热力学与量子力学在21世纪重新相遇

1引言四大力学都有其经典与量子相对应。经典力学对应量子力学,经典电动力学对应量子电动力学,经典统计力学对应量子统计力学,经典场论对应量子场论。唯一的例外就是经典热力学,目前通常的物理专业课程中还没有量子热力学。在国际单位制中有7个基本单位,其中6个已经可以在微观的原子层面定义。

“四大力学”的错误说法可以休矣

在我国的物理教学界,包括教物理的和学物理的,长期流传着所谓“四大力学”的说法,它具体包括哪些物理分支,似乎没有统一的说法.按百度百科的词条“四大力学”——这词条可能是具有我国特色的,谓“四大力学”指的是理论力学、电动力学、热力学/统计力学(简称热统)和量子力学.

力学学科的50篇重要文献

2005年,在上海召开的第二届全国力学史与方法论学术研讨会上,笔者发表了一篇《1920年以前力学发展史上的100篇重要文献》。在那以后,笔者就开始留心1920年以后的重要文献。近二十年过去了,笔者挑选了1920年后的49篇文献,还补充了一篇1920年以前的文献《The law of transformation of the bone》。该文发表于1892年,但直到100年之后,它才引起世人的广泛注意。这就是生物力学中著名的沃尔夫定律的原始文献。

基于超声的单细胞定量力学加载技术

在重大疾病以及正常组织的发育和重塑过程中,细胞和组织处于复杂的力学微环境中。理解这些复杂的力学行为对细胞的影响有助于理解复杂生理病理变化内部机制,有着重大的科学意义。由于细胞的尺度在十几微米至几十个微米之间,常规的宏观力学加载方法和实验技术无法在细胞力学研究中直接使用,所以研发新的细胞力学加载技术,实现对细胞的高通量的定量力学加载,是开展本研究一直以来所面对的一个问题。超声作为一种动量和能量的载体,能够被声场中的物体吸收、散射和折射,从而在这两者之间发生动量和能量的交换,实现以非接触的方式对声场中的物体施加声辐射力。本研究以超声作为细胞力学加载的手段,通过构建高效和稳定的多波节体波驻波场,实现以非接触的方式对多个仿生细胞以及细胞同时施加相同的力学刺激。发现在超声应力作用下,细胞以及磷脂囊泡可以快速生成磷脂纳米管,为探索细胞的力学信号感受和响应机制提供新的技术支撑。

厌氧氨氧化动力学特性解析

厌氧氨氧化是处理污水中氨氮和亚硝酸盐氮的最有效技术之一,但在实际应用中低生长速率和对环境因素的敏感性使得厌氧氨氧化过程多变且不稳定。而动力学模型的研究可以为更好地理解和使用脱氮技术提供有价值的工具,该文对厌氧氨氧化抑制、恢复和过程动力学模型进行了综述,阐明修正的Boltzmann模型广泛应用于厌氧氨氧化抑制后恢复性能的描述,并深入探讨不同反应器的动力学过程,认为修正的Stover-Kincannon和Grau二阶模型是最适合不同厌氧氨氧化反应器过程动力学模型,研究结果对厌氧氨氧化工艺环境因素的调控和反应器的优化设计具有一定的指导意义。

生物力学分析:5种不同方法腰椎融合术的有限元模拟研究

目的比较5种不同入路腰椎融合术的生物力学特性。方法利用有限元软件建立包括TLIF、ALIF、OLIF、XLIF和PLIF在内的5种手术模型进行6种运动状态下的活动度、上下终板和软骨的最大应力变化的测量、分析,比较5种模型的稳定性。同时针对现有手术模型展开动态力学分析,在模拟人体生理振动工况下,测量上下终板最大应力点的瞬态应力曲线以及应变能变化波动。结果在静力学分析中,5种手术模型在6种工况下,L4下终板的应力会比L5上终板的应力稍大一点,同时L4下终板的Z方向最大位移值明显大于L5上终板,自稳定融合器支撑的ALIF手术模型的下终板应力最小,但是上终板应力表现没有明显优势,同时有着非常好的稳定性;软骨应力分析部分,TLIF手术模型的软骨应力在6种工况下都最小;在瞬态动力学分析中,ALIF手术模型在循环振动载荷下L4下终板的应力值适中,且振动的幅值明显大于其余4种模型,TLIF手术模型的两终板瞬态应力都最小且振幅波动适中,TLIF手术模型中融合器应变能最小,刺激骨填充物生长速度最慢。结论静力学分析中,ALIF手术模型表现良好,但是由于整体钛合金材质且融合器体型过大,在瞬态动力学分析中,表现不佳,可在后续的研究中,针对这一方面的特性进行优化。

力-化-生耦合的生物力学理论及其应用

癌症以及心脑血管、免疫系统等的重大疾病的发生发展,都涉及多种生物学、化学、力学等因素的相互作用与协同演化。针对这些重大疾病,建立相应的生物力学理论与模型,对于癌症的追踪溯源、趋势研判、诊疗康复具有重要意义。本报告将汇报力-化-生耦合生物力学理论的点滴进展及其在胚胎、肿瘤等的生理和病理过程中的初步应用。首先,将介绍力-化-生耦合的生物组织生长发育力学理论,并将该理论应用于胚胎、肿瘤、淋巴等生理和病理过程的研究。在生物组织的生长、发育、衰老、病变等过程中,力学、化学、生物学等各类因素相互耦合、彼此调控,并涉及多种物质成分和能量的输运与转化。通过上述机制的定量化描述,基于冯元桢的应力-生长理论、热力学基本定律等,给出了力-化-生耦合的生物组织生长理论框架,可以应用于生物组织在多种条件下的生长、发育与重塑研究。其二,发展了力-化-生多场耦合的生物稳定性分析方法。稳定性是力学学科的一个核心命题。对于生命体而言,从生物大分子、亚细胞、细胞直至生物组织和系统尺度,都存在大量的稳定性问题,相关机制在胚胎发育、疾病的发生发展、组织和器官工程等领域起着重要作用。在各种生命过程中,不仅存在以机械能主导的欧拉失稳、以化学能或熵主导的图灵失稳,而且存在诸多力学、化学、生物学等因素耦合的失稳现象。将从控制方程、能量转换、时间和空间特征等角度对这些不同类型的稳定性问题进行讨论。应用该方法,研究了肿瘤、胚胎、脑等生物组织在生长发育、病变等中的稳定性问题;并结合实验,研究了细胞与分子尺度的动力学稳定性,解释了卵母细胞和囊胚的周期振荡、螺旋波等现象及其机制。其三,讨论从分子、亚细胞、单细胞、细胞群体到组织的时空多尺度动力学研究方法。对于很多生命过程的理解,需要考虑在不同时间和空间尺度上力、能量、几何、功能等的传递和转化机制,而这些机制涉及结构、力、响应等的复杂性和特异性,对其进行定量化和理论化遇到多方面的困难。将对时空多尺度动力学研究方法进行初步的探索与讨论。利用该方法,研究了细胞迁移与群体运动等问题。结合数值模拟与实验,揭示了癌细胞转移的一种力学效能,即肌动纤维网络通过力学感知与生化信号的正负反馈,确定其迁移路径。

基于微流控芯片技术的细胞动力学研究

在体细胞微环境中的体液处于流动状态,流体中包含大量动态变化的生物化学信息。当细胞感受到来自于微环境的动态信息刺激后,产生细胞内的信息响应,从而对细胞自身的功能和行为进行调控。细胞动力学以系统动力学的观点研究细胞事件的动态变化以及内外环境因素对细胞结构和功能及整体行为的影响。目的基于微流控芯片技术体外模拟细胞外微环境信号,开展细胞动力学研究。方法细胞动力学实验分析利用微流控芯片技术平台模拟细胞外动态微环境信号,对芯片上的细胞施加动态力学和生化信号刺激,用多模态光学成像技术检测分析细胞事件的动态变化;细胞动力学理论分析则基于实验观测数据和细胞生物学机理建立描述细胞动力学机理模型,或建立数据驱动“黑箱”模型进行定量分析。结果与讨论微流控芯片技术可为细胞动力学实验分析提供精准的动态力学和生化信号微环境;细胞动力学机理模型可描述和解释实验观测的现象,为人类重大疾病发生发展机制探索提供定量线索;细胞动力学数据驱动模型可为细胞层面的疾病诊断与药物评估提供定量指标。结论细胞动力学分析可为人类重大疾病发生发展机制探索、疾病诊断与药物评估等方面提供动态定量信息。

专业课程教学中的通识教育——以一般力学类课程为例

探讨在专业课程教学中进行通识教育。通过对通识教育理念的分析,明确在专业课程中进行通识教育要聚焦与专业知识密切相关的基础性心思和心智结构。以一般力学类课程理论力学、振动力学和高等动力学为例,说明相关的心思和心智基础性结构,包括科学精神、研究方法、变化描述、数量关系和基本概念。

量子力学之波动力学(下)

5对薛定谔波动力学论文的即时响应对薛定谔的波动力学持排斥态度的,海森堡是不多的例外,而玻恩、泡利(稍微表示过不爽)、约当、狄拉克、冯·诺伊曼、朗道、福克等人则是迅速跟上去并做出了非常重要的工作。笔者觉得最离谱的要数索末菲。索末菲1919年出版了Atombau und Spektrallinien(原子构造与谱线)这本经典著作,里面有他1915—1916年构造原子模型、引入新量子数的工作,这可以说是启发量子力学——确切地说是矩阵力学——诞生的关键思想源泉。然而,1929年索末菲出版了Atombau und Spektrallinien,Wellenmechanischer Ergänzungsband(原子构造与谱线:波动力学增补版)。这几乎就是另一本书了。

量子力学之矩阵力学(下)

(接53卷第5期)5.2第二篇。图4是矩阵力学三部曲第二篇的截图。这篇长31页的论文分为五个部分:导言;第一章,矩阵计算;第二章,动力学;第三章,检验非简谐振子;第四章,电动力学评论。文章的作者为玻恩和约当。此文目的是把海森堡上一篇论文中的Ansatze发展成量子力学的系统理论(zu einer systematischen Theorie der Quantenmechanik)。

微纳尺度结构动力学专刊序

围绕微纳尺度结构跨尺度动力学建模、动力学分析、动力学控制、动力学设计与测量方法等研究主题,本专刊介绍了微纳尺度结构动力学与控制领域的一些最新研究成果.

半自动吸塑包装机关键构件力学特性模拟分析

为研究吸塑包装机关键构件力学特性,以半自动吸塑包装机为例,对其刀架与转轴关键构件力学特性进行模拟分析。通过数字建模与物理建模方法构建关键构件多刚体力学模拟模型,利用ADAMS动力学自动分析软件和ANSYS有限元软件,模拟分析关键构件的动态力学性能和静态力学性能。分析结果显示:关键构件的位移变化与角速度、加速度变化符合实际运动规律,当转轴受到49.52 N垂直方向力的影响时,转轴最大位移为0.928 mm,最大应力为31.25 MPa,符合选材规定范围,具有良好的模拟性能。

“课堂革命”视域下建筑力学课程教学“岗课赛证”融通的研究与实践

建筑力学课程是高职院校土木建筑类专业十分重要的专业基础课,其内容包括理论力学、材料力学和结构力学3个模块,一般被设置在第一学年,为学生学习建筑结构、地基与基础、建筑施工技术等后续专业课程,以及毕业后从事专业技术工作打下必要的力学基础。建筑力学知识贯穿工程项目建设的全过程,从业人员是否熟练掌握和合理应用建筑力学知识,是保证工程质量和安全的关键。

水力学的基本理论及其在土木工程中的应用——评《水力学(第三版)》

水力学是力学的分支,主要研究液体在静态和运动状态下的性质和行为,涉及流体力学、流体静力学和流体动力学等。随着该学科的发展成熟,其应用价值日益凸显,具体到土木工程中,房屋建筑、道路桥梁等建筑的修建均离不开水力学的指导。《水力学(第三版)》对水静力学和水动力学进行了系统阐述,并详细分析了水头损失、有压管流、明渠流动等。水力学基本理论主要包括:一是流体的性质。流体是液体和气体的总称,其具有一些特殊性质。

血管生物力学与力学生物学研究进展

血管生物力学主要探讨血管细胞如何感知力学刺激、力学如何影响疾病发生发展以及开发多种数理模型来分析力学因素对疾病的作用。近年来,血管生物力学领域的研究蓬勃发展,各科研团队从不同方向解析血管的力学生物学过程,以期深入了解血管生物力学因素影响各种血管疾病进程的调控机制,为心脑血管疾病的防治提供基于力学生物学的理论基础。本文基于国内外专家团队并结合本团队研究工作,对血管力学生物学领域近期的研究热点和新兴趋势进行总结探讨,为把握血管力学生物学领域热点和探索新的研究方向提供系统框架。

根土复合体力学效应及其模型构建研究进展与展望

[目的]为探究根土复合体的力学效应机理及模型方法应用。[方法]采用文献分析和对比分析法,归纳分析根土复合体概念和内涵、根土复合体力学效应及力学模型原理、优缺点以及适用范围。[结果](1)根土复合体是根系与土体之间力学耦合效应的复合整体,根系在土体中交叉缠绕,起到加固作用;(2)根系与土体力学关系实质上是根土复合体土力、水力和复合力学特性作用的结果,土力特性、水力特性分别侧重研究根系对土体的影响和土中水分对土体和根系的影响,复合力学特性侧重于根土复合体自身特性对植物根系特征以及结构的直接影响,从而通过三者作用使根系与土体的力学关系处于动态平衡之中;(3)根土复合体复合力学模型研究较土力和水力学模型略少,土力学和水力学模型都是根据量化参数,通过参数间对比来衡量固土效果,但复合力学特性同时涉及土力特性和水力特性,考虑全面,应是未来研究的重点方向。[结论]未来在开展冻融循环、干湿交替、干热循环对不同地区根系与土体相互作用的影响、多类型植物混种抗剪强度、化学作用和微生物作用对土水特性影响机理及复合模型构建等方面有待深入研究。研究结果可为生态脆弱区植被恢复、水土保持和可持续发展等提供重要的理论价值和工程借鉴意义。

聚甲氧基二甲醚-2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE_(2))的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE_(2)详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE_(2)在温度范围为550~900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE_(2)中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE_(2)反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE_(2)自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE_(2)第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化,在720~820 K的中温范围内呈“平台”状,几乎不随温度变化。PODE_(2)低温反应活性来自于3个替代性通道,由氧加成反应开启的典型低温链分支反应序列作用被抑制。

固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。

脊柱生物力学2023年度研究进展

脊柱是人体最重要的骨骼结构之一。它具有保护脊髓、支持体重、减缓冲击,并允许躯干灵活运动的功能。脊柱生物力学研究对于全面认识脊柱结构功能、疾病发病机制意义重大。2023年,国内外学者开展了大量脊柱相关的生物力学研究,包括脊柱基础生物力学的认知,病理条件下脊柱力学特性改变,以及基于生物力学研究基础设计的各种治疗脊柱疾病办法。本文着重分析脊柱生物力学2023年度研究进展,并以几种较为典型的脊柱疾病或病理状态为例进行详解介绍。