工程應用中四種常見的場
從哲學的角度講,結構及其相互作用的矛盾構成了世界發展的根本原因。從物理學的角度來說,結構和相互作用被譯為物質和場。所以,場就是物質之間的相互作用。物理學上所談的場包括引力場、電磁場、核場和弱場。場的相互作用是通過交換量子而實現的,現在所發現的量子有:光子和8種核場量子。
但是,工程應用所談的場的與上述概念略有不同,它主要從實用而非量子角度來談場,如結構場、流場、聲場、濃度場、溫度場、靜電場、穩恒磁場和電磁場等。工程中經常面對的四種物理場:結構場,流場,溫度場,電磁場。這些場是計算機仿真的基本求解對象。
物理場這個名詞聽上去高深莫測,令人肅然起敬,但其實并不復雜,它就在你我身邊。
溫度場
春分剛過,全國各地也開啟了回暖進程,人們脫去厚重的外套開始換上輕便的衣裝,溫暖的陽光從窗外直射進來,盡管許多人已經身穿短袖,仍感到有些微微發熱。顯然,在我們周圍,溫度在漸漸升高,而在離開窗戶稍遠的地方,比如靠近走廊的門邊,溫度會稍微低一些。可以想象,在房間內不同的點,溫度都是不一樣的。這就是說,溫度是空間坐標的函數。如果以房間的某一個角落為坐標原點,以三條墻角線為坐標軸建立一個直角坐標系,那么,在此房間內任何一點的溫度都是它所在點的三個坐標的函數。這就是說
實際上,還不僅如此。空間中任意一個點,它的溫度并不總是恒定的。隨著中午的來臨,空間每個點的溫度都會逐漸上升,而當夜幕降臨時,它的溫度又會逐漸降低,這就是說,空間任意一點的溫度還是時間的函數。所以,上面的式子需要加以修正,加入時間變量,于是有
上述函數說明了,溫度T是它的三個空間坐標以及一個時間坐標的函數。這樣,在這個房間,如果我們可以把每個點的溫度都標志出來的話,那么這些溫度就構成了一個數值空間,這個空間稱為溫度場。
流場
隨著房間的溫度的逐漸升高,我們開始感受到太陽的熱力。突然一陣輕風拂過,不禁讓人神清氣爽。對于微風,我們首先感受到的,就是風的壓力以及它的速度。實際上,在我們周圍的空氣并非靜止不動的,由于溫度在改變,而不同地方的溫度不同,熱空氣在上升,而冷空氣在下降,空氣的流動就產生了風。雖然這種風力并不大,但是它們的確存在。同樣,仿照溫度場的分析方法,取房間的某個角落為坐標原點,而建立一個直角坐標系,則空間中任何一點的速度和壓力也是空間三個坐標以及時間坐標的函數,這樣,就有
即速度和壓力是空間以及時間坐標的函數。這樣,在我們的周圍,實際上空氣的壓力形成了一個數值空間,而空氣的速度也形成了一個數值空間,前者是壓力場,后者是速度場,二者合在一起,就是流場。
流場存在于空氣中,也存在于奔流的長江黃河里,存在于風平浪靜的太平洋,也存在于我們的血管里。
結構場
當我們坐在辦公桌前工作時,我們的屁股上的肌肉、皮膚實際上承受了我們整個身體的重量而變形,換一句話說,與凳子接觸的身體上的每個點,都發生了位移。如果我們以凳子表面的中心為坐標原點,建立一個直角坐標系的話,那么我們屁股上的每一個點都發生了位移,而每個點的位移,顯然都是空間坐標的函數,就是說,不同的點,其位移是不一樣的。這就構成了一個所謂的位移場。如果深入其內,我們知道,實際上每個點也是有應力的,這就構成了應力場;而每個點也有應變,這就構成了應變場。總之,是構成了一個所謂的結構場。
所謂結構場,實際上是指,一個結構在受到外力后發生了變形,從而導致了位移,應力,應變,這些量在空間的連續分布,就構成了結構場。如果我們久坐的話,某些地方的應力總是很大,如果此處剛好是血管,則此處的血管被壓癟,血流艱難,養料不能順利的供應到相應的部位,則這些地方就會感到不快。而此處如果是神經被壓制,則更會直接引發神經的反射,而以光速傳遞到我們的大腦,敦促我們及早改變坐姿,不要讓他們承受如此巨大的壓力。
電磁場
當我們正在工作時,手機鈴聲突然響起,我們才驀然感到,還有一個場就在我們身邊,這就是電磁場。電磁波其實一直就在我們身邊環繞,只是在適當的時候,其發射頻率與我們手機里面某一個接受部件的頻率保持一致時,手機感受到了從遠方發出的信號,于是鈴聲大作。
綜上所述,物理場實際上就是某種在空間連續分布,在時間上持續存在的某種物理量。如果這個物理量是溫度,則是溫度場;如果它是壓力和速度,就是流場;如果是位移,應力和應變,就是結構場,如果是電勢,磁場強度,則是電磁場。
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