非线性力学是一门研究物体的
几何非线性和物理非线性的科学,它广泛地存在于自然世界。 动力学问题一开始就是非线性的,如用
牛顿运动定律描述的行星运动微分方程。但历史上专门用非线性力学这一名词,还是1930年代的事。苏联的
非线性振动理论学派(创始人Mandel'stam, Palalexi,以及作出重要突破的Andronov)用非线性力学这词代表非线性振动,如Krylov,Bogoliubov1937年所写《非线性力学引论》。发展到最后,这种非线性力学几乎包括了力学的大部分。
学说发展
首先,经过200年的积累,通过对压杆失稳、非线性振动和三体问题等典型非线性问题的研究,非线性力学已积累了相当的认识和理论。例如,庞加莱从三体问题的研究,已认识到在非线性系统中,一种我们觉察不到的起因可能产生一个显著的、我们决不会看不到的结果。
其次,当时的工业和生产,已提出大量重大问题,迫切希望解决。一是飞行跨越声障的问题,二是航空采用的薄壁构件的行为,三是新材料,如塑料、纤维等的出现和应用。这些需求都提出了大量的非线性力学问题。跨越声障要了解激波,采用薄壁构件要解决大变形屈曲,使用新材料要遇到非线性物性。这些问题,往往与线性化了的问题有根本性质上的不同,因此,不论是处理工具还是基本概念都要靠拼搏,去开拓、创新。
因此,在本世纪上半叶的物理学革命的大潮中,看起来处于旁观地位的力学,一方面开拓了航空等大型新兴工业,另一方面,继承着欧拉、庞加莱等人的传统,率先向非线性领域突进了。当时,大概几乎还没有人意识到,这个突进,在本世纪后半叶竟发展成了超越牛顿开始的机械论、又超越当时的物理学革命家们开创的还原论的一种新的自然观。
学说应用
当前,社会和产业发展面临的迫切问题,或许可以概括为:可持续发展、国家在世界经济中的竞争力、重大工程寿命预测和自然灾害预报等。如何解决这些问题,除了社会因素之外,大家或许会想到先进的信息、材料和
生命科学技术。但是,如果稍加注意便会发现,问题主要涉及的是宏观物质世界的运动,特别是它们的运动模式的变化。例如,我们之所以关心可持续发展战略,一个重要原因,是不希望生存环境的负荷超过某个临界状态,以便我们能生存于良性循环之中。又如,构成国家竞争力的要素固然很多,但突破常规(可比拟为非线性外推)的硬软件工程技术,却依然是竞争力的核心。如在本世纪上半叶构成西方军力、生产力重要部分的航空业,就曾密切依赖于上面引述过的声障、薄壁件、新材料三方面的突破。因此,以宏观物质的多层次运动为主要研究对象的非线性力学及其应用,将会对我们的社会发展和生产起很大的作用。
举一些更具体的典型例子,也许会更形象。如:起飞重量为数百吨,机体尺寸为半个足球场大小的民航机,虽然乘客都能清楚看到机翼的明显颤动和位移,但它却在气体中安全地飞行。反面的例子,如大跨度的桥梁,在风载下坍塌是时有所闻的。1940年全长1.6公里,列为当时世界第三的美国Tacoma大桥,在大风下激烈振荡,坍塌。其原因就是设计师不了解风和大桥的非线性相互作用,只按静载设计造成的。不幸的是,这类事故至今仍未能完全消除。美国一座数百米高的电视塔突然倒塌,就是一例。
面对未来,待解决的重要问题更多。重大工程,如水坝、机组运行了多年;或大型武器,如
战略武器贮备了多年,它们还能安全可靠运行多久?什么时候到了临界状态,怎么预先测知?再如,空天飞机等新型飞行器,面临燃料在
超声速流动状态下的混合和点火,对于流速超过了声速的流动,混合规律是什么呢?还有,对于自然灾害频繁的我国,我们能在多大的可靠程度上预报地震、台风、洪水等重大自然灾害,等等。这类社会和科学发展中的重大的、未解决的问题,不胜枚举。
典型问题
归纳各种各样、大大小小的应用,典型化的非线性力学问题,或者可以举以下典型问题为例:
三体问题
1887年瑞典国王奥斯卡二世(OscarⅡ)悬赏2500克朗,征求解答:太阳系是否是稳定的?例如某个星球是否会与太阳相撞。众所周知,太阳系有九大行星,问题是十分复杂的。其中所含的基本问题是,三个质点在万有引力作用下的运动,简称三体问题。其困难在于给定初始位置和速度,并不能像机械论判定的那样,确定以后任意瞬时的位置与速度,从而确定是否二个质点会相撞等。
屈曲
1744年欧拉研究过细杆在轴向力压缩下的变形。该细杆在轴向力较小时保持轴向变形,但当轴向载荷超过某一临界值后,压杆变形倾向于其一侧拱曲。这种现象被称为压杆屈曲或解的分叉。板、壳等一大类构件在受载时,均会发生这种偏离原对称平衡位置的不对称变形。因此,广义上它是
弹性系统稳定性的问题。它的特点和难点在于,从一个对称平衡变形态中,怎么会又冒出另一个非对称的屈曲模态,屈曲以后,什么变形模态是最可能的。
非线性振动
振动是极常见的现象。大家都熟悉简谐振动,特别是通过富氏分析,了解了基频振动和高频分量的作用。但到了
非线性振动,一系列完全不同的新现象出现了。其中由负阻尼引起的自激振动——系统靠内部维持振动,和次谐波共振(分频)——系统外部强迫激励几分之一的频率振动,最引人注目。不断分频而导致混沌,把确定性动力系统和随机统计结合了起来。
孤立子
上世纪30年代,J.R.Russell在英国一条运河中,骑马追踪观察到一个突起的水峰能长时间维持其形状和运动速度,沿河道持续行进,被称为孤立波。二次大战后,费米等人计算非线性弹性弦,发现类似的现象。到60年代,Zabusky和Kruskal才指出这是一类由非线性和色散的强耦合,形成的非常稳定的、即使碰撞也不改变形状的、像粒子一样的波结构,称为孤立子。它表明在非线性(力学)现象中,除了分叉和不确定性解的另一个侧面,即非常有组织的结构。这个力学理论,在20年后,竟成了远距离光纤通讯的核心概念。
激波或叫冲击波
在连续的流动中,当质点运动速度超过物质中的声速时,连续的流动会变成不连续的,也就是压力、速度、密度都会形成一个突跃。然而激波的出现不是预先给定的,它是强非线性造成的一个自由界面,飞行体在这种情况下遇到的麻烦就叫“声障”。二次大战期间,美国洛克希德公司新造的战斗机,当时速为0.8声速时,曾机毁人亡。事后检查,局部流速超过声速,激波不仅减弱升力,而且造成整机强烈振动而失去平衡。后来发现了在固体中,甚至在交通车辆流中,激波也起着重要作用。
湍流
湍流被称为是经典物理学中的最后的疑难。湍流问题难在哪里?其关键是,它是一个真正的“多体”问题。例如,其自由度可用雷诺数的9/4次方估计,即使雷诺数为104,其自由度已高达109,相当于计算机能力的上限。在湍流中,各种不同空间和时间尺度的大小旋涡相互嵌套着,能量在其间传输。强非线性相互作用,使得难以将看似有序的大尺度拟序结构与“混乱”的小尺度结构分割开来。湍流既是复杂流动向我们的挑战,也是长期以来人们窥视复杂运动普遍规律的一个窗口。
破坏
容易想象,固体破坏的物理本质,是从原子键的断开,到宏观固体的分离的全面展示。正因为如此,它跨越了从原子间距(Å)到宏观工件(mm~m)之间107~1010的跨度,因此,其间的复杂性,可与湍流相比。以至,钱学森把它列入连基本概念还不清楚的一类问题。有时候,忽略细节的宏观处理,如伽里略开始的强度理论,能提供一些可信的结果。然而,有时,一些微观细枝末节却又牵一发而动全身,造成“蝼蚁之穴,溃堤千里”的惊人效果。多层次的非线性相互作用,在这里布置了一座迷宫,我们尚未找到合适的通道。
共同特征
上面所列的几个问题,决不是非线性力学的全部,而仅是几个示范例子,它表明的共同特征,可以概括为以下几点:
局部之和不等于整体
因此不可能把对整体的认识,简单还原为对若干局部的认识;另一方面,大量单元按某些简单规律的多次重复,可能其总效应并不简单。
不确定性
或者称确定性的随机行为,混沌即是一例。应该讲,在压杆屈曲中所显示的解的分叉,就是这种不确定性的原由之一。湍流则应是这方面一个活的沟通理论与实际的例子。
组织性
强非线性耦合,还会造成与不确定性完全相反的一面,即坚不可摧的有组织的结构,孤立子是这方面的典型范例。
复杂性
由上面几点合起来看,构成了现象谱的复杂性,而且不同特征或模式间的转换,由某种底蕴暗流所控制,表现上有突变性。
共性根源
可能来自三方面:非线性、非平衡、多层次。
因此,站在世纪之交的人们,面临着自然观,从机械论,进而到还原论,再进而到非线性演化的发展。周光召在1995年的科学大会上讲,我们“看到的将是与牛顿,爱因斯坦创建的决定性的、简单和谐的模式不同,而是一个演化的、开放的、复杂的世界,这是一幅更接近真实的世界图景。”在这样一种观察中,非线性力学,曾起过突进作用。半个世纪以前,冯·卡门的大声疾呼“工程师与非线性问题拼搏!” 已成为大批工程师和科学家,从航空、航天到大型土木和海洋工程,从
气象预报、地震预报到污染控制和生态环境保护领域的协同行动。但是,核心困难往往卡在强非线性耦合作用,及其引起的突变性问题上。显然,非线性力学是理论和实践,科学与工程的一个关键交汇点。因此,希望科研领导部门认识到,非线性力学的研究,是推动我国工程和科学发展的一种有长远影响的内在动力,予以重视和支持。
最后,应该强调,在近代史中,中国人只在少数学科,对近代科学有记入史册的贡献,非线性力学就是一个“中国人最有成就的学科”。(见
钱伟长引林家翘语,《力学进展》1983.13.P117)。如周培源对一般湍流的模式的研究,钱学森的跨声速流相似率和壳体非线性失稳理论,钱伟长的扁球壳跳跃变形理论,郭永怀的
奇异摄动法(PLK法——庞加莱,莱特希尔,郭永怀方法)等。因此,中国的非线性力学研究者,在国家和社会的需要提出如此重大的一些非线性力学问题的时候,在自然科学新观点又滋生于一大类非线性力学问题的时候,理应继承力学界前辈的传统,勇于创新,勇于开拓,做出符合时代要求的贡献。