,一块块的白云岩崩落而下,使得尼亚加拉河跌落的悬崖永远陡峭。

  4           

  美国与加拿大交界处的尼亚加拉瀑布

5

瀑布原为自然景观,加上人为光照点缀,可五光十色,使整个瀑布浸润在一种缥缈迷离的梦境中,成为了世界名瀑中独一无二的特色。

6

穿上雨衣乘观赏游船可充分领略瀑布的磅礴气势

在中国的一些名山大川中,差不多都有瀑布。中国最大的瀑布是贵州黄果树瀑布,黄果树瀑布位于贵州省安顺市镇宁布依族苗族自治县,是珠江水系打邦河的支流白水河九级瀑布群中规模最大的一级瀑布,因当地一种常见的植物黄果树而得名,瀑布高77.8m,宽101m,黄果树瀑布属喀斯特地貌中的侵蚀裂典型瀑布,已在此挺立5万年之久。黄果树瀑布不只是一个瀑布,以它为核心,在它的上游和下游20km的河段上,共形成了雄、奇、险、秀风格各异的瀑布18个。1999年被吉尼斯总部评为世界上最大的瀑布群,列入世界吉尼斯记录。

7

黄果树瀑布

   黄果树瀑布是世界上唯一可以从上、下、前、后、左、右六个方位观赏的瀑布。瀑布后的水帘洞,134m长的洞内有6个洞窗,5个洞厅,3个洞泉和2个洞内瀑布。游人穿行于洞中,可在洞窗内观看洞外飞流直下的瀑布。

   明代地理学家、旅行家徐霞客(15861641)是这样描述黄果树瀑布的:

   “……担夫曰:是为白水河,前有悬坠处,比此更深。余恨不一当其境,心犹歉歉。随流半里,有巨石桥架水上,是为白虹桥。其桥南北横跨,下辟三门,而水流甚阔。每数丈,辄从溪底翻崖喷雪,满溪皆如白鹭群飞。白水之名不诬矣!渡桥北,又随溪西行半里,忽陇箐云蔽,复闻声如雷,余意又奇景至矣!透陇隙南顾,则路左一溪悬捣,万练飞空,溪上石如莲叶下覆,中剜三门,水由叶上漫顶而下,如鲛绡万幅,横罩门外,直下者不可以丈数计。捣珠崩玉,飞沫反涌,如烟雾腾空,势甚雄厉。所谓珠帘钩不卷,匹练挂遥峰,俱不足以拟其壮也。盖余所见瀑布,高峻数倍者有之,而从无此阔而大者。但从其上下瞰,不免神悚。而担夫曰:前有望水亭可憩也’……”


    清代黄培杰也曾有诗写黄果树瀑布:

      犀潭飞瀑挂崖阴,雪浪高翻水百寻。

      几度凭栏观不厌,爱他清白可盟心。

 

黄果树瀑布群中面积最宽的瀑布──陡坡塘瀑布,位于黄果树瀑布上游1km处,宽105m,高21m。整座瀑布形成在逶迤100多米长的钙化滩坝上。更为奇特的是洪峰来临前会发出深沉的吼声,故又称吼瀑1983年央视拍摄《西游记》片尾的唐僧师徒西天取经之图像即取景于此。

 

中国的第二大瀑布是壶口瀑布,是黄河上唯一的黄色大瀑布,号称黄河奇观,其奔腾汹涌的气势常被称为是中华民族精神的象征。

壶口一名,最早见于战国时代的《尚书·禹贡》中,如既载壶口,治梁及歧《水经注》载:禹治水,壶口始。

明代诗人惠世扬所写《壶口》一诗赞道:

  源出昆仑衍大流,玉关九转一壶收。

  双腾虬浅直冲斗,三鼓鲸鳞敢负舟。

明代另一诗人陈维藩《壶口秋风》诗中描写到:

   秋风卷起千层浪,晚日迎来万丈红。

《尚书·禹贡》中只用八个字形容:盖河漩涡,如一壶然

     据许多学者研究认为,壶口瀑布也是水力侵蚀和冰川活动造成的。

 8

壶口瀑布处于秦晋峡谷的南段,河西属陕西省宜川县壶口乡,河东与山西省吉县相接,南距龙门约65km,孟门5km。壶口一带,黄河西岸下陡上缓,狭谷谷底宽约400m,由谷底上坡到龙王坡坡高约150m,崖岸很陡,龙王坡以上谷形展宽,谷坡平缓,黄河的横剖面成谷中谷的形态,在龙王辿以北,河幅宽度和狭谷宽度一致,河水充满狭谷,常水位流量在每秒10003000立方米,水面宽400余米,龙王辿以下,水流到壶口,在平整的谷底冲成一道深槽(在大河槽中套了一个小河槽)。小河槽宽3050m,深约30m。壶口以上,水在宽槽中流行,到了深槽上端,400宽的水面一下子全部倾注到3050m宽的深槽中,形成瀑布。此处河床形如一把巨大的茶壶,收尽奔腾不息的黄河之水,壶口因此得名。

秦晋峡谷流域的暴雨,降水面积大,历时较长,降雨强度也较大,一日最大降雨量可达200300mm,是黄河中游洪水的主要来源区之一。黄河中游洪水的特点是洪峰高、历时短。由于该区主要属于黄土丘陵沟壑区,地表起伏大,集水时间短,暴雨过后水沙俱下进入黄河,形成含沙量极高的洪水暴流,对河床具有很强的侵蚀力。据观测:洪水期壶口瀑布附近最大流量可达10500立方米/秒,另外河口镇至龙门区间,进入黄河的泥沙量,年平均9.08亿吨,占黄河年输沙总量的55.7%。

壶口瀑布极为壮观。滔滔黄水倾泻而下,激流澎湃,浊浪翻滚,水沫飞溅,烟雾迷濛,狂涛怒吼,声震数里,瀑布高度在枯水期可达1520m,夏、秋之际可达45m。在洪水时,洪流滚滚,涌出深槽,瀑布就变成一股激流而下。河水沿深槽下行5公里便是孟门,出孟门之后,水面展宽,水势变缓,又恢复到较平缓的景象。

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1980版面值50元人民币的画面上那翻江倒海,奔腾跌泄,气势磅礴的壮观景象,就是黄河壶口瀑布。

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                 1980版面值50元人民币背面

             水力发电与生态文明

   根据能量守恒定律,能量只会从一种形式转变成另一种形式,不能被创造或毁灭。瀑布从高处落下,势能会不断转变成动能,导致水高速流动。人们自然会想到能否把瀑布中水的部份动能,转换成有用的能量,而不让它完全散失?这正是水力发电的工作,水力发电的基本原理是利用水的势能转为水轮的机械能,再以机械能推动发电机,而得到电力。

1878年法国建成世界第一座水电站。欧洲第一座商业性水电站是1885年建成的意大利的特沃利水电站,装机65kW。美洲第一座水电站1882年 建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上,由一台水车带动两台直流发电机组成,装机容量25kW。19世纪90年代起,水力发电在北美、欧洲许多国家受到重视,利用山区湍急河流、跌水、瀑布等优良地形位置修建了一批数十至数千千瓦的水电站。1895年在美国与加拿大边境的尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750kW水电站。进入20世纪以后由于长距离输电技术的发展,使边远地区的水力资源逐步得到开发利用,并向城市及用电中心供电。20世纪30年代起水电建设的速度和规模有了更快和更大的发展,由于筑坝、 机械、电气等科学技术的进步,已能在十分复杂的自然条件下修各种类型和不同规模的水力发电工程。全世界可开发的水力资源约为22.61亿kW,分布不均匀,各国开发的程度亦各异。

中国也是世界上水能资源丰富的国家之一,水能资源技术可开发装机容量据估计为5.42亿kw,经济可开发装机容量4.02亿kw,开发潜力很大。中国第一座水电站为1910年7月始建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站,1912年发电,当时装机480kW,以后又分期改扩建,达6000kW。1949年中华人民共和国成立前,全国建成和部分建成水电站42座,共装机36万kW,该年发电量12亿kW·h(不包括台湾)。1950年以后水电建设有了较大发展,以单座水电站装机25万kW以上为大型,2.5万~25万kW之间为中型,2.5万kW以下为小型,大、中、小并举,建设了一批大型骨干水电站。其中最大的为在长江上的三峡水电站。

水力发电虽有一些优点,但也会给生态、环境带来很大的影响。

水力发电的优点,一方面是发电成本较低,且灵活高效。由于水电站的设备比较简单,其检修、维护费用也较同容量的火电厂低得多。水力发电主要动力设备的水轮发电机组,可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入运行;完成增减负荷,适应电力负荷变化的需要,不会造成能源损失。利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务,可以提高整个系统的经济效益。另一方面是有综合性的工程效益。由于筑坝拦水形成了水面辽阔的人工湖泊,控制了水流,因此兴建水电站一般兼有防洪、灌溉、航运、给水以及旅游等多种效益。

 

但是,水力发电所带来的生态、环境影响也相当大。在自然方面:巨大的水库可能引起地表的活动,甚至诱发地震;此外,还会引起流域水文上的改变,如下游水位降低或来自上游的泥沙减少等,由于水库的蒸发量大,还会引起降雨量减少。在生物方面:水库建成后,可能会造成大量的陆生动植物被淹没死亡,甚至全部灭绝.对水生动物而言,由于上游生态环境的改变,会使鱼类受到影响,导致灭绝或种群数量减少;同时由于上游水域面积的扩大,使某些生物(如钉螺)的栖息地点增加,为一些地区性疾病(如血吸虫病)的蔓延创造了条件.

据人民网2013817报道,由世界自然基金会(WWF)与长渔办联合主办,包括中科院、复旦大学、长江科学院、同济大学等机构的专家2013年进行了长江上游联合科考。科考队在对金沙江下游已经建成的水电站进行考察后发现,金沙江段密集的水电开发,导致了大量鱼类栖息地遭到破坏和丧失,而水电项目所带来的洄游通道阻断、江水水温降低等连带效果,更是严重破坏了多种鱼类的生长规律,导致其数量急剧减少。大坝建成后,原来的急流型河流生态系统被以深水、静水为特征的水库生态系统所替代,导致依靠急流险滩生存的鱼类失去栖息地。金沙江流域143种鱼只找到17种。 除了对水生生物带来灭绝性的直接影响,梯级水电的建设还改变了上游的水沙通量,从而对长江中下游水沙变化规律、河流湿地生态系统的分布产生影响。

自然生态有着其自身的发展规律。生态文明要求人类要尊重和爱护自然,才能将人类的生活建设得更加美好;人类要自觉、自律,树立生态观念,约束自己的行动,必须保持对大自然的敬畏和尊重,学习和大自然的和谐相处,从自身做起,从现在做起,不能再发生破坏生态、环境的恶劣行为。真正认识到:保护自然就是保护我们自己,保护环境和资源就是保证子孙后代的幸福和安全。再不能抱着“人定胜天”的口号去想“征服自然”。所以我们不能只看到水力发电的好处,看不到其对环境的影响,使生态文明受到破坏。

参考文献

1.王振东,云沙泱漭天光闭——谈沙尘暴形成原因与减灾,力学与实践,2012343):8891

2.王振东,山摧江溢路不通——漫话泥石流,力学与实践,2011333):8790

    3.长江生态系统己崩溃、特有物种消失一半,人民网 2013 8 17 日

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