工程應(yīng)用中四種常見的場

  從哲學(xué)的角度講，結(jié)構(gòu)及其相互作用的矛盾構(gòu)成了世界發(fā)展的根本原因。從物理學(xué)的角度來說，結(jié)構(gòu)和相互作用被譯為物質(zhì)和場。所以，場就是物質(zhì)之間的相互作用。物理學(xué)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(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在所發(fā)現(xiàn)的量子有：光子和8種核場量子。

  但是，工程應(yīng)用所談的場的與上述概念略有不同，它主要從實(shí)用而非量子角度來談場，如結(jié)構(gòu)場、流場、聲場、濃度場、溫度場、靜電場、穩(wěn)恒磁場和電磁場等。工程中經(jīng)常面對的四種物理場：結(jié)構(gòu)場，流場，溫度場，電磁場。這些場是計算機(jī)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(shí)并不復(fù)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(jìn)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(jìn)來，盡管許多人已經(jīng)身穿短袖，仍感到有些微微發(fā)熱。顯然，在我們周圍，溫度在漸漸升高，而在離開窗戶稍遠(yuǎn)的地方，比如靠近走廊的門邊，溫度會稍微低一些?？梢韵胂?，在房間內(nèi)不同的點(diǎn)，溫度都是不一樣的。這就是說，溫度是空間坐標(biāo)的函數(shù)。如果以房間的某一個角落為坐標(biāo)原點(diǎn)，以三條墻角線為坐標(biāo)軸建立一個直角坐標(biāo)系，那么，在此房間內(nèi)任何一點(diǎn)的溫度都是它所在點(diǎn)的三個坐標(biāo)的函數(shù)。這就是說

  實(shí)際上，還不僅如此。空間中任意一個點(diǎn)，它的溫度并不總是恒定的。隨著中午的來臨，空間每個點(diǎn)的溫度都會逐漸上升，而當(dāng)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(diǎn)的溫度還是時間的函數(shù)。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(shù)說明了，溫度T是它的三個空間坐標(biāo)以及一個時間坐標(biāo)的函數(shù)。這樣，在這個房間，如果我們可以把每個點(diǎn)的溫度都標(biāo)志出來的話，那么這些溫度就構(gòu)成了一個數(shù)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(fēng)拂過，不禁讓人神清氣爽。對于微風(fēng)，我們首先感受到的，就是風(fēng)的壓力以及它的速度。實(shí)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(chǎn)生了風(fēng)。雖然這種風(fēng)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(biāo)原點(diǎn)，而建立一個直角坐標(biāo)系，則空間中任何一點(diǎn)的速度和壓力也是空間三個坐標(biāo)以及時間坐標(biāo)的函數(shù)，這樣，就有

  即速度和壓力是空間以及時間坐標(biāo)的函數(shù)。這樣，在我們的周圍，實(shí)際上空氣的壓力形成了一個數(shù)值空間，而空氣的速度也形成了一個數(shù)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(fēng)平浪靜的太平洋，也存在于我們的血管里。

結(jié)構(gòu)場

  當(dāng)我們坐在辦公桌前工作時，我們的屁股上的肌肉、皮膚實(shí)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(diǎn)，都發(fā)生了位移。如果我們以凳子表面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立一個直角坐標(biāo)系的話，那么我們屁股上的每一個點(diǎn)都發(fā)生了位移，而每個點(diǎn)的位移，顯然都是空間坐標(biāo)的函數(shù)，就是說，不同的點(diǎn)，其位移是不一樣的。這就構(gòu)成了一個所謂的位移場。如果深入其內(nèi)，我們知道，實(shí)際上每個點(diǎn)也是有應(yīng)力的，這就構(gòu)成了應(yīng)力場；而每個點(diǎn)也有應(yīng)變，這就構(gòu)成了應(yīng)變場?？傊?，是構(gòu)成了一個所謂的結(jié)構(gòu)場。

  所謂結(jié)構(gòu)場，實(shí)際上是指，一個結(jié)構(gòu)在受到外力后發(fā)生了變形，從而導(dǎo)致了位移，應(yīng)力，應(yīng)變，這些量在空間的連續(xù)分布，就構(gòu)成了結(jié)構(gòu)場。如果我們久坐的話，某些地方的應(yīng)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(yǎng)料不能順利的供應(yīng)到相應(yīng)的部位，則這些地方就會感到不快。而此處如果是神經(jīng)被壓制，則更會直接引發(fā)神經(jīng)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(dāng)我們正在工作時，手機(jī)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(shí)一直就在我們身邊環(huán)繞，只是在適當(dāng)?shù)臅r候，其發(fā)射頻率與我們手機(jī)里面某一個接受部件的頻率保持一致時，手機(jī)感受到了從遠(yuǎn)方發(fā)出的信號，于是鈴聲大作。

  綜上所述，物理場實(shí)際上就是某種在空間連續(xù)分布，在時間上持續(xù)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(yīng)力和應(yīng)變，就是結(jié)構(gòu)場，如果是電勢，磁場強(qiáng)度，則是電磁場。

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