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出版者:高等教育出版社

作者:胡运康、景荣春/国别：

出品人:

页数:397

译者:

出版时间:2006-7

价格:29.50元

装帧:简裝本

isbn号码:9787040164527

丛书系列:

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《流体力学基础》 引言 流体力学，作为一门研究流体（液体和气体）运动及其与周围环境相互作用的学科，在现代科学技术中扮演着至关重要的角色。从宏观的航空航天、天气预报，到微观的血液流动、微机电系统，流体现象无处不在，其深刻的理解和精准的预测是许多工程设计和科学探索的基石。本书《流体力学基础》旨在为读者构建一个扎实的流体力学知识体系，使其能够理解和分析各种流体现象，并为进一步深入研究和解决实际问题打下坚实基础。 本书的编写宗旨是清晰、系统地介绍流体力学的基本原理、核心概念和常用分析方法。我们力求在保持科学严谨性的同时，避免过度抽象和晦涩的表述，注重概念的直观理解和物理意义的阐释。通过理论讲解、算例分析和习题练习，本书将引导读者逐步掌握流体力学的精髓，培养其分析和解决实际流体问题的能力。 第一部分：流体的基本概念与性质 在正式深入流体运动之前，理解流体的本质及其固有性质是必不可少的。本部分将首先定义流体的概念，并将其与固体进行区分。随后，我们将详细介绍流体的几个关键物理性质： 密度 (Density): 密度定义为单位体积的质量，是流体惯性特性的重要体现。我们将讨论密度如何影响流体的行为，例如在重力作用下的分层现象。 比重 (Specific Weight): 比重是单位体积的重量，与密度和重力加速度相关。 比容 (Specific Volume): 比容是密度的倒数，表示单位质量流体所占的体积。 粘性 (Viscosity): 粘性是流体抵抗剪切变形的能力，是流体内部摩擦力的宏观表现。我们将引入牛顿粘性定律，解释剪切应力与剪切速率之间的线性关系，并区分牛顿流体和非牛顿流体。同时，我们将讨论粘性对流体运动的影响，如边界层和流动阻力。 表面张力 (Surface Tension): 表面张力是液体表面由于内聚力而产生的收缩趋势。我们将探讨表面张力在毛细现象、液滴形成等现象中的作用，并介绍相关的计算方法。 压缩性 (Compressibility): 压缩性描述了流体体积随压力变化的敏感程度。我们将区分可压缩流体和不可压缩流体，并介绍体积模量等概念。对于气体，我们将探讨其密度随温度和压力的变化规律，如理想气体状态方程。 蒸汽压 (Vapor Pressure): 蒸汽压是指在给定温度下，液体在其饱和蒸气中产生的压力。我们将解释蒸汽压与气蚀现象之间的关联。 通过对这些基本性质的深入理解，读者将能够为后续流体运动的分析奠定坚实的基础，并理解为何不同的流体在相似条件下会表现出截然不同的行为。 第二部分：流体静力学 流体静力学是研究静止流体（即不发生宏观运动的流体）的力学规律的学科。尽管流体处于静止状态，但其对边界施加的压力仍然是流体力学研究的重要内容。本部分将重点探讨： 压力 (Pressure): 压力是流体作用在单位面积上的垂直力。我们将推导静止流体中压力的基本规律——静压强随深度的增加而线性增加。 帕斯卡定律 (Pascal's Law): 帕斯卡定律指出，施加于封闭静止流体上的压力，会无损地传递到流体内的各个方向。我们将探讨帕斯卡定律在液压系统中的应用，如液压千斤顶和液压制动器。 浮力 (Buoyancy): 浮力是浸在流体中的物体所受到的向上合力。我们将介绍阿基米德原理，并分析物体在流体中的浮沉条件，以及重心和浮心对稳定性的影响。 衡态方程 (Hydrostatic Equation): 衡态方程是描述静止流体中压力分布的基本方程。在均匀重力场下，我们通常得到 $dp/dz = - ho g$ 的形式。我们将用此方程推导出各种情况下的压力分布，例如圆柱形容器中的压力，以及自由表面受压时的压力分布。 曲面上的静压强: 对于作用在曲面上的静压强，我们将介绍计算方法，包括将曲面分解为若干小平面，计算各小平面上的压力，并进行矢量合成。 流体测量仪表: 基于流体静力学原理，我们将介绍一些常见的流体测量仪表，如U形管压差计、倾斜式压差计等，并讲解其工作原理和应用。 理解流体静力学不仅是理解流体行为的基础，也是许多工程应用（如水坝设计、船体稳定性分析）的先决条件。 第三部分：流体动力学基础 流体动力学是研究运动流体的学科。相较于流体静力学，流体动力学的分析更加复杂，因为它涉及到流体的位置、速度、加速度等随时间和空间的变化。本部分将引入流体动力学的一些基本概念和分析工具： 流线 (Streamline)、迹线 (Pathline) 和涡线 (Streakline): 这三类线是描述流体运动的重要几何图形。流线表示某一时刻流体质点的瞬时运动方向，迹线是单个流体质点在一段时间内的运动轨迹，而涡线是同一时刻所有经过某一点的流体质点的轨迹。我们将区分这三类线，并阐述它们在流场分析中的意义。 连续性方程 (Continuity Equation): 连续性方程是基于质量守恒原理推导出来的。对于不可压缩流体，其形式通常为 $ abla cdot mathbf{v} = 0$，表示在稳态流动下，进入某控制体内的流体质量等于离开该控制体的流体质量。我们将通过一维和二维流动为例，展示连续性方程的应用。 伯努利方程 (Bernoulli's Equation): 伯努利方程是流体力学中最基本、最重要的方程之一，它是基于能量守恒原理推导出来的。在理想流动（无粘性、不可压缩、稳态）条件下，伯努利方程表明，沿着一条流线，动能、势能和压力能的总和是一个常数。我们将详细推导伯努利方程，并分析其物理意义，例如文丘里效应、皮托管的测量原理。本书将重点阐述伯努利方程的适用条件和局限性。 欧拉方程 (Euler's Equation) 和纳维-斯托克斯方程 (Navier-Stokes Equation): 欧拉方程是描述无粘性流体的运动方程，而纳维-斯托克斯方程则考虑了流体的粘性效应。我们将介绍这些方程的物理意义，以及它们在描述复杂流体运动中的重要性。虽然本书不对纳维-斯托克斯方程进行深入求解，但会引导读者了解其在复杂流体问题分析中的地位。 流动类型：层流与湍流 (Laminar Flow and Turbulent Flow): 流动可以分为两种基本类型：层流，流体质点呈平滑、有序的运动；湍流，流体运动表现为不规则、随机的涡旋和脉动。我们将介绍雷诺数 (Reynolds Number) 作为区分层流和湍流的重要无量纲参数，并讨论湍流的统计特性。 流动阻力 (Drag) 和升力 (Lift): 流体与物体相互作用时会产生阻力和升力。我们将分析产生这些力的原因，并介绍影响阻力和升力的主要因素，如物体形状、流体速度、粘性等。 第四部分：量纲分析与相似性 在实际工程问题中，有时难以通过解析方法直接求解流体动力学方程。量纲分析和相似性原理提供了一种强大的工具，可以简化问题，减少实验工作量，并使实验结果具有普遍性。本部分将重点介绍： 量纲 (Dimensions) 和单位 (Units): 区分物理量的量纲（如长度L、时间T、质量M）和具体的单位（如米m、秒s、千克kg）。 量纲分析的基本原理: 介绍量纲分析的核心思想，即物理方程的量纲必须是协调一致的。 π定理 (Buckingham Pi Theorem): π定理是进行量纲分析的关键工具，它表明一个包含n个变量的方程，可以表示为一个包含m个独立无量纲参数的方程，其中$m = n - k$，k为变量的独立量纲数量。 无量纲参数 (Dimensionless Parameters): 介绍一些重要的流体力学无量纲参数，如雷诺数、马赫数 (Mach Number)、弗劳德数 (Froude Number) 等，并阐述它们在不同流动问题中的物理意义。 相似性原理 (Principle of Similarity): 相似性原理是指在不同尺度的模型和原型之间，当满足几何相似、运动相似和动力相似时，模型上的实验结果可以反映原型上的物理现象。我们将讨论实现相似性的条件，以及在风洞实验、水槽实验等中的应用。 第五部分：应用举例与展望 在掌握了流体力学的基本原理之后，本部分将通过一些具体的应用案例，展示流体力学在解决实际问题中的强大能力，并对未来发展趋势进行简要展望。 管道流 (Pipe Flow): 介绍圆形直管内的层流和湍流流动，包括达西-韦斯巴赫方程，以及摩擦系数的计算。 明渠流 (Open Channel Flow): 介绍河流、运河等明渠流动，以及曼宁方程的应用。 空腔流动 (Cavity Flow): 简要介绍在封闭空腔内的流动现象。 航空航天中的流体力学: 简述飞机翼型设计中的升力产生原理，以及火箭发动机中的喷气流。 生物流体力学 (Biofluid Mechanics): 简要介绍血液循环、呼吸等生物过程中的流体现象。 环境流体力学 (Environmental Fluid Mechanics): 讨论大气流动、海洋环流、污染物扩散等问题。 结语 流体力学是一门充满挑战也充满魅力的学科。本书《流体力学基础》所涵盖的内容，仅仅是流体力学宏大体系的冰山一角。我们希望通过本书的学习，能够激发读者对流体力学的兴趣，培养其独立思考和解决问题的能力。对于那些希望在流体力学领域继续深造的读者，本书将是他们踏入更广阔天地的重要起点。流体无处不在，理解它们的运动规律，就是理解我们所处世界运作方式的关键之一。 本书的结构安排力求循序渐进，从最基础的概念入手，逐步深入到更复杂的动力学原理和分析方法。我们鼓励读者在学习过程中，勤于思考，多做练习，并将所学知识与生活中的实际现象联系起来，从而更好地掌握流体力学的精髓。

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说实话，我拿到这本书的时候，对其中涉及的变分原理和拉格朗日力学部分是抱着非常抗拒的心态的。在我以往的认知里，这部分内容简直是物理学中的“禁区”，充斥着无穷小量和泛函导数，让人望而生畏。然而，这本书在处理这些高级主题时，展现了一种令人惊叹的“化繁为简”的功力。作者似乎深谙读者的心理，他构建了一个非常巧妙的过渡桥梁，从牛顿力学的微积分表达，逐步自然地过渡到对能量泛函的最小作用量原理的探讨。他用了大量篇幅来解释“虚功原理”在不同参考系下的普适性，并且将这些抽象的数学工具与实际的机械系统动态联系起来，比如精密的钟表机构，或是行星的轨道运动。书中的例题设计得非常巧妙，难度是阶梯式的，但每一步的推导都留有足够的空白和提示，促使读者自己去完成最后的关键一步。这不仅仅是一本教科书，更像是一套精心设计的思维训练手册，它在不知不觉中重塑了我对物理系统建模的思维框架。

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这本书的排版和装帧设计，简直是为长时间阅读量身定制的。纸张的质地非常好，既不反光，又足够坚韧，长时间盯着看眼睛也不会感到疲劳。更值得称赞的是它对数学符号的处理。在涉及张量分析和坐标变换的部分，作者采用了不同于一般教材的字体和间距处理，使得那些复杂的矩阵和矢量符号在拥挤的公式行中依然保持了极高的可读性。另外，书中的插图质量极高，那些关于三维空间运动轨迹的示意图，不仅仅是简单的线条勾勒，更像是精美的工程蓝图，每一个箭头、每一个坐标轴的选取都充满了几何学的严谨美感。我尤其喜欢作者在章节末尾设置的“历史视角”小节，它简要地回顾了某个力学原理的诞生背景和当时科学家的思想碰撞，这极大地增强了阅读的趣味性，让我感觉自己不仅仅是在学习知识，更是在参与一场跨越世纪的科学对话。

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这本书的讨论深度远超出了入门教材的范畴，它成功地在基础性和前沿性之间架起了一座稳固的桥梁。它并没有止步于理想化的质点和刚体，而是巧妙地引入了连续介质力学的一些基本概念，比如应力、应变的概念在宏观力学中的体现。这种拓展性视野非常宝贵，它提醒我们所学的力学模型只是对真实世界的近似描述，真正的复杂性在于材料的微观结构。在处理微小振动和稳定性分析时，作者引入了矩阵特征值分析，但讲解过程非常务实，直接将抽象的特征值与系统的固有频率和振型直接挂钩，使得“数学运算”的冰冷外壳下，跳动着“物理现象”的鲜活心脏。对于那些希望将理论力学应用于更高级工程和物理研究的读者来说，这本书提供的思维工具和知识广度，无疑是极其宝贵的财富。

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这本书的封面设计得非常吸引人，那种深邃的蓝色调，配上烫金的字体，立刻给人一种厚重而专业的学术气息。我本来对力学这种学科抱持着一丝敬畏，觉得它可能充满了抽象的公式和枯燥的推导，但翻开第一页，我发现自己的顾虑完全是多余的。作者的叙述方式极其精妙，他没有急于抛出复杂的数学模型，而是先用非常生动的生活实例来引入概念，比如一个简单的秋千摆动，或者一个物体在斜坡上的滚动，都能被他剖析得丝丝入扣。这使得那些原本看起来高高在上的物理定律，一下子变得触手可及。尤其让我印象深刻的是他对“约束”这一概念的阐述，通过丰富的图示和逻辑清晰的文字描述，我清晰地理解了为什么在处理复杂系统时，约束条件是简化问题的关键。阅读的过程就像是跟随一位经验极其丰富的导师在进行一对一的辅导，他总能在我即将感到困惑的临界点，恰到好处地给出启发性的引导，而非直接的答案。这对于培养独立思考能力至关重要，让我不再满足于仅仅记住公式，而是开始思考公式背后的物理意义和适用范围。

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我对这本书中关于刚体动力学和欧拉角的部分评价极高，这往往是许多力学教材处理得比较草率的地方。作者在这里投入了大量的精力，构建了一个非常清晰的分析路径。他没有直接跳到复杂的矩阵形式，而是从最基本的转动惯量张量的定义开始，详细解释了为什么我们必须引入张量来描述各向异性的刚体。关于欧拉角的描述，更是我读过的最直观的版本。他通过一个三步旋转的详细分解，清晰地展示了欧拉角在描述三维姿态时的“万向节死锁”问题，并且给出了一种非常优雅的，基于四元数的现代处理方法作为补充。这部分的论述逻辑性极强，层层递进，让我彻底明白了在航空航天和机器人学中，姿态解算为什么如此关键。读完这一章，我感觉自己对三维空间中的旋转运动，有了一种近乎直觉的把握能力。

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