力学及其交叉学科在科学技术上的一些应用

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力学在生物医学工程领域的应用有哪些

力学在生物医学工程领域的应用有哪些

力学在生物医学工程领域的应用有哪些在当今科技飞速发展的时代,生物医学工程作为一门交叉学科,融合了生物学、医学和工程学的知识,为改善人类健康和医疗水平发挥着重要作用。

而力学作为物理学的一个重要分支,在生物医学工程领域中也有着广泛而深入的应用。

力学在生物医学工程中的应用首先体现在医疗器械的设计和研发方面。

以人工心脏瓣膜为例,其设计必须充分考虑血液流动的力学特性。

血液在心脏和血管中流动时会产生压力和流速的变化,而人工心脏瓣膜需要在这样的力学环境下正常工作,既不能阻碍血液的流动,又要确保血液不会回流。

因此,工程师们在设计瓣膜时,需要运用流体力学的知识来模拟血液流经瓣膜的情况,优化瓣膜的形状和结构,以减少血栓形成和血液损伤的风险。

再比如,骨科植入物如人工关节的设计也离不开力学原理。

人工关节需要承受人体的重量和运动产生的各种力,同时要保证长期的稳定性和耐磨性。

通过力学分析,可以确定关节材料的力学性能要求,如强度、硬度和韧性等,以及关节的几何形状和表面处理方式,以减少磨损和松动的发生。

此外,在牙科领域,牙齿矫正器的设计也是基于力学原理。

矫正器通过施加适当的力来改变牙齿的位置和排列,这个过程需要精确计算和控制力的大小、方向和作用时间,以实现安全有效的矫正效果。

除了医疗器械,力学在生物组织和细胞的研究中也发挥着关键作用。

细胞作为生命的基本单位,其生长、分裂和分化等过程都受到力学环境的影响。

例如,细胞在受到外界压力或拉伸时,会产生相应的力学响应,这种响应会影响细胞的基因表达和蛋白质合成,进而影响细胞的功能和命运。

研究人员利用微流控技术和原子力显微镜等工具,可以对细胞施加精确的力学刺激,并观察细胞的反应。

通过这些研究,有助于深入了解疾病的发生机制,如癌症细胞的转移和心血管疾病中血管内皮细胞的损伤。

在生物力学建模方面,力学为研究人体器官和系统的功能提供了重要的手段。

通过建立数学模型,可以模拟人体运动系统、心血管系统和呼吸系统等的力学行为。

生命科学中的生物力学及应用

生命科学中的生物力学及应用

生命科学中的生物力学及应用随着科技的不断发展,生命科学在人类社会中扮演着越来越重要的角色。

其中,生物力学成为了生命科学中的一个重要分支,这个领域的研究结果和技术应用渗透到了我们生活的方方面面。

在本文中,我们将重点探讨生命科学中的生物力学及其应用。

I. 什么是生物力学生物力学是力学原理在生物结构和功能上的应用。

它是一门交叉学科,涉及生物学、解剖学、工程学、物理学和数学等多个学科。

生物力学主要研究生物体受力、运动和疲劳等方面的问题。

在生物力学的研究中,力学的概念和原理得到了广泛的应用。

运用适当的数学方法,可以描述物体的运动、形态和受力状态,从而解决生物学中的一些问题。

II. 生物力学的应用生物力学的应用非常广泛,以下是其在生命科学中常见的几个应用方向。

1. 健康监测作为人们日常生活的重要方面,健康监测已经成为生物力学研究的一个热门领域。

通过运动传感器、心电图、血压计等仪器,可以对人体的生理活动进行监测和分析,并给出指标和建议,帮助人们更好地了解自己的身体状态和健康状况。

2. 运动物理学生物力学的运用还可以帮助理解和优化人类运动方面的问题。

在现代运动科学中,生物力学是一个重要的学科,它研究肌肉力量、运动稳定性和技能运动等方面的问题。

运用生物力学的原理,还可以对运动损伤和康复方面提供重要的指导。

3. 生物医学工程生物医学工程是一个跨越医学、工程学和生物力学的领域。

它通过使用生物力学原理,分析人体组织和器官的结构和功能,以改善和维护人类健康。

例如,它可以为人工智能假肢、人工心脏和人工关节等医疗器械的设计和优化提供技术支持。

4. 生物材料生物材料是一种具有特定结构和性能的材料,用于模拟生物组织和器官,且具有较高的生物相容性。

在生物力学中,材料研究就是生物材料研究的一个分支。

生物力学的应用帮助生物材料领域创建了各种新型的人造器官和组织,例如肝脏、皮肤和骨骼等,广泛应用于医疗、药物研究和器官结构重建等方面。

III. 生命科学中的生物力学确实有重要的作用生命科学中的生物力学既有基础理论,又有实际应用。

流体力学简介及其应用领域

流体力学简介及其应用领域

流体力学简介及其应用领域流体力学是研究流体在各种情况下的力学性质的学科。

流体力学的研究对象是流体,即液体和气体。

本文将介绍流体力学的基本概念和原理,以及它在各个领域中的应用。

一、流体力学概述流体力学是研究流体在力学作用下的运动规律和力学性质的学科。

流体力学基于质点力学的基本原理,结合了质点力学和连续介质力学的概念和方法进行研究。

它主要包含两个方面的内容:流体静力学和流体动力学。

1. 流体静力学流体静力学是研究静止的流体的力学性质和平衡条件的学科。

静止的流体受重力的作用下,压力在不同位置上会有不同的分布。

通过应用压力梯度的概念和压强的定义,可以得到流体静力学的基本方程。

2. 流体动力学流体动力学是研究流体在外力作用下的运动规律和力学性质的学科。

流体动力学研究的是流体的流动状态,包括速度场、压力场等各个方面的特性。

通过应用质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本原理,可以得到流体动力学的基本方程,如连续方程、动量方程和能量方程。

二、流体力学的应用领域流体力学的理论和方法广泛应用于各个领域,涵盖了自然科学、工程技术和生物医学等多个领域。

以下将介绍一些典型的应用领域。

1. 工程力学流体力学在工程力学中的应用非常广泛。

例如,水利工程中的水流运动、水力发电和水污染控制等问题,以及空气动力学、飞行器的设计与优化等问题,都离不开流体力学的理论和方法。

2. 汽车工程在汽车工程中,流体力学被广泛应用于汽车空气动力学和燃烧过程等方面的研究。

通过流体力学的理论和模拟方法,可以对汽车的空气动力学特性进行研究和优化,提高汽车的性能和燃油利用率。

3. 航空航天工程流体力学在航空航天工程中的应用也非常重要。

例如,飞行器的气动外形设计、空气动力学特性的研究、喷气发动机的燃烧过程等问题,都需要运用流体力学的理论和方法进行分析和研究。

4. 生物医学生物医学领域中的许多问题也涉及到流体力学的研究。

例如,血液在血管中的流动、气体交换和呼吸过程等问题,都可以通过流体力学的分析和计算方法进行研究和模拟,对疾病的诊断和治疗有一定的指导意义。

举例谈谈运动生物力学的学科任务、科学发展方向及前沿有哪些

举例谈谈运动生物力学的学科任务、科学发展方向及前沿有哪些

举例谈谈运动生物力学的学科任务、科学发
展方向及前沿有哪些
运动生物力学是一门涵盖生物学、物理学和工程学等学科的交叉学科,它主要研究生物体的运动和力学特性。

该学科的任务包括测量运动生物系统的力量、质量、速度和加速度等力学特性,探究生物体在不同环境下的运动模式和行为规律,了解人体运动障碍事件的成因及治疗方法等。

运动生物力学的科学研究方向主要包括以下几个方面:一是生物运动的理论模型,即以生物体为对象,构建可靠且精确的运动模型;二是生物运动的运动机制,即研究运动生物运动时不同生物组织的交互作用以及控制运动的神经系统机制;三是生物运动的应用研究,即探究运动生物力学在医学、运动训练、运动装备设计等领域的应用价值。

目前,运动生物力学领域的前沿研究主要集中在以下几个方面:一是基于运动生物力学的康复治疗,即利用运动生物力学技术对运动功能障碍患者进行诊断和康复治疗;二是新型运动装备的设计,包括基于应力分析和动力学优化的运动装备设计以及生物力学仿真技术在运动装备测试和评价中的应用;三是运动生物力学与机器人技术的结合,即研究将生物力学原理应用于机器人设计和控制中,提高机器人的运动效率和适应性;四是运动生物力学与运动智能化的结合,即利
用生物力学原理研究动物和人类的智能化运动,将运动生物力学与人工智能技术相结合,提高机器人和人的运动表现和智能水平。

总之,运动生物力学是一个发展潜力巨大的交叉学科,具有非常广阔的应用前景。

未来,我们应该继续加强运动生物力学的研究和应用,为人类的健康、运动和生活提供更多的帮助。

热流体力学研究及其在工程领域中的应用

热流体力学研究及其在工程领域中的应用

热流体力学研究及其在工程领域中的应用热流体力学是涉及热传递和流体力学的交叉学科,其重要性在于其广泛的应用,在工程、生物医学、材料科学等领域都有所涉及。

本文将探讨热流体力学的研究和其在工程领域中的应用。

一、热流体力学的研究热流体力学研究的重点在于解决传热和传质过程中的问题。

热流体力学的基本原理涉及输运方程、流动方程、能量平衡方程等。

其中,输运方程描述了流体中物质的传输过程,包括质量输运、动量输运和能量输运。

流动方程衡量了流体力学和静力学的基本方程,包括连续方程、动量方程和能量方程。

能量平衡方程描述了物质热传递的过程,包括传热、传质和辐射等。

在热流体力学的研究中,对于流体的物理和化学特性的了解至关重要。

研究流体的输运性质、张力、表面活性、表面形变等积极地促进了热流体力学的理论和实践的发展。

热流体力学的研究包含多种多样的现象,涉及传热、传质、流动、混合等複合问题。

此外,热流体力学也涉及到多种实验和数值模拟的方法。

多相流动也在热流体力学的研究中扮演了重要角色,包括液固、液液和气液多相流动等。

热流体力学也涉及到燃烧过程,包括燃烧传输、燃料氧化等。

在热流体力学的研究中,还涉及到材料的热力学。

材料的热力学和相应的热传导过程有着紧密联系。

热传导图和材料的热稳定性都是重要的研究内容。

二、热流体力学在工程领域中的应用热流体力学理论和方法在工程领域中有着广泛的应用。

下面我们介绍几个常见的应用。

1. 冷却系统的设计冷却系统是众多工业产品的重要组成部分,例如汽车引擎冷却系统和计算机CPU冷却系统。

在冷却系统设计中,热流体力学起着至关重要的作用。

通过热力学和流体力学的原理,可以确定最佳的冷却介质和系统的设计参数。

例如,在汽车引擎冷却系统中,流量和速度等参数都需要被考虑到。

2. 能源领域在能源领域中,热流体力学被广泛应用。

在核能和太阳能热浴器中,热传导、传热器等技术都涉及到热流体力学的原理。

通过热力学、物理和数值模拟的原理,科学家能够找到最佳的能源解决方法。

流体力学与机械工程的交叉学科研究

流体力学与机械工程的交叉学科研究

流体力学与机械工程的交叉学科研究引言:流体力学与机械工程是两个相互关联且各自发展迅速的学科领域。

流体力学研究流体的运动规律,而机械工程则研究机械结构的设计和运行。

两者的交叉研究可以提供对流体力学问题更深入的理解,并为机械工程的发展提供新的机遇。

本文将讨论流体力学与机械工程的交叉学科研究中的一些研究方向和应用。

第一部分:流体动力学与机械设计流体动力学与机械设计是流体力学与机械工程交叉研究的重要领域之一。

在机械工程中,无论是液压设备、飞行器还是水泵,都需要考虑流体力学的因素。

通过应用流体动力学的知识和方法,可以优化机械系统的设计,改善其性能,并提高能量转换效率。

例如,对飞机机翼的气动性能进行研究,可以提高飞行器的升力和降低阻力。

此外,流体动力学与机械设计还可以应用于研究流体的动力学特性对机械结构的影响。

例如,在液力传动系统中,通过研究液体的流动特性,可以有效地设计传动装置,实现高效的能量传输。

因此,流体动力学与机械设计的交叉研究不仅有助于提高机械系统的效率,还能推动机械工程领域的创新。

第二部分:流体动力学与涡量控制涡量控制是流体动力学与机械工程交叉研究的另一个重要领域。

涡量是流体中旋转运动的区域,其存在对流体的运动和混合过程有着重要影响。

涡量控制可以通过改变流体中涡量的位置和强度,实现对流体运动的控制和操纵。

涡量控制的研究领域包括风力发电、汽车空气动力学、航空航天等。

例如,在风力发电中,通过调节涡量的位置和强度,可以改变风车叶片的受力和旋转速度,从而提高能量转换效率。

在汽车空气动力学研究中,通过控制车身周围的涡量,可以减小车辆阻力,并提高燃油经济性。

第三部分:数值模拟与流体动力学实验数值模拟和实验是流体力学与机械工程交叉研究中不可或缺的两个方面。

数值模拟通过建立运动方程和边界条件,并运用数值计算方法,以模拟流体力学问题的动态过程。

流体力学实验则通过实验设备和测量方法,直接观测和量化流体的力学特性。

数值模拟和实验相互补充,共同为流体力学和机械工程提供了丰富的研究手段。

24力学中的交叉学科

24力学中的交叉学科

2 4 力学中的交叉学科2.4力学中的交叉学科力学中的交叉学科基本上可以分为两类:第一类由力学学科内部不同分支学科交叉组成;第二类由力学与其它学科交叉组成。

内部的交叉学科最典型的是由流体力学与固体力学交叉组成的学科,它们有:1)流体弹性力学,研究流体和固体的运动和相互作用发生耦合效应的问题;2)流体弹塑性体力学,研究兼有固体和流体的双重特征的物体的变形和运动;3)含有流体的多孔介质或散体的动力学,研究的客体本身就由多相组成,而骨架的变形和破坏与体内流体的状态和运动发生相互制约。

这方面的实例有地下渗流、地基、边坡和断层的稳定性、泥石流、雪崩等。

物质的运动形式多种多样,除了机械运动这一最基础的形式以外,还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和分子及原子层次的化学运动等。

机械运动往往不能脱离其他运动形式独立存在,在需要和可能研究其他运动形式对机械运动有较大影响或者考虑它们之间的相互作用及内在联系的情况下,便会在力学同其他学科之间形成交叉学科或边缘学科的生长点。

力学是研究物质机械运动规律的科学。

随着人类观测手段的进步和对各种形式运动认识的深入和提高,特别是20世纪物理学各个分支和数学的飞速发展,加上计算机科学和技术的突飞猛进,人们对于伴随有其他运动的机械运动的认识也随之提高。

今天,我们对自然界各种层次的物质,从宇观的宇宙体系,宏观的天体和常规物体,细观的颗粒、纤维、晶体,到微观的分子、原子、基本粒子已经有了较为广深的认识。

这样就为研究多种形式同时存在的复杂运动提供了有利条件,从而产生了力学中多种多样的交叉学科,如物理力学、电磁流体和等离子体力学、物理化学力学、爆炸力学等。

此外,自然科学发展到今天,已经形成了一些传统的一级学科,如天文学、地学和生物学等。

这些学科和力学的研究内容和范围历来存在着重大的相交和重叠。

对于天体、地球和生物这样一些重大类别的物体来说,机械运动形式也是他们的基本运动形式,研究他们的结构和运动变化的规律也是力学学科的内容。

医用生物力学

医用生物力学

医用生物力学1医用生物力学是什么医用生物力学是一门多学科交叉学科,主要研究和应用生物物理学,生物力学,生物材料科学,计算生物学,机器人技术,人机交互等原理和技术,对生物学临床医学产生重要影响。

内容涵盖了生物动力学,关节及肌肉力学,人体形态及运动动力学,医用仿生机器,各种仿生材料的研究及应用,多模态信息融合以及交互,学术理论自适应临床应用,力学模型及虚拟仿真,转换医学/医药和产业应用等跨学科的创新技术和工程方法。

2医用生物力学的用途医用生物力学应用于临床和工业等方面,它们的用途有:1、检测、诊断和监测:包括生物测量系统、脑功能成像技术、神经肌肉受损与康复技术等。

2、早期预防:包括心血管疾病早期筛查、慢性疾病的监测预防和康复治疗等。

3、激发创新:使用这种技术可以填补目前还没有解决的问题,从而促进新的商业机会和技术创新。

4、临床操作:如体外细胞辅助技术、数字医学设备、人工关节系统等,在有限的时间和有限的空间内,实现最佳的医疗效果。

3医用生物力学将如何发展医用生物力学对医学临床有重要作用,历史发展趋势表明,医用生物力学将会以新的趋势、新的方向发展:(1)把计算和多学科的研究集中到医学诊断、治疗、康复和健康监护、机器人和仿生设备,以及病理生物学领域;(2)运用现代信息技术,扩大医学技术对临床操作的支持;(3)将医学生物力学理论与实践串联起来,促进在医学设备设计和应用开发中的通用解决方案的发展;(4)实现多种医疗装置的集约设计、模拟和仿生技术;(5)加强现有研究方法,形成更高效,更精确的临床实现;(6)促进新技术的跨越,创造新的临床模式和应用场景。

基于以上几个方面,未来的医用生物力学将更多地走向符合医学要求、更加应用化和跨学科化的方向,由此有助于改进和创新医学临床服务,带来更好的社会效益。

智能流体力学的研究与应用

智能流体力学的研究与应用

智能流体力学的研究与应用智能流体力学是一门研究流体力学中智能化技术应用的学科,它在传统流体力学的基础上,利用先进的智能计算和控制方法,实现对流体行为的精确建模、预测和控制。

智能流体力学的研究和应用,不仅有助于提高流体系统的性能和效率,还能为工程和科学领域带来新的突破和创新。

一、智能流体力学的概述智能流体力学通过引入人工智能技术,如机器学习、模式识别和控制算法等,实现对流体行为的智能化处理。

它将传统的基于理论和经验的方法与智能计算方法相结合,能够更准确地描述流体的运动和变化规律,提高研究和应用的效率和可靠性。

二、智能流体力学的研究内容1. 智能流动建模与仿真智能流体力学的研究重点之一是如何准确地建立流体系统的数学模型,并通过仿真方法验证和优化模型。

智能流动建模与仿真技术可以帮助工程师和科学家分析复杂的流体问题,预测流体行为,并为流体控制和优化提供依据。

2. 智能流体控制与优化智能流体控制与优化是智能流体力学的核心领域之一。

它主要研究如何通过智能计算和控制方法实现流体行为的精确控制和优化。

智能流体控制和优化技术在机械工程、航空航天、能源和环境等领域有着广泛的应用前景。

3. 智能流体传感与监测智能流体传感与监测是智能流体力学的重要组成部分。

它通过引入先进的传感器和监测技术,实时获取流体系统的各种参数,并利用智能计算和分析技术实现对流体行为的准确监测和预测。

智能流体传感与监测技术可以提高流体系统的可靠性和安全性。

三、智能流体力学的应用领域1. 航空航天领域智能流体力学在航空航天领域的应用主要包括飞机气动设计、发动机推力优化和空气动力学仿真等方面。

通过智能流体力学技术,可以提高飞行器的气动性能,减少飞行阻力,提高飞行效率。

2. 能源与环境领域智能流体力学在能源与环境领域的应用主要包括风能、水能和油气输送等方面。

智能流体力学技术可以帮助优化能源设备的设计和运行,提高能源利用效率,减少能源消耗和环境污染。

3. 生物医学领域智能流体力学在生物医学领域的应用主要包括血液循环、药物输送和生物流体仿真等方面。

理论力学的应用和发展趋势

理论力学的应用和发展趋势

理论力学的应用和发展趋势理论力学是物理学的基础学科之一,研究物体运动规律和力的作用关系。

它在科学研究和工程应用中发挥着重要作用。

本文将探讨理论力学的应用领域和发展趋势。

一、应用领域1. 天体力学天体力学是理论力学的重要应用领域之一。

它研究天体运动规律和天体间的相互作用。

通过对行星、卫星等天体运动的研究,可以预测天体的位置和轨道,为航天探测和导航提供依据。

2. 机械工程在机械工程中,理论力学被广泛应用于机械结构的设计和分析。

通过力学原理,可以计算机械结构的受力情况,优化设计方案,提高机械系统的性能和可靠性。

3. 能源与环境工程理论力学在能源与环境工程中的应用也日益重要。

例如,通过对风力发电机的叶片运动进行力学分析,可以提高发电机的效率;通过对水力发电机组的叶轮运动进行力学模拟,可以优化水力发电系统的设计。

4. 生物医学工程理论力学在生物医学工程中的应用也非常广泛。

例如,在人体骨骼系统的研究中,可以利用力学原理来分析骨骼的受力情况,为骨折治疗和人工关节设计提供依据。

二、发展趋势1. 多学科交叉随着科学技术的发展,理论力学与其他学科的交叉融合越来越紧密。

例如,理论力学与计算机科学的结合,使得力学模拟和仿真技术得到了快速发展。

理论力学还与材料科学、电子工程等学科相结合,推动了新材料和新器件的研发。

2. 精确计算和大数据应用随着计算机计算能力的提升,理论力学的计算方法也得到了进一步发展。

精确计算方法的应用使得力学模型的精度和可靠性得到了提高。

同时,大数据的应用也为理论力学的研究提供了更多的实验数据和案例,推动了理论力学的发展。

3. 新兴领域的应用随着科技的不断进步,新兴领域中的力学问题也日益受到关注。

例如,纳米尺度下的力学行为、生物力学中的细胞力学等。

这些新领域的研究将为理论力学的应用和发展提供新的方向和挑战。

总结起来,理论力学在天体力学、机械工程、能源与环境工程、生物医学工程等领域中发挥着重要作用。

随着科技的不断进步,理论力学将与其他学科交叉融合,精确计算和大数据应用将得到进一步发展,新兴领域的研究也将推动理论力学的应用和发展。

力学在第四次工业革命中的发展趋势

力学在第四次工业革命中的发展趋势

力学在第四次工业革命中的发展趋势
随着第四次工业革命的到来,力学学科也在不断发展和进步。

力学是研究物体运动和变形规律的学科,其发展趋势主要体现在以下几个方面:
一、多学科交叉融合:在第四次工业革命的背景下,力学学科正在与其他学科进行深度融合。

例如,力学与计算机科学、物理学、材料科学、生物学等学科相结合,可以推动力学的应用和发展。

二、应用领域的拓展:力学学科的应用领域日益拓展,包括航空航天、汽车工程、机器人技术、医学工程等领域。

随着科技的进步和社会的发展,力学学科的应用领域将会越来越广泛。

三、模拟和仿真技术的应用:模拟和仿真技术是力学学科发展的重要手段。

通过模拟和仿真技术,可以更加准确地预测物体的运动和变形,加速产品设计和工程应用的过程。

四、智能化与自动化技术的融合:智能化与自动化技术的不断发展与应用,推动了力学学科的发展。

例如,智能化与自动化技术在机器人技术中的应用,可以使机器人更加智能、高效地完成工作,提高生产效率和质量。

总之,力学学科在第四次工业革命中的发展趋势是与其他学科相融合、应用领域拓展、模拟和仿真技术的应用以及智能化与自动化技术的融合。

随着科技的不断发展,力学学科将会不断进步和发展,为社会的发展和进步做出更大的贡献。

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应用力学和工程技术中的计算机方法

应用力学和工程技术中的计算机方法

应用力学和工程技术中的计算机方法文章标题:应用力学和工程技术中的计算机方法1. 引言在现代科技的推动下,应用力学和工程技术领域的发展日新月异。

随着计算机技术的不断进步,计算机方法在这些领域的应用也变得越来越广泛。

本文将从计算机方法在应用力学和工程技术中的重要性、具体应用和未来发展等方面展开讨论,帮助读者全面了解这一重要领域。

2. 计算机方法在工程设计中的应用2.1 有限元分析有限元分析是一种应用广泛的计算机方法,它通过将复杂的结构分割为简单的有限元,利用计算机进行模拟计算,得出结构的受力情况。

有限元分析不仅可以帮助工程师预测结构在受力情况下的变形和应力分布,还可以指导工程设计的优化和改进。

2.2 计算流体力学计算流体力学是利用计算机对流体在各种工程应用中的行为进行数值模拟和分析的方法。

它在飞行器、汽车、船舶等领域的设计中发挥着重要作用,在减小气动阻力、提高运行效率等方面有着不可替代的作用。

3. 计算机方法在材料科学中的应用3.1 分子动力学模拟分子动力学模拟是利用计算机对原子、分子在不同温度、压力条件下的运动行为进行模拟的方法。

通过这种方法,科学家可以研究材料的力学性能、热学性能等特性,为新材料的设计和开发提供重要参考。

3.2 计算材料设计计算材料设计是一种将计算机方法应用于新材料设计和优化的技术。

通过计算机模拟,可以快速筛选出具有特定性能的新材料,并指导实际合成和应用。

4. 未来发展方向随着人工智能、大数据等新技术的广泛应用,计算机方法在应用力学和工程技术领域的作用将进一步加强。

未来,我们可以期待计算机方法在仿生学、智能材料、智能制造等领域的广泛应用,为工程设计和材料科学的发展带来新的突破。

5. 总结与展望通过本文的讨论,我们可以清晰地感受到计算机方法在应用力学和工程技术中的重要性和广泛应用。

我们也可以预见到,在计算机方法与其他交叉学科的融合下,将会孕育出更多科技创新和应用前景。

应用力学和工程技术领域的发展需要更多人投入到计算机方法的研究和应用中,为实现科技进步贡献力量。

学科交叉方法例子

学科交叉方法例子

学科交叉方法例子学科交叉,又称学科融合,可以提高学习者在学习中对一些综合性问题的理解能力、解决能力和表达能力。

由于它涉及到不同学科的知识,在学习的过程中需要学习者进行不同学科之间的整合、融合,可以帮助学习者更好地理解待学习的科学新知识,从而提高学习的效果和效率。

学科交叉方法例子有很多,下面简要介绍一下其中的几个。

1、数学和化学技术相结合:结构力学、流体力学等学科领域中,数学在解释现象,提出假说、进行模型构建和参数设定、分析和求解现象形式上具有重要的作用,而化学技术则是用来分析、检测和支持这样的研究。

2、电子学和电力技术融合:电子学和电力技术互为补充,它们有助于提高人们对先进电子控制系统、电力电子技术、新能源应用、新型多功能节能器件等领域的研究和应用。

3、历史和理技术融合:历史和地理技术是两个不同学科,但它们同样可以融合在一起。

有时,我们会需要历史与地理技术的结合来解释一个问题,这样可以最大限度地理解一个特定的地方的文化、历史背景、环境状况,从而更好地探讨人文社会问题。

4、经济学和数学技术融合:在经济学中,数学技术可以帮助研究人员更好地研究一个特定领域的经济问题。

如果数学技术与经济理论融合,就可以更好地分析出经济变量与经济分析之间的内在联系,从而建立更加准确和可靠的经济模型。

以上就是介绍学科交叉方法例子的几个例子。

可以看出,学科交叉是现代学习中一种非常有效的教学方法,可以帮助学习者更好地理解学习的内容,并更好的探索学习的新知识。

当今,越来越多的学校和机构都在采用学科交叉的方法,以适应社会发展的需求,学习者带来更大的发展机会,时也提高了学习环境的多样性,增强了学习者对新知识和技能的熟悉度,有利于学习者更好地发挥自己的潜力。

因此,有必要采用学科交叉的教学方法,改变传统单一学科的教学方式,使学习者能够充分理解不同学科的内容,提高学习的效果和效率。

从学科交叉的方式来看,我们可以根据学习者的兴趣和特长,把不同学科的知识融合在一起,开发出一系列新的学习方法,让学习者可以更好地吸收学习内容,更好地理解学习的新知识,更好地把科学知识和实际应用结合起来,为我们的未来科学发展奠定坚实的基础。

微观流体力学及其应用

微观流体力学及其应用

微观流体力学及其应用流体力学是一门研究物质流动的学科,包括宏观流体力学和微观流体力学两个方面。

宏观流体力学是以牛顿流体力学为基础,研究带有宏观特征的问题,如飞机在空气中飞行时的气动力学,气体在管道中的流动等。

微观流体力学则是研究微观流体系统中的流动和传热现象,例如微型设备中的微管流动,纳米颗粒在液体中的输运等。

微观流体力学是一个新兴的交叉学科,它涉及物理学、化学、生物学、工程学等多个领域,被广泛应用于纳米技术、生物医学、石油化工、环境保护等领域。

本文将从理论上介绍微观流体力学的基本原理,并探讨它的应用前景。

1. 基本原理微观流体力学的基本原理是纳细尺度下液体和气体的流动行为。

当尺度下降到纳米级,由于表面效应、量子效应和热涨落等原因,传统流体力学公式的精度将大打折扣。

因此微观流体力学需要采用统计力学方法,从微观粒子的动力学和热力学特征入手,推导出宏观流体的性质。

微观流体力学主要包括分子动力学方法和介观方法两种,分别适用于分子尺度和介观尺度。

分子动力学方法是通过建立粒子的动力学方程来模拟分子之间的相互作用,进而研究纳米流体的性质。

介观方法则是将流体看作连续介质,在建立宏观流动方程的同时,考虑了介观尺度下的湍流、界面效应等微观特征。

2. 应用前景微观流体力学在纳米科技、生物医学、石油化工、环境保护等领域有广泛的应用前景。

2.1 纳米科技纳米科技是21世纪的一个重要科学技术领域,其核心是研制纳米材料、纳米器件和纳米系统。

由于纳米尺度下的物理、化学性质大不相同,因此微观流体力学成为纳米科技的重要工具之一。

研究微型流体管、纳米颗粒在流体中的输运行为,对于纳米材料的制备和性能调控有着重要的意义。

2.2 生物医学微观流体力学在生物医学领域有着广泛的应用,例如癌细胞的输运、血流动力学、药物输送等。

研究这些问题需要考虑到纳细尺度下流体的特殊性质,微观流体力学提供了一种描述和解释这些生物现象的框架。

2.3 石油化工石油化工是重要的工业领域,微观流体力学在凝聚态物理、化学反应和工艺实现等方面都有着广泛的应用。

【完整版】力学及其交叉学科在科学技术上的一些应用

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空气动力学的发展经历了低速、高速、新变革三个时期。环量和升理论的建立,坚定了低速飞机的设计基础,使重于空气的飞行器成为现实;40年代中期到50年代,可压缩气体动力学理论迅速发展,特别是跨声速面积率的发现和后掠翼新概念的提出,帮助人们突破“音障”,实现了跨声速和高声速飞行。50年代以后,开始了超声速动力学发展的新时期,到1961年第一颗人造卫星升空,标志着空间时代的到来,美苏两国开始致力于发展地面模拟设备和开展高声速动力学和空气热力学的研究。航天方面的重点放在空间飞行器防热,高超声速巡航和再入飞行器气动力和推进系统问题,特别是如何客服由于高声速飞行和弹头再入大气层,严重气动加热引起的热障问题。航空方面的重点则放在了高性能作战飞机、超声速客机、垂直短距起落机和变后掠翼飞机上。这一时期空气动力学方面的一项重要成就,是“超临界机翼新概念”的提出,它可以显著地提高机翼的临界M数。70年代后,脱体涡流型和非线性涡升力的发现和利用是空气动力学的又一重要成果。时至今日,航空航天器的性能仍在提高,空气动力学也在继续发展。
计算流体力学(CFD)是从20世纪50年代开始的随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科,主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程,对流体力学问题进行模拟和分析。从上世纪初开始,就有一些先驱者开始探讨数值计算方法求解流动问题,他们在计算方法上的研究,尤其是偏微分方程理论的发展为后来的计算流体力学奠定了坚实的理论基础。到上世纪60年代以前,计算流体力学还很难运用到气动构型的性能分析中,直到60年代计算机发展到了一定的程度,人们开始用面元法对飞机的单独部件进行分析,而后又发展出了更多计算方法来解决飞行器研制中的流动问题。
二、力学及力学的交叉学科在航天航空航技术上的一些应用
2.1.空气动力学在航天技术上的应用和发展

什么是力学_力学应用领域

什么是力学_力学应用领域

什么是力学_力学应用领域力学是研究物质机械运动规律的科学。

那么你对力学了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是力学的内容,希望大家喜欢!什么是力学力学(mechanics) 研究物质机械运动规律的科学。

自然界物质有多种层次,从宇观的宇宙体系,宏观的天体和常规物体,细观的颗拉、纤维、晶体,到微观的分子、原子、基本粒子。

通常理解的力学以研究天然的或人工的宏观对象为主。

但由于学科的互相渗透,有时也涉及宇观或细观甚至微观各层次中的对象以及有关的规律。

机械运动亦即力学运动,是物质在时间、空间中的位置变化,包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等,而平衡或静止则是其中的一种特殊情况。

机械运动是物质运动最基本的形式。

物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。

机械运动常与其他运动形式共同存在。

只是研究力学问题时突出地考虑机械运动这种形式罢了;如果其他运动形式对机械运动有较大影响,或者需要考虑它们之间的相互作用,便会在力学同其他学科之间形成交叉学科或边缘学科。

力是物质间的一种相互作用,机械运动状态的变化是由这种相互作用引起的。

静止和运动状态不变,都意味着各作用力在某种意义上的平衡。

力学,可以说是力和(机械)运动的科学。

力学是一门独立的基础学科,是有关力、运动和介质(固体、液体、气体和等离子体),宏、细、微观力学性质的学科,研究以机械运动为主,及其同物理、化学、生物运动耦合的现象。

力学是一门基础学科,同时又是一门技术学科。

它研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。

力学可区分为静力学、运动学和动力学三部分,静力学研究力的平衡或物体的静止问题;运动学只考虑物体怎样运动,不讨论它与所受力的关系;动力学讨论物体运动和所受力的关系。

现代的力学实验设备,诸如大型的风洞、水洞,它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目,需要多工种、多学科的协作。

力学的原理力学是研究物质机械运动规律的科学。

力学基础对计算机工程的影响与应用

力学基础对计算机工程的影响与应用

力学基础对计算机工程的影响与应用计算机工程是以计算机技术为核心的交叉学科,它的发展和应用离不开力学基础的支持与指导。

力学基础是研究物体运动和力的作用规律的学科,在计算机工程中起着重要的作用。

本文将从物体运动的建模与仿真、机械结构与材料力学、信号处理与控制系统三个方面阐述力学基础在计算机工程中的影响与应用。

一、物体运动的建模与仿真物体运动是计算机工程中的一个重要研究领域,它涵盖了机器人技术、虚拟现实、游戏等多个应用场景。

力学基础为物体运动的建模与仿真提供了理论基础和数学工具。

通过运用牛顿力学的动力学原理和微分方程的数值解法,可以准确地描述和模拟物体在不同力的作用下的运动状态。

例如,对于机器人的运动规划与控制,通过建立适当的运动学和动力学模型,可以实现对机器人的精确控制和路径规划。

二、机械结构与材料力学计算机工程中涉及到的硬件设备通常具有复杂的机械结构,如计算机主机、显示器、打印机等。

在这些设备的设计和制造过程中,力学基础是必不可少的。

机械结构的设计需要考虑力学原理和结构力学的知识,以保证设备的稳定性和可靠性。

同时,在材料的选择和应用中,也需要借助于材料力学的基本原理。

例如,在计算机主机的设计中,需要选择合适的散热材料以保证设备的稳定运行,这就需要考虑材料的热导性和力学性能。

三、信号处理与控制系统计算机工程中的信号处理与控制系统是实现各种功能的重要组成部分,例如音频信号处理、图像处理、自动控制等。

而信号处理与控制系统的设计和优化需要基于力学基础的原理和方法。

例如,在音频信号处理中,需要考虑声波的传播和变形规律,通过应用声学和弹性力学的知识可以优化音频信号的处理算法和设备设计。

在自动控制系统中,力学基础则提供了建立数学模型和控制算法的基础。

总结而言,力学基础在计算机工程中发挥着重要的作用。

它为物体运动的建模与仿真、机械结构与材料力学、信号处理与控制系统提供了理论基础和数学方法。

在计算机工程的发展与应用过程中,我们需要深入学习和应用力学基础的知识,以提升计算机工程的理论研究和技术应用水平。

物理学与现代科技物理学的应用科学技术的发展等

物理学与现代科技物理学的应用科学技术的发展等

物理学与现代科技物理学的应用科学技术的发展等物理学与现代科技物理学的应用科学技术的发展物理学是一门基础科学,通过对物质、能量和力的研究,揭示了自然界中存在的基本原理和规律。

基于物理学的理论和方法,现代科技物理学涵盖了许多领域,涉及到众多的应用科学技术的发展。

本文将探讨物理学对现代科技的应用以及应用科学技术的发展。

一、物理学在现代科技中的应用1.电子学:电子学是物理学与现代科技的重要交叉学科。

在电子学领域,物理学的电磁理论和量子力学理论为电子器件的研发提供了理论依据。

例如,电子管、晶体管、集成电路等电子器件的发展应用了电子学的原理。

这些器件广泛应用于通讯、计算机、嵌入式系统等领域,推动了现代科技的发展。

2.能源利用与储存:物理学的热力学和热动力学理论为能源的利用和储存提供了基础。

在能源利用方面,物理学的热动力学理论为石油、天然气的开采和利用提供了理论指导,以及核能、太阳能、风能等新能源的应用。

在能源储存方面,物理学的电化学理论为锂电池、超级电容器等能源储存技术的研发提供了理论基础。

3.光电子学与激光技术:物理学的光学理论为光电子技术和激光技术的发展提供了理论指导。

光电子技术广泛应用于光通信、光存储、光显示等领域,提高了数据传输速率和信息存储密度。

激光技术则应用于激光加工、医学诊疗、激光雷达等领域,具有精密控制和高效能量转化的特点。

二、应用科学技术的发展1.信息通信技术:随着物理学在电子学和光电子学等领域的应用,信息通信技术取得了巨大的突破。

网络通信技术的发展使得人们能够通过互联网实现远程通信、信息传输和资源共享。

移动通信技术使得无线通信更加便捷,推动了移动互联网的普及。

物联网技术将物理世界与数字世界实现了有机的结合,为智能化生活提供了支持。

2.生物医学技术:生物医学技术是应用科学技术中发展最为迅猛的领域之一。

物理学的成像技术如X射线、核磁共振、超声波等为医学诊断提供了重要的工具。

同时,光学和激光技术在医学光子学和生物光子学中的应用促进了生物医学的发展。

浅谈力学在家具设计中的应用

浅谈力学在家具设计中的应用

浅谈力学在家具设计中的应用作者:来志华来源:《读书文摘(下半月)》2019年第02期[摘 ;要:力学是自然科学中的基础学科,力学研究物质机械运动的规律。

自然界的物质具有多种层次和多种形态,对于力学的研究能够强化多种技术学科的进步。

力学在生活中的应用非常广泛,本文以力学在家具设计中的应用为研究核心,分析阐述了力学的基本含义,以家具设计为方向明确了力学在家具设计中的具体应用。

从材料结构美观选型等几个方面,对力学在家具中的应用进行了相关内容的解析,以更为通俗的方式,明确力学对于相关技术的推进作用。

关键词:力学;家具设计;原理;应用]一、前言力学是很多工程学的基础学科,特别是在科学设计方面,力学使用的最为广泛。

对于力学的探究,是从实践到理论,再到理论到实践的过程。

力学反映了事物之间的本质关系,在各种物质之间建立起了模型。

在一些综合项目中,运用力学进行科学技术的应用,需要掌握好工艺流程,材料性质,关键技术等多方面的内容。

力学在家具设计中应用是力学在生活应用中最为普遍的方式。

家具设计的各个过程,都包含了力学的常识。

研究家具设计中的力学知识,能够通过最浅显的表述方式,解释力学的重要性,更能够通过研究力学在实际应用中的相关问题,对力学有更加准确的理解。

二、力学的含义力学主要是研究物质机械运动规律的科学,从宏观的宇宙体系到微观的物质世界,力学明确了物质世界运动的关系。

力学既是基础学科又是技术学科,可以区分为静力学、运动学和动力学三个部分。

在力学的实际应用中,需要掌握好力学和其他学科之间的平衡关系,采用综合分析的方法认知力学的基本原理。

力学可以理解为,研究天然和人工的宏观对象。

物质运动有很多种方式,力学是物质之间相互作用的体现。

力学是一门独立系统的学科,许多创新型的理论都是由力学引发而来的。

力学按照研究对象可以分为固体力学,流体力学,一般力学。

在人类社会发展过程中,力学和其他学科不断交叉,促进了科学技术的快速发展,实现了科学理论对于经济发展的推动作用。

力学在环境保护中的应用有哪些

力学在环境保护中的应用有哪些

力学在环境保护中的应用有哪些在当今社会,环境保护已成为全球共同关注的重要议题。

为了实现可持续发展,我们需要不断探索和应用各种科学技术,其中力学在环境保护中发挥着不可忽视的作用。

力学,作为一门研究物体机械运动规律及其应用的学科,其原理和方法在解决环境保护问题方面有着广泛的应用。

首先,在水污染治理方面,力学原理被用于优化污水处理厂的设计和运行。

在污水处理过程中,污水的流动和混合是关键环节。

通过对流体力学的研究,可以设计出更合理的管道布局和水流速度,提高污水处理效率。

例如,利用湍流理论,可以增强污水中污染物与处理药剂的混合效果,使化学反应更充分,从而提高污染物的去除率。

在大气污染防治方面,力学同样有着重要的应用。

大气流动是一个复杂的力学过程,了解大气流动的规律对于控制污染物的扩散至关重要。

通过建立大气流动模型,结合气象数据,可以预测污染物的传播路径和浓度分布,为制定污染防控措施提供依据。

例如,在城市规划中,考虑到风的流动特性,合理布局建筑物和工业区,可以减少污染物在局部区域的积聚。

固体废弃物处理也是环境保护中的一个重要领域,力学在其中也大有用武之地。

在垃圾填埋场的设计和运行中,需要考虑力学因素以确保填埋场的稳定性和安全性。

例如,通过对土壤力学和岩石力学的研究,可以评估填埋场基底和边坡的承载能力,防止坍塌和滑坡等事故的发生。

同时,在垃圾压缩和运输过程中,力学原理可以帮助优化设备设计,提高处理效率,减少能源消耗。

力学在土壤保护和修复方面也发挥着作用。

土壤侵蚀是一个严重的环境问题,它不仅导致土地肥力下降,还可能引发水土流失和生态破坏。

运用力学原理,可以分析土壤颗粒的运动规律,研究水流和风力对土壤的侵蚀作用机制。

在此基础上,可以采取相应的防护措施,如修建梯田、种植植被等,以减少土壤侵蚀的发生。

在生态环境保护方面,力学知识有助于理解生物的运动和生存方式。

例如,鱼类在水中的游动、鸟类在空中的飞行,都遵循着一定的力学规律。

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CFD在航空航天领域的应用为航天事业的发展做出了很大的贡献,在19世纪70年代,计算技术落后,而非线性的偏微分方程难以求得解析解,飞机设计主要依赖风洞的实物试验来求得所需的数据,比如YF-17的研制,在风洞中试验了13500个小时;80年代,随着数学模型的不断完善和计算机计算能力不断不提高,已经可以采用电脑模拟流场的方式来取代部分空气动力学实验,也就是计算流体力学已经能代替部分风洞实验,比如YF-23的研制,用了风洞实验5500个小时和CFD计算15000机时;90年代,在飞机的研制中CFD已经是主力,而2000年后,CFD计算取代了大部分的风洞实验,在波音787的研制中,仅用了三次风洞实验,如今CFD已经在航空航天领域发挥着不可取代的作用了。当今计算流体力学面临的挑战及主要任务有多尺度复杂流动的数学模型化(包括湍流的计算模型、转捩预测模型、燃烧机化学反应模型、噪声模型等);可处理间断和多尺度流场高分辨率、强鲁棒性、高效数值方法(高精度激光捕捉法、间断有限元法等);可处理复杂外形、易用性强的方法(其挑战在于复杂外形带来的大量网格计算,可用多块分区算法、无网格法、粒子算法等)。
空间环境是复杂多变的,诸多宏观和微观的因素都会对航天器造成损伤甚至是灾难.比如由物质在较低层次上发生的微结构转换所触发的强耦合级串所最终导致的突发性整体灾变。哥伦比亚号事件就是其中的一例,2003年哥伦比亚号航天飞机在起飞82秒后,一块泡沫脱落击中其右翼,使其炭隔热保护层受损,最终导致该航天飞机解体,该事故的调查委员会在最后的调查报告中认为,美国航空航天局目前所采用的系统元件的技术,是不能充分认定增强的碳碳复合材料结构的整体性的,由此可以看出,需要更好的力学工具和理论来认定航空材料的整体性。
骨骼作为生物体上具有一定刚性的材料,起着构架和支撑的作用。在生物体存活期间,几乎无时无刻都处于受力状态,因此和一般结构材料一样,也有强度、变形、稳定、疲劳等要求。这些力学指标,一旦超过了限度,就会造成灾难性的后果.起初人们只给出了一些力学上的解释和应用,直到近50年,关于骨力学性能的研究才有了一个长足的进展,对骨骼的力学性质也有了许多理论与实践研究,如组合杆假设,二相假设等,有限元法、断裂力学以及应力套法和先测弹性法等检测技术都已应用于骨力学的研究。人们遵循一般工程结构材料的力学概念和途径。对不同生物体的骨进行了强度、弹性模型,泊桑比等力学性能的试验和分析,积累了相当可观的资料。绝大多数研究者都倾向于把人的皮质骨视为可以用五个材料常数描述的横观各向同性材料并用通常研究工程所用的方法测定了人骨的弹性模量。一条肌肉两端连接两个不同的骨,两个骨之间由关节连接。力学上分析骨时,常把不同部位视为连杆体系,而肌肉的作用简化为一唧筒或弹簧。
2.3航天器损伤评估和安全管理中多尺度力学起重要的作用
多尺度力学是当代科学技术发展的需求和前沿,其核心问题是多过程耦合和跨尺度的关联,多尺度科学即是研究各种不同长度尺度和时间尺度相互耦合现象的科学,可以解决一些跨尺度的问题.在流体力学中,流体湍流里不同尺度的涡相互作用构成复杂的流动图案,它们具有不同的物理机制却又相互耦合;在固体破坏中,不同尺度的微损伤相互作用产生更大程度上的裂纹导致材料破坏。多尺度力学的研究对象涉及分子尺度到连续介质,它不仅涉及经典力学还涉及量子力学,多尺度力学的研究方法是动力系统和统计力学的结合,它涉及到当代科学论的突破。在多尺度的力学分析方法中,比较典型的有宏观细观平均化计算方法和材料强度统计计算方法。目前,对多尺度力学的个案处理已有了一定的进展,多尺度力学的发展有可能推动力学走向自然科学和技术科学的新前沿。
力学及其交叉学科在科学技术上的一些应用
摘要:力学不但在经典物理的发展中起到重要作用,也是为数极多的工程技术的基础学科,在力学的指导下或支持下取得的工程技术成就不胜枚举。在航天航空方面的成就尤为突出,近年来,由生物学和力学交叉而成的生物力学也在起步当中。
关键词:力学、学科交叉、应用、航空航天、生物力学
三、力学在生命科学学科上的一些应用
生物力学 (biomechanics )生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。生物流体力学包括宏观流体力学和微观流体力学两大类。前者包括生物系统运动的生物力学、生物流变学、生物组织的材料力学、生物系统外部和内部流体力学、生物系统结构静力学和动力学;后者有细胞、细胞器及其构成的蛋白质等大分子的力学性质和力学行为等。
生物流体力学的研究对象复杂多样,可分为两类:一类指的是生物体内流体流动;另一类指的是外部流体对生物体运动的影响,其特点是流体力学和固体力学的密切结合,比如人体生理流动总是以软组织为其边界;力学过程同物理和生化过程联系;流体动力通细胞生长相关。生物流体力学研究问题主要分布在以下两方面:以昆虫飞行和鱼类游动为研究对象的仿生力学研究和以血管、心脏和大脑中血液为研究的血液动力学研究。前者的研究目的有⑴生物学家需要了解飞行和游动的力学效应对生物的生理学、生态学、动物行为及其进化的相互影响。⑵工程技术专家要利用仿生力学的研究成果改进人造机器。后者的研究获得了各种典型性心脑血管疾病的血液粘弹性指标和触变性指标。这些研究的继续会很大的造福人类。
一、引言
力学是中古老的自然科学的一个分支,最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验十六世纪到十七世纪间,伽利略、牛顿奠定了动力学的基础,而后在很多科学家的研究与推广下,终于成为一门具有完善理论的经典力学。力学是众多应用科学特别是工程技术的基础。20世纪,力学在推动地球科学,如大气物理、海洋科学等的过量化方面做出了重要贡献;近年来还在材料学、医学、生物学等科学分支中起着越来越重要的作用。同时相关的交叉学科和边缘学科对力学的发展起到重要的作用和影响,力学学科本身得到了大大的丰富。
力学和材料、机械等学科交叉在一起参与到航空航天高技术领域去。从莱特兄弟首飞成功,到2013年嫦娥一号接轨成功,航天航空技术已发展了百余年。航天器正常运行的前提条件是保障它的安全,发生航天事故给国家带来巨大的损失造成宝贵人才的死亡。航天器的安全性涉及到材料、元件、器件、子系统、系统和整机6个层次,而航天器的损伤起源于材料的微损伤这一最底层,损伤从原子层次到整机层次的在多个尺度层次上的演化诱致了整体的破坏,问题就在于需要把通过各类模拟传感和诊断系统得到的数据,通过给予科学理论的预测算法,变成可供工程决策的技术建议.而问题的本质表现为多尺度,只考虑单个尺度某个物理机制,不可能描述整个系统的复杂现象。灾难破坏预测就需要多尺度计算方法在力学上的应用,但对于现的力学概念和理论来说,这是一个强有力的挑战,所以需要发展新的力学工具和理论,来满足航天和航空器的安全性和减少突发事件的实际需求,而力学也正在这种需求的推动下发展。
3.1.固体力学在生物上的问题
生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法,研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。生物固体力学的早期工作主要是研究人骨的力学性能,从RANBER在1876年测定骨的弹性和强的算起,已有一百多年的历史。近二十年来,生物固体力学才真正取得一系列重要研究进程。
新一代的空天飞行器发展面临许多空气动力学问题,其中较为关键的问题有可压缩湍流、非定常流动分离和漩涡、高超声速流问题、气动光学和气动声学、低Re数流动与微流体、力/热/电磁多场耦合和气动/隐身协同优化、空气弹性与流-固耦合效应。这些都是未来空气动力学发展的新动向。
2.2.计算流体力学在航天器研制方面的贡献
除此之外,近年来,航天器的新材料层出不穷,除了基于晶体和晶粒的新型金属和非金属材料和各类复合材料以外,非晶金属玻璃、纳米材料等也开始为航天器所使用。所以要求力学从对均匀介质的描述,扩展到对细观乃至微观非均匀材料力学行为的描述。比如块体金属玻璃,这是一种原子层次排列无序的新型材料,这种材料有助于阐明太阳高能子的起源,但是它极容易以剪切带的形式失效。这类特有的损伤方式的损伤演化问题跨越了几个空间尺度,而且不同时间的耦合是判断此类剪切带出现的关键环节.要更有效地预防这样的灾变,在航天器的损伤评估和安全管理中发展多尺度计算方法在力学上的应用是必不可少的。
3.2.生物流体力学
生物流体力学这一术语是George Bugliarello引入的,他将其定义为“用流体力学来研究各种生命学科中的生物流动,包括基础研究和应用研究”。生物流体是指植物生理液体和动物生理液体,目前大多数生物流体流动规律还不清楚,只有少数流动(如植物体内水分的蒸发,部分血液的流动)大体搞清楚。生物立体力学中,由于介质种类繁多、特性各异,因此研究方法也随介质的不同而不同。一般介质可分为连续介质和非连续介质,对于一般介质来说,可以采用传统流体力学的研究方法。如:常用的拉格朗日法和欧拉法处理;非连续性介质的研究方法比较复杂,因此在解决一些问题时常认为流体是由流体质点毫无空隙的聚集在一起、完全充满所占空间的一种连续介质,也就是引入连续介质的概念。
计算流体力学(CFD)是从20世纪50年代开始的随着计算机的发展而产生的一个介于数学、流体力学和计算机之间的交叉学科,主要研究内容是通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程,对流体力学问题进行模拟和分析。从上世纪初开始,就有一些先驱者开始探讨数值计算方法求解流动问题,他们在计算方法上的研究,尤其是偏微分方程理论的发展为后来的计算流体力学奠定了坚实的理论基础。到上世纪60年代以前,计算流体力学还很难运用到气动构型的性能分析中,直到60年代计算机发展到了一定的程度,人们开始用面元法对飞机的单独部件进行分析,而后又发展出了更多计算方法来解决飞行器研制中的流动问题。
力学在骨科临床上的应用在医学部门算是比较多的了,比如用牵引术治疗病人的骨折的时候,外加力W通过滑轮将患者从下腿部拉伸以缓解骨折处在肌肉收缩力作用下产生的应力集中,使骨组织在不受压迫的环境下愈合再生,而吊重W的极限值可以通过公式
= ·A(2)
算出,这里 =350kpa为肌肉的极限抗张强度,A为骨折面的肌肉截面积。再比如通过受力分析和计算可以得出相对于单脚站立,手杖可以使脚板离开成年人人体中心线的6.5cm,可以得出拄扶手仗使髋外展肌和股骨头的受力都有明显的减小,对于髋部手术的人的术后愈合起到重要作用。除此之外;静力平衡分析腰椎受力帮助了治疗腰椎疼痛病变患者,关节退行性变的力学分析来帮助治疗腿部和膝关节的病患,这样的例子还很多,由此可见,固体力学在骨骼上的应用在医学方面带来了有效的帮助。
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