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出版者:

作者:Pedrizzetti, Gianni (EDT)/ Perktold, Karl (EDT)

出品人:

页数:277

译者:

出版时间:

价格:$ 157.07

装帧:

isbn号码:9783211005385

丛书系列:

图书标签:

• 心血管流体力学
• 生物流体力学
• 血液动力学
• 血管力学
• 心脏力学
• 流体动力学
• 生物医学工程
• 医学工程
• 心血管疾病
• 数值模拟

经典力学导论：从牛顿定律到复杂系统 本书旨在为读者提供一个全面而深入的经典力学基础，内容涵盖从宏观尺度下的物体运动规律到微观系统中的能量与动量守恒原理。本书不仅注重理论的严谨性与数学的精确性，更致力于揭示力学原理在工程、物理乃至更广泛科学领域中的应用与哲学意义。 第一部分：牛顿力学基础与运动学分析 本书开篇，我们将聚焦于经典力学的基石——牛顿三大定律。我们将首先回顾和深化对惯性系、绝对时空观的理解，并详细探讨加速度、速度的矢量性质在描述一维、二维及三维运动中的应用。 1.1 运动学的精确描述： 详细解析直角坐标系、极坐标系以及柱坐标系下的位置、速度和加速度的表达方式。我们将引入自然坐标系（即单位切向量 $mathbf{T}$ 和单位法向量 $mathbf{N}$）来处理曲线运动，特别是圆周运动和任意平面曲线上的运动分析，确保读者能够熟练应对各种复杂的运动轨迹描述。 1.2 力的概念与牛顿定律的量化： 深入剖析牛顿第二定律 $mathbf{F} = mmathbf{a}$ 在不同参考系下的适用性。我们将区分真力、惯性力（伪力）的概念，并着重讲解在非惯性系（如匀加速直线运动的车辆内部、旋转的参考系）中应用牛顿定律时，如何正确引入科里奥利力（Coriolis Force）和离心力（Centrifugal Force）。对这些惯性力的详细分析，是理解地球物理学和导弹制导等领域的前提。 1.3 功、能与系统： 能量的概念是贯穿全书的核心线索。本章详细阐述功（Work）的定义，包括恒力做功和变力做功（通过线积分计算）。随后，系统地引入动能（Kinetic Energy）和势能（Potential Energy）的概念，并严格推导和证明动能定理和机械能守恒定律。我们将通过大量实例，包括弹簧系统、行星运动（开普勒定律的力学推导）以及在阻尼环境下能量耗散（非保守力做功）的分析，来巩固能量方法的优越性。 1.4 动量、角动量与守恒律： 动量（Linear Momentum）的概念及其守恒性是处理碰撞、爆炸和火箭推进等问题的关键。我们将细致讨论冲量（Impulse）的概念，并分析弹性碰撞与非弹性碰撞中动量和能量的转移过程。 角动量（Angular Momentum）的分析将从一个质点绕定点旋转扩展到绕任意轴线转动。本书将详述角动量守恒定律的物理意义，并将其应用于定性分析如花样滑冰选手收臂加速、陀螺仪的进动与章动现象。 第二部分：刚体动力学与振动分析 在掌握质点动力学的基础上，本书将视角提升到具有空间形态和内部结构的物体——刚体。 2.1 刚体转动基础： 刚体动力学的核心在于理解转动惯量（Moment of Inertia）。我们将系统介绍平行轴定理和主轴定理，这些定理是计算复杂截面或不规则形状物体转动特性的有力工具。通过积分方法推导均匀细杆、圆盘、圆柱体等常见几何体的转动惯量，并展示如何利用这些量计算刚体的转动动力学方程。 2.2 刚体运动的欧拉方程： 对于三维空间中任意运动的刚体，描述其绕质心的转动需要更精细的数学工具。本书将详尽推导欧拉运动方程（Euler’s Equations of Motion for a Rigid Body），这是刚体动力学的核心方程组。通过对定点旋转（如陀螺）和自由运动（如不规则石块翻滚）的分析，读者将理解刚体运动的复杂性与周期性。 2.3 线性振动分析： 振动是自然界中最普遍的现象之一。本章聚焦于最基础的简谐振动（SHM），从力的平衡条件出发，推导出微分方程并求得解析解。随后，我们将引入阻尼项，分析阻尼振动的特性（过阻尼、临界阻尼、欠阻尼），并重点讨论受迫振动中的共振现象，包括共振频率的计算以及品质因数（Q-factor）的物理含义。这部分内容为深入理解材料科学中的弛豫过程和电子电路中的LC振荡奠定基础。 第三部分：拉格朗日力学与分析力学 为了解决牛顿力学在处理约束条件复杂系统时的繁琐性，本书将引入分析力学——拉格朗日力学。 3.1 约束与广义坐标： 首先，对系统的约束进行分类（完整约束、非完整约束、滑移约束），并引入广义坐标 $mathbf{q}$ 作为描述系统构型的最少独立变量集。 3.2 拉格朗日方程的推导与应用： 基于最小作用量原理（Hamilton’s Principle），本书将严格推导出拉格朗日方程（Lagrange’s Equations of the Second Kind）。我们将展示如何利用拉格朗日量 $L = T - V$ (动能减去势能) 简洁地描述复杂的机械系统，如单摆、双摆（定性分析其混沌行为的起源）、滑块在弯曲轨道上的运动，以及耦合振子系统。 3.3 守恒量与诺特定理： 拉格朗日力学的真正威力在于其与对称性之间的深刻联系。我们将详细阐述诺特定理（Noether's Theorem），该定理优雅地揭示了物理定律的时空对称性（如时间平移不变性导致能量守恒，空间平移不变性导致动量守恒，空间旋转不变性导致角动量守恒）与物理守恒量之间的必然联系。这是连接经典力学、场论和粒子物理学的桥梁。 第四部分：引力与微扰理论 4.1 万有引力定律与轨道力学： 在经典力学的框架下，重新审视开普勒定律的推导，重点分析两体问题的中心力场解。我们将计算椭圆、抛物线和双曲线轨道的特征，并讨论轨道周期与轨道参数之间的关系。 4.2 微扰方法： 现实世界中的系统很少是完全孤立或理想化的。本章介绍处理微小偏离理想系统的工具——微扰理论。我们将介绍含时间项和不含时间项的微扰方法，应用于计算： 受微小非保守力影响的振动系统的频率漂移。 受远处行星引力影响的近地卫星轨道的微小修正。 本书的结构设计旨在引导读者从最直观的牛顿概念出发，逐步掌握分析力学的强大工具，最终理解力学原理在现代物理学中的统一性和深刻性。通过大量的习题和精心挑选的物理实例，本书致力于培养读者严谨的物理思维和解决复杂力学问题的能力。

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对我而言，《心血管流体力学》最吸引我的地方在于其哲学层面的深度——它探讨了“力”在生命维持系统中的根本作用。本书的论述结构极其严谨，从基础的Navier-Stokes方程出发，逐步引入了生物相容性、血液粘弹性、以及对血管壁顺应性的考量，每一步都像是为构建一个完整的生命体物理模型添砖加瓦。我特别欣赏作者对“尺度效应”的关注。他们清晰地阐明了在宏观的主动脉尺度下适用的简化模型，与在微观动脉粥样硬化斑块边缘需要考虑的非定常、高阶非线性效应之间的差异。书中对流体与固体的相互作用（FSI）的讨论，尤为精彩，它没有回避生物组织固有的复杂性——比如细胞的应力响应、细胞外基质的重塑——而是将其巧妙地纳入到流体力学框架内进行分析。这本书的难度毋庸置疑，但其回报也是巨大的，它不仅教会了我如何分析心血管系统，更教会了我如何以一种系统性的、多尺度、跨学科的眼光去理解任何复杂的生物物理现象。

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坦白讲，当我刚翻开《心血管流体力学》时，我担心它会落入那种过于学术化、晦涩难懂的窠臼。幸运的是，这种担心很快就被打消了。这本书在保持其核心科学严谨性的同时，展现出令人耳目一新的叙事活力。它最大的亮点在于对“病理生理学”与“流体力学”结合的深刻洞察。例如，在讨论瓣膜反流和狭窄时，作者不仅仅是计算了流量和压降的偏差，而是深入分析了这些流体力学异常是如何直接导致心肌的代偿性肥厚以及心力衰竭的长期后果。这种跨越生理学屏障的视角，让这本书的价值远超一般的流体力学专著。我特别喜欢作者引入的案例研究——比如某个罕见的心脏畸形如何通过流场模拟得到了更精准的诊断建议。这些案例使得那些高深的流体力学原理不再是悬浮在空中的理论，而是直接关乎生命和健康的工具。对于那些希望未来从事生物医学工程或介入心脏病学研究的人来说，这本书提供的理论基础和临床视野的融合是无价的。

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我必须说，这本书的叙事风格非常具有引导性，与其说它是一本教科书，不如说它是一部详尽的、由顶尖专家亲自带队进行的田野考察报告。作者们似乎深谙初学者在面对如此交叉学科内容时的困惑，因此他们花了大量的篇幅去建立概念的“脚手架”。尤其是在介绍非牛顿流体特性，也就是血液本身的粘性行为时，他们没有直接丢出复杂的本构方程，而是先通过对红细胞聚集体形态的微观观察，一步步推导出宏观粘度变化的规律，这种由微观到宏观的递进式讲解，极大地降低了我的认知负荷。我特别欣赏其中关于脉动血流对血管壁疲劳影响的章节，它引用了大量的生物力学实验数据来佐证理论模型，使得那些原本枯燥的线性粘弹性方程变得有血有肉，充满了现实意义。这本书的排版和引用文献的质量也无可挑剔，每一章末尾的思考题都设计得非常巧妙，常常需要你综合运用前几章的知识点才能给出满意的答案，这极大地促进了知识的内化，而不是简单的死记硬背。

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这本书的编写风格有一种令人敬佩的务实主义精神。它没有过多地沉湎于复杂的数学推导的纯粹美感，而是将重点放在了“如何用这些工具解决实际问题”上。我记得有一部分内容专门讨论了微循环中的氧气和营养物质交换过程，这里涉及到毛细血管网络中的扩散与对流的耦合问题。作者处理这个问题的思路非常务实：他们没有试图建立一个完美描述所有生化反应的超复杂模型，而是运用了简化但关键的边界层理论，准确地预测了给定血流速度下组织灌注的效率。这种“够用就好，精准到位”的处理方式，非常符合工程科学的精髓。此外，这本书对计算流体力学（CFD）在心血管领域的应用进行了非常详尽的介绍，包括网格划分的挑战、湍流模型的选择，以及如何验证和校准模拟结果与体内测量的吻合度。对于想要将理论转化为数值模拟代码的读者，这一部分简直是宝贵的实战指南，而不是泛泛而谈的介绍。

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这本《心血管流体力学》的教材简直是打开了我对血液动力学世界的一扇新窗户。我过去总觉得流体力学本身就足够抽象了，再加上血管和心脏这些生物系统的复杂性，简直是高不可攀。然而，作者却以一种令人惊叹的清晰度和逻辑性，将那些复杂的微分方程和边界条件，巧妙地与实际的生理现象联系起来。书中的图示绘制得极其精妙，尤其是对三维血流模式和剪切应力分布的剖析，让我这个工程背景的学生第一次真切地感受到了“血流”这个概念不仅仅是脉搏的跳动，而是一场精确的物理舞蹈。它没有仅仅停留在理论推导上，而是大量引用了最新的生物工程和医学成像技术如何帮助我们可视化和量化这些流动，比如用粒子图像测速法（PIV）来观察斑块形成区域的紊流。读到关于动脉瘤扩张的力学模型部分时，我甚至能想象出如果我是一名临床工程师，我该如何利用这些知识来设计更优的支架。这本书的深度和广度，完全超越了我对传统教科书的期待，它不仅是知识的传授，更像是思维方式的重塑，让我开始用物理学的严谨性去审视生命科学中的每一个动态过程。

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