| 基本信息 |
| 图书名称： | 力学基本问题(全彩版)精 |
| 作者： | 杨卫 |
| 出版社定价： | 260.00元 |
| ISBN号： | 9787030786210 |
| 出版社： | 科学出版社 |
| 开本： | 16开 |
| 装帧： | 精装 |
| 内容介绍 |
| 《力学基本问题【全彩版】》在全景式的视野下，以哲理式、开放式的描述方法，介绍力学学科及其学科交叉的前沿，尤其着重梳理出与之相关的70个基本问题。《力学基本问题【全彩版】》力图展示：即使是力学这一科学发展的先行学科，也仍然存在很多基本问题尚没有得到认识、解决。《力学基本问题【全彩版】》以“基础力学”“流体力学”“固体力学”“交叉力学”四个板块进行展示：头尾体现了从基础到交叉的脉络，中间嵌入了力学的两大主流领域。 |
| 作者介绍 |
| 杨卫：中国科学院院士、技术科学部主任，发展中国家科学院院士，美国工程院外籍院士，固体力学专家，浙江大学教授，现任中国学位与研究生教育学会会长、中国国际中文教育基金会理事长，曾任中国力学学会理事长、国家自然科学基金委员会主任、浙江大学校长等职。 |
| 目录 |
| 目录 前言 引言 001 0.1 循史：力学的引领式发展 001 0.2 前瞻：力学3.0的构架 004 0.3 物质世界的力学 006 力学基本问题01怎样完整、清晰地定义力学的基本内涵？ 力学基本问题02如何多关联地体现跨层次、跨介质的过渡？ 0.4 精神世界的力学 008 **篇 基础力学 第1章 确定性与不确定性 015 1.1 从牛顿力学到可知论到机械唯物论 015 力学基本问题03区别不同的宏观与微观场景（包括宏微观关联），如何表示力学量和力学过程内在的确定性和不确定性？我们可以精确地模拟宏观和微观世界吗？ 1.2 理性力学与公理化体系 016 1.3 本原不确定性：海森堡原理 018 1.4 随机与统计：薛定谔方程的演变 019 力学基本问题04量子不确定性和非局部性背后是否有更深刻的原理? 1.5 自然法则的不确定性：对因果律的争论 020 力学基本问题05为什么可以超距实现量子信息的纠缠，它对应于什么样的信息纠缠力？ 1.6 数学不确定性：非线性、分叉、混沌与奇怪吸引子 022 力学基本问题06我们是否能够更准确地预测灾害性事件（海啸、飓风、地震）？ 1.7 信息不确定性：模糊力学 024 1.8 宏观不确定性 025 力学基本问题07有可能预知未来吗？ 第2章 连续与离散 030 2.1 稠密性与连续性 030 2.2 连续与离散的跨层次交替 032 2.3 泡利不相容原理 033 2.4 量子化：能量、空间与时间 035 力学基本问题08时空的*小尺度是多少？ 2.5 符号主义：数理逻辑与算符演绎 036 第3章 因果与关联 038 3.1 力学基本规律的因果陈述：从墨子到亚里士多德到牛顿 038 3.2 因果表达的对称性与美感 042 力学基本问题09宏观世界的因果表达为什么具有对称性？ 3.3 从还原论到归纳法 044 3.4 唯象理论：从现象关联到数据关联 045 3.5 人工智能的三个来源 046 3.6 非结构化数据 047 3.7 关联度空间与数据驱动 048 力学基本问题10数据会主动地进行关联吗？数据什么时候会产生思想？它能否成为一种新的科学范式？ 3.8 因果律与关联律的互鉴049 第4章 时间的指向与时空观052 4.1 时间指向与记忆衰减原理 052 力学基本问题11为什么时间似乎只朝一个方向流动？ 力学基本问题12为什么力学定解方程的不同部分有不同的时间箭头作 用？逆时演化或多路径演化可能吗？ 4.2 老化与回复 053 4.3 熵增原理与不可逆过程 054 4.4 量子态的时空观 057 力学基本问题13量子多体纠缠比量子场更为基本吗？ 4.5 物质态的光速不可逾越与量子信息态的瞬时改变 058 力学基本问题14为什么真空光速为定值？我们能以光速行驶吗？ 力学基本问题15我们*多可以将粒子加速到多快？ 4.6 时间的*小步长 060 第5章 质量的起源与表象 062 5.1 牛顿质量：物质的含量 062 5.2 质量与速度：爱因斯坦的质能公式 063 力学基本问题16质量可以转化为能量，能量可以凝聚为质量吗？ 5.3 质量与时空的交织：广义相对论与引力波 064 力学基本问题17什么是引力？ 力学基本问题18爱因斯坦的广义相对论是正确的吗？ 5.4 费米子与玻色子 067 力学基本问题19什么是物质的*小组成部分？ 5.5 中微子的质量与中微子振荡 068 5.6 杨米尔斯场与质量的缺失 071 力学基本问题20质量的起源是什么？ 5.7 质量赋予机制：希格斯理论 073 5.8 质量描述：自发对称性的破缺 075 力学基本问题21会有“万有理论”吗？ 力学基本问题22能找到宇宙中所有未呈现的物质吗？ 第6章 NS方程与湍流 081 6.1 千禧年的七大数学问题 081 6.2 NS方程解的存在性与光滑性 082 力学基本问题23NS问题会得到解决吗？ 力学基本问题24NS方程、玻尔兹曼方程和薛定谔方程三者之间有何联系？ 6.3 从机翼绕流看涡街和湍流的形成 086 6.4 湍流的统计理论 088 6.5 湍流层次律 090 力学基本问题25湍流的*终统计不变性是什么？ 力学基本问题26湍流的能量级联与气体连续变化的分子自由程有关吗？ 6.6 湍流的场平均与模式理论 093 力学基本问题27如何利用AI来封闭NS方程的平均场计算？ 6.7 湍流的结构理论 095 6.8 湍流的能量级联 098 力学基本问题28如何融汇湍流的结构理论和统计理论？ 6.9 NS方程的计算 100 第7章 涡的物质与时空描述 105 7.1 涡动力学 105 7.2 无黏流体的涡面守恒律 108 力学基本问题29涡面有物质（或类物质）的描述吗？ 7.3 物质面的拉格朗日描述 109 7.4 涡面场演化的跟踪 109 力学基本问题30对涡结构有几何（或流形）描述吗？ 7.5 涡面场的三参数表征理论 112 第8章 分子自由程：从稀薄气体到非牛顿流体 117 8.1 分子自由程与结构特征尺度 117 力学基本问题31如何量化流体性质与分子自由程的关系？ 8.2 玻尔兹曼统计理论 118 8.3 格子玻尔兹曼方法 120 8.4 玻尔兹曼方程的矩统计 121 8.5 稀薄气体力学的四种表征形态 121 8.6 高阶矩统计 123 8.7 非牛顿流体 124 第9章 阻力与升力的极致构象 128 9.1 普朗特机翼理论 129 9.2 布拉修斯层流边界层解 132 9.3 转捩与二次扰动 133 9.4 湍流边界层 136 9.5 阻力与升力的计算 137 力学基本问题32阻力存在极小值吗？存在全域超滑行为吗？ 力学基本问题33如何找到自适应的*大升力构形？ 9.6 高速列车与极低轨空天飞行器理论 138 第10章 燃烧与爆轰 143 10.1 热传导与辐射 143 力学基本问题34物质传热的极限是什么？ 10.2 强对流 146 10.3 多相流 146 10.4 PDF方法 148 10.5 湍流燃烧 149 力学基本问题35什么样的湍流燃烧可以达到*充分的或*快的燃烧？ 10.6 火焰稳定性 152 力学基本问题36可实现火焰稳定性的*高超燃马赫数是多少？ 10.7 爆轰波 153 第11章 理想强度与理想硬度 161 11.1 Frenkel理想强度 161 11.2 Griffith缺陷理论 162 力学基本问题37理想强度可以实现吗？ 力学基本问题38理想硬度可以实现吗？ 11.3 Lindemann理论 165 11.4 Born的晶格稳定性理论 165 11.5 强硬固体的探求 166 11.6 理想硬度：缺陷移动的密集防御 167 11.7 理想强度：消除临界尺寸以上的缺陷 169 11.8 调控塑性：重塑能带的输运行为 173 力学基本问题39施加应变可以改变固体的输运性质吗？ 力学基本问题40压力诱导的高温超导的微观机理是什么？ 第12章 纳米尺度下的极端力学 179 12.1 低维固体 179 力学基本问题41低维固体可以在何种价键结构下形成？ 12.2 Rayleigh不稳定性——EUV原理 183 12.3 从粉笔到珍珠贝 184 力学基本问题42能够产生仿生命过程的神奇固体行为吗？ 12.4 高熵合金的应变熔化 186 力学基本问题43室温下单纯施加应变可以使固体直接熔化吗？ 12.5 纳米冰单晶纤维的极致弹性 191 12.6 原子精度制造 195 第13章 模量的可控性与输运性能 200 13.1 光、电、磁、声、力的基本方程与斗篷理论 200 13.2 变换效应 202 力学基本问题44何种物理场（或耦合场）下的斗篷*难实现？ 13.3 五模材料 203 13.4 超材料与输运性能的调制 206 力学基本问题45可以制作出真人大小的隐形斗篷吗？ 13.5 能带设计与能带工程 208 第14章 缺陷运行的极限速度 214 14.1 Eshelby的位错运行极限速度 214 14.2 裂纹运行速度的禁区 215 14.3 跨声速分层理论 215 14.4 地震中的超剪切与激波 216 14.5 超声速扩展裂纹 218 14.6 超声速位错运行 220 14.7 高能流引致的缺陷演化 222 力学基本问题46缺陷传播的极限速度是什么？是波速、光速、还是超距？ 第15章 可编程固体 227 15.1 多物理场下的固体变形 227 15.2 传感/致动/控制与可编程 228 力学基本问题47实现可编程固体的主要瓶颈是什么？ 15.3 3D打印技术 230 15.4 4D打印技术与时空设计 231 15.5 从智柔体到生命体 234 力学基本问题48如何在智柔体中注入生命元素？ 力学基本问题49物质如何被编码而成为生命材料？ 力学基本问题50为什么生命需要手性？ 第四篇 交叉力学 第16章 介质交叉 239 16.1 流固介质交叉：广义软物质 239 力学基本问题51广义软物质的力学框架是什么？ 16.2 软物质力学 241 16.3 可转变性与可控制性 243 16.4 智柔体力学 243 16.5 生命力学 247 力学基本问题52人体组织或器官可以完全再生吗？ 第17章 层次交叉 255 17.1 层次交叉的三种路线 255 力学基本问题53如何开展互动式层次交叉？ 力学基本问题54集体运动的基本原理是什么？ 力学基本问题55群体智能是如何出现的？ 17. 2跨层次实验观察 257 力学基本问题56如何在微观层面测量界面现象？ 17.3 跨层次模拟计算 259 力学基本问题57能实现全宇宙（63个量级）的宏微观跨层次模拟吗？ 17.4 跨层次信号感知 262 17.5 跨层次失效控制 263 力学基本问题58如何（主动或被动地）实现跨层次失效控制？ 17.6 跨层次多物理耦联 265 第18章 刚柔交叉 269 18.1 刚柔动力学 269 18.2 刚柔组合体的控制——达 芬奇手术机器人 271 18.3 刚柔协同控制 272 18.4 高机动性足式机器人：本征动力学 274 力学基本问题59足式机器人能达到或超越足式动物的机动性吗？ 18.5 足式机器人的步态转换与地形适应 279 18.6 极高静水压力下的刚柔组合体 281 力学基本问题60极高静水压下工作的刚柔组合体要遵循什么样的设计准则？ 第19章 质智交叉 286 19.1 物理/生命/信息三元世界 286 力学基本问题61在物理/生命/信息三元世界中，有什么 |
| 在线试读部分章节 |
| 引言 “力学标志着人类对物理世界之科学理解的**缕曙光。力学构成理工的脊梁。力学铺就了世界上无数的城市建设的基石 ” ——刘淇，《北京市申办2008年世界力学家大会的报告》 0.1循史：力学的引领式发展 若要厘清一个学科发展之脉络，循史是重要的抓手。 宇宙之大、基本粒子之小、生命体之复杂，从物质到精神，力无所不在！ 科学旨在发掘物质、信息、生命三元世界之规律。这些规律多为相互作用与自身运动之规律：无论是宇宙万物之间、信息影响之间、生命繁衍之间，还是物质与精神之间、自然与生命之间、物质信息能量之间，图0.1篆书“力”字 都是通过对其相互作用的机理和定量表征所描述的。人们把这林林总总的相互作用冠以一个神秘而又具有直觉色彩的词，即所谓“力”。按照篆书的古汉字（图0.1），“力”是象形字，像古人犁地用的工具“耒”的形状，可具象化地指辩为对知识大地的深耕。 力是对各种相互作用的概念化描述。它量化了在诸种相互作用下其主体和受体的状态变化。宇宙万物是根据生命的意志、信息的指引、能量的存续，以“力”来作为维系个体及群体的规律载体来运动的。所以，“力”体现了宇宙间万物的演化规律。 如何解释力学的内涵呢？*新的定义是：“力学是关于物质相互作用和运动的科学，研究物质运动、变形、流动的宏观与微观行为，揭示上述行为的科学规律，及其与物理学、化学、生物学等过程的作用。”［1］ 这个力学的定义是比较新的定义。如果时间倒退至1985年，那时大百科全书上的定义是“力学是研究机械过程关系科学规律的学科”［2］。显而易见，现在力学的内涵比以往有了进一步的拓展。 力与力学的这一本原性概念决定了其必然在人类科学的发展中起到先行、奠基和引领作用。以往对科学史的描述中是将数学与自然科学的发展分别论述的。自然科学（其前身为自然哲学）的发展是以物理学为先导的，而物理学的发展则是以力学为先行的。 自墨子（约公元前476～公元前390）、亚里士多德（Aristotle，公元前384～公元前322）的自然哲学发展时代以来，力学的发展起到了引领作用。数学中以微积分为代表的“高等数学”是以力学家艾萨克 牛顿（Isaac Newton，1643～1727）的奠基性工作引领的［3］，以极限推理逻辑为代表的“数学分析”是以数学家、巴黎大学力学教授奥古斯丁 柯西（Augustin Cauchy，1789～1857）的奠基性工作引领的［1］；同时代在数学上做出重大贡献的力学家还有伯努利叔侄（Johann Bernoulli，1667～1748；Daniel Bernoulli，1700～1782）［4］、莱昂哈德 欧拉（Leonhard Euler，1707～1783）［5］、约瑟夫 拉格朗日（Joseph Lagrange，1736～1813）［6］、皮埃尔西蒙 拉普拉斯（Pierre Simon marquis de Laplace，1749～1827）［7］等。物理学中的光学理论是以力学家罗伯特 胡克（Robert Hooke，1635～1703，前英国皇家学会创始人之一兼实验室主任，他奠基了弹性力学并创立了显微学）和牛顿（他奠基了动力学三大定律和万有引力定律，也发现了光的色散并奠基了物理光学）的奠基性工作引领的，物理学中的电磁场理论是以力学家詹姆斯 麦克斯韦（James Maxwell，1831～1879）［8］、赫尔曼 冯 亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821～1894）［9］的开创性工作引领的。化学的早期发展多冠有体现力学含义的名称，如热力学（thermodynamics）、动理学（kinetics）、动力学（dynamics）等。天文学的起源凝聚了大量力学家的贡献，如尼古拉 哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473～1543）的太阳中心说［10］、约翰尼斯 开普勒（Johannes Kepler，1571～1630）的行星运动三定律［11］、伽利略 伽利雷（Galileo Galilei，1564～1642）的《关于两门新科学的对话》［12］、牛顿的《自然哲学的数学原理》［3］。地学的早期发展和主要理论均奠基在力学的基本理论之上，如张衡（78～139）的地动说、地球动力学的建立、板块理论、李四光（1889～1971，英文名为J. S. Lee）的地质力学理论［13］等。生命科学的奠基之一——细胞的发现与得名，也是力学家胡克用他所发明的光学显微镜观测到的。 2018年，中国科学院召开第十九次院士大会，习近平总书记在会上提到了《墨经》中的力学定义：“力，形之所以奋也”，就是说动力是使物体运动的原因，无论做什么事情都要有动力，这样才会有所前进。这些论述深刻地展示了“力”不仅对物质世界适用，也对精神世界适用。 力学的起源可追溯到人类文明之初。春秋战国时期，在墨子及其学派的著作《墨经》中就有关于力的概念。古希腊时期，阿基米德（Archimedes，公元前287～公元前212）对杠杆平衡、物体在水中受到的浮力等开展研究，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。文艺复兴时期，列奥那多 达 芬奇（Leonardo da Vinci，1452～1519）引入力矩的概念，阐述了力的平行四边形法则［14］。伽利略通过对抛体和落体的研究，提出了惯性定律来解释物体和天体的匀速运动，并在对灯的摆动研究中*次建立力学模型。 17世纪，牛顿提出力学运动的三条基本定律和万有引力定律的数学描述，奠定了**力学的基石［3］。此后，力学的研究对象由单个的自由质点转向受约束的质点和质点系，其标志性成果是让 勒朗 达朗贝尔（Jean le Rond dAlembert，1717～1783）原理［15］、拉格朗日分析力学［5］和威廉 罗恩 哈密顿（William Rowan Hamilton，1805～1865）分析力学［16］。 18世纪，欧拉提出连续介质及其无限小微元假设，基于牛顿定律建立了刚体和理想流体的动力学微分方程。克劳德 纳维（Claude Navier，1785～1836）、柯西、西莫恩 德尼 泊松（Simon Denis Poisson，1781～1840）、乔治 斯托克斯（George Stokes，1819～1903）等将微元的变形关系、运动定律和物性定律结合，建立了弹性固体力学和黏性流体力学的基本理论。此后，涉及材料物性的连续介质力学蓬勃发展，逐渐形成了力学学科。 20世纪初，路德维希 普朗特（Ludwig Prandtl，1875～1953）的边界层理论和空气动力学研究将力学带入了应用力学的新时期。此后，西奥多 冯 卡门（Theodore von Krmn，1881～1963）、斯蒂芬 铁摩辛柯（Stephen Timoshenko，1878～1972）及其学派将力学深度融入于工程技术之中，催生了以航空航天科技为代表、以力学为主要支撑的现代工程和技术科学。20世纪中后期起，变分法、有限元法、计算科学、信息技术等迅猛发展，大幅提升了力学解决工程技术问题的能力，加快了人类文明发展的步伐。 中国力学工作者在物理力学、湍流理论、喷气推进、工程控制论、广义变分原理、断裂力学等方面做出开创性贡献，在支撑中国创建现代工业体系方面发挥了重要作用，尤其是成就了“两弹一星”等重大工程。近年来，中国在航空工程、载人航天、深空探测、高超声速飞行器、高端制造、大跨度桥梁、超高层建筑、深海钻探、高速列车等方面取得的成就，充分体现了力学学科的重大贡献和重要作用。 近代力学已具有较为完整的理论、实验和计算体系。20世纪后期以来，以分岔、混沌、分形等理论为代表的非线性科学研究，极大地拓展了牛顿力学的深度和广度，深刻地改变了人们的自然观。与此同时，力学与其他学科的交叉与融合推动了交叉学科的形成和发展，不断丰富着力学的研究内容和方法。20世纪以来，力学学科在动力学与控制、固体力学、流体力学、工程力学的主体架构上，与数学、物理、生物、环境、化学等其他领域交叉结合形成了计算力学、物理力学、生物力学、环境力学、软物质力学等分支。21世纪以来，人类文明、社会经济发展和国家安全的新需求，如空天飞行器、深海空间站、绿色能源、新材料、灾害预报与预防、人类健康与重大疾病防治等问题的突破与解决，都离不开力学的重要作用。 与此同时，力学仍在不断追求基础理论、计算方法和实验技术的创新，不断在与其他学科的交叉融合中获得蓬勃生机。在20世纪50年代之前，力学研究的基本范式是基于实验观测，建立力学问题的理论模型并借助数学工具开展定量分析。随着电子计算机的出现以及数据科学、人工智能的快速发展，随着力学行为与物理、化学、生物等行为的相互作用日益增强，力学与其他学科的交叉创新成为常态。基于数据驱动的研究范式开始崭露头角，而基于新硬件体系架构、新测量原理发展起来的新计算/测量方法、新实验装置和实验技术也层出不穷。此外，各种新的力学现象、先进计算方法和实验技术的不断涌现，力学与其他学科之间深刻持久的交叉互动，使得力学研究能够更主动地开辟新方向，更充分地挖掘出海量数据背后蕴含的力学机理，揭示更大空间尺度、更高时空分辨率、更极端服役环境下力学行为的本质规律，从而在更高的起点上推动力学向前发展。 当代力学的发展趋势体现为：更加重视非线性、非定常、跨尺度、多场耦合等力学难题，更加重视高性能计算，更加重视先进的实验技术，更加重视与其他学科的交叉与融合等。面对21世纪诸多世界性难题，力学学科正经历着众多超越**研究范畴的新挑战，深入研究非均质复杂介质、极端环境、不确定性、非线性、非定常、非平衡、多尺度和多场耦合等难题，促使现代力学体系发生新的变革。 力学既是基础科学，又是技术科学。作为基础科学，力学探索自然界运动的普遍规律，以机理性、定量化地认识自然、生命与工程中的规律为目标。力学是*早形成科学体系的一门学科，并成为精确科学的典范，其方法论在自然科学诸学科中有指导性意义。作为技术科学，力学是工程科学的先导和基础，为开辟新的工程领域提供概念和理论，为工程设计提供有效的方法，是科学技术创新和发展的重要推动力。力学的研究成果和研究方法具有极强的普适性，被诸多学科采用。力学与诸多学科交叉融合，开拓出一系列新的学科增长点。 力学的主要理论包括：① 物体运动基本定律；② 分析力学理论；③ 连续介质力学理论；④ 流体力学基本理论；⑤ 固体力学基本理论；⑥ 物理力学与生物力学基本理论。 0.2前瞻：力学3.0的构架 当代力学工作者在20世纪所接受的基础教育，使得他们有时停留在前三次科技革命的语境之下［17］。然而，在21世纪的第二个十年，特别是随着人工智能技术的梯次勃兴，现代社会实际上进入了变革时代，新科技革命已经开始。正如习近平主席在第六届世界互联网大会的贺信中所指出的：“当前，新一轮科技革命和产业变革加速演进，人工智能、大数据、物联网等新技术新应用新业态方兴未艾”。［18］ 力学是科技创新和发展的重要推动力。拂去前三次科技革命表面以蒸汽机、电动机、生产线等为代表的技术面纱，革命的内驱力均来自力学的推动：以牛顿力学为代表的动力学促成了机械系统的发展和人力畜力的大规模被替代，是“大工业真正科学的基础［19］”（马克思语）；欧拉伯努利梁方程及随后发展出的固体力学理论，在19世纪成为“第二次科技革命的基石”［4］；流体力学和研究“高压气体、高温气体、高压固体和临界态及超临界态”［20］的物理力学则是第三次科技革命中航空航天这一代表性技术的*大动力。但是，在新科技革命的当今语境中，力学的这一基础角色却被明显地忽视了。 力既表征物质之间的相互作用，也表征信息之间的相互影响，还表示生命的活力。力不仅仅存在于物理空间之中，也存在于赛博空间（cyberspace，也称信息空间、网络空间）和生命 |
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