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物质点法常见术语(41-53)

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41. Fluids

流体

在物理学中,流体是指在施加的剪切应力或外力下可以连续移动和变形(流动)的液体、气体或其他材料。它们的剪切模量为零,或者更简单地说,是不能抵抗施加在它们身上的任何剪切力的物质。尽管“流体”一词通常包括液相和气相,但其定义因科学分支而异。固体的定义也各不相同,根据领域的不同,一些物质可以同时具有流体和固体性质。当突然施加力时,像Silly Putty这样的非牛顿流体的行为似乎类似于固体。具有非常高粘度的物质,如沥青,看起来也像固体(见沥青滴实验)。在粒子物理学中,这一概念被扩展到包括液体或气体以外的流体物质。

42. Gas

气体

气体是物质的四种基本状态之一。其他的是固体、液体和等离子体。纯气体可以由单个原子(例如,像氖这样的稀有气体)、由一种类型的原子(例如氧)制成的元素分子或由各种原子(例如二氧化碳)制成的化合物分子组成。气体混合物,如空气,含有多种纯气体。气体与液体和固体的区别在于单个气体颗粒的巨大分离。这种分离通常使人类观察者看不到无色气体。物质的气态发生在液体态和等离子体态之间,后者为气体提供了温度上限。在温度标度的低端,存在着越来越受到关注的退化量子气体。超冷到极低温度的高密度原子气体根据其统计行为分类为玻色气体或费米气体。

43. Isotropic solid

各向同性固体

在凝聚态物理学和连续介质力学中,各向同性固体是指物理性质与系统取向无关的固体材料。虽然原子的有限尺寸和键合考虑确保了在固态中不存在原子位置的真正各向同性,但由于晶体系统内存在的对称性,对给定性质的测量有可能产生各向同性结果,或者由于在样品上(例如在非晶固体或多晶金属中)的取向平均的影响。当开发材料物理行为模型时,各向同性固体往往会引起人们的兴趣,因为它们往往允许理论的显著简化;例如,立方晶体系统中金属的电导率可以用单个标量值来描述,而不是用张量来描述。此外,立方晶体在热膨胀方面是各向同性的,并且在加热时将在所有方向上均匀膨胀。

不应将各向同性与均匀性混淆,均匀性将系统的特性描述为独立于位置而非方向。此外,包括立方晶体系统在内的所有晶体结构在某些性质上是各向异性的,而在其他性质(如密度)上是各向同性的。晶体性质的各向异性取决于用于描述性质的张量的秩,以及晶体内存在的对称性。例如,立方晶体中的旋转对称性确保了介电常数(二阶张量性质)在所有方向上都是相等的,而六边形系统中的对称性决定了测量将根据测量是否在基面内进行而变化。由于介电常数和光学折射率之间的关系,预计立方晶体是光学各向同性的,而六方晶体是光学异性的;立方和六方CdSe光学性质的测量证实了这一理解。

几乎所有的单晶体系统在力学性质方面都是各向异性的,钨是一个非常明显的例外,因为它是一种具有刚度张量系数的立方金属,以适当的比例存在以考虑力学各向同性。然而,一般来说,立方晶体不是机械各向同性的。然而,许多材料,如结构钢,往往遇到和利用在多晶状态。由于晶粒在材料中的随机取向,测得的力学性能往往是与不同晶体学方向相关的数值的平均值,表观各向同性的净效应。因此,这是典型的参数,如杨氏模量报告独立于晶体学方向。将固体视为机械各向同性极大地简化了变形和断裂(以及位错产生的弹性场的分析)。然而,晶粒的优先取向(称为织构)可能是某些类型的变形和重结晶过程的结果,这将产生固体力学性质的各向异性。

44. Linear elasticity

线弹性

线弹性是固体物体在规定的载荷条件下变形和内应力的数学模型。它是更一般的非线性弹性理论的简化,也是连续介质力学的一个分支。线性弹性的基本“线性化”假设是: 无限小的应变或“小的”变形(或应变)以及应力和应变分量之间的线性关系。此外,线弹性只对不产生屈服的应力状态有效。这些假设对于许多工程材料和工程设计场景是合理的。因此,线弹性在结构分析和工程设计中被广泛使用,通常借助于有限元分析。

45. Homogeneity & Heterogeneity

均质性和非均质性

同质与异质是与物质、过程或图像的一致性有关的概念。同质特征在构成或性质上是均匀的(即颜色、形状、大小、重量、高度、分布、质地、语言、收入、疾病、温度、放射性、建筑设计等) ; 异质特征在至少其中一个特征上是明显不均匀的。

46. Numerical dissipation

数值耗散

在计算物理学中,数值耗散(也称为“数值扩散”)是指微分方程的数值解可能产生的某些副作用。当通过数值近似方法求解无耗散的纯平流方程时,初始波的能量可以以类似于扩散过程的方式减少。这种方法被称为包含“耗散”。在某些情况下,有意添加“人工耗散”以提高解的数值稳定性特性

47. Quasistatic process

准静态过程

在热力学中,准静态过程,也称为准平衡过程(来自拉丁语quasius,意思是“好像”),是一种热力学过程,其发生速度足够慢,系统保持内部物理(但不一定是化学)热力学平衡。这方面的一个例子是氢气和氧气混合物的准静态膨胀,其中系统的体积变化如此缓慢,以至于在过程中的每个时刻,整个系统的压力都保持均匀。这样一个理想化的过程是一系列物理平衡状态,其特征是无限缓慢。

只有在准静态热力学过程中,我们才能准确地定义系统在整个过程中每一瞬间的密集量(如压力、温度、比体积、比熵);否则,由于没有建立内部平衡,系统的不同部分将具有这些量的不同值,因此每个量的单个值可能不足以代表整个系统。换句话说,当状态函数变化的方程包含P或T时,它意味着准静态过程。

48. Virtual power

虚功方程

在力学中,虚功是在应用最小作用力原理研究机械系统的力和运动时产生的。对于不同的位移,作用在质点上的力沿位移移动时所做的功是不同的。在一个粒子可能跟随的所有可能的位移中,称为虚位移,其中一个将使作用最小化。因此,这个位移是质点按照最小作用原理所跟随的位移。

沿着虚位移作用在粒子上的力的功被称为虚功。历史上,虚功和相关的变分法是用来分析刚体系统的,但是它们也被用来研究变形体的力学。

49. Solid

固体

固体与液体、气体和等离子体一样,是物质的四种基本状态之一。固体中的分子紧密排列在一起,含有最少的动能。固体是拥有属性结构的刚性(如在刚体中)和对施加于表面的力的抵抗力。与液体不同,固体物体不会像气体那样以容器的形状流动,也不会像气体那样膨胀以充满整个可用体积。固体中的原子彼此结合在一起,或者形成规则的几何晶格(包括金属和普通冰在内的结晶固体) ,或者形成不规则的结晶固体(像普通窗玻璃这样的无定形固体)。固体不能用很小的压力被压缩,而气体可以用很小的压力被压缩,因为气体中的分子是松散的。

物理学中研究固体的分支叫做固体物理学,是凝聚态物理学(也包括液体)的主要分支。材料科学主要研究固体的物理和化学性质。固体化学特别关注新材料的合成,以及识别和化学成份的科学。

组成固体的原子、分子或离子可以有序地重复排列,也可以不规则地排列。其成分按规则排列的材料称为晶体。在某些情况下,规则的排序可以继续不间断地在一个大规模,例如钻石,其中每个钻石是一个单一的晶体。大到可以看到和操作的固体物体很少由单个晶体组成,而是由大量的单个晶体组成,称为晶体,其大小可以从几纳米到几米不等。这种材料称为多晶体。几乎所有的普通金属和许多陶瓷都是多晶的。

在其他材料中,原子的位置不存在长程有序。这些固体被称为无定形固体;实例包括聚苯乙烯和玻璃。

固体是结晶的还是无定形的取决于所涉及的材料和形成条件。通过缓慢冷却形成的固体往往是结晶的,而快速冷冻的固体更有可能是无定形的。同样,结晶固体所采用的特定晶体结构取决于所涉及的材料及其形成方式。

虽然许多常见物体,如冰块或硬币,在化学上完全相同,但许多其他常见材料包括许多不同的物质。例如,一种典型的岩石是几种不同矿物和矿物的集 合体,没有特定的化学成分。木材是一种天然有机材料,主要由嵌入有机木质素基质中的纤维素纤维组成。在材料科学中,一种以上组成材料的复合材料可以设计成具有所需的性能。

50. Peridynamics

近场动力学

近场动力学是一种非局部的连续介质力学公式,它面向不连续的变形,特别是断裂。最初,基于键的近场动力学已被引入,其中,内部相互作用力之间的一个材料点和所有其他的,它可以相互作用,被建模为一个中心力场。这种类型的力场可以想象为一个网状结构,在一定距离内连接物体的每一点和其他每一个相互作用点,这取决于物质的性质,称为进场动力学视界。之后,为了克服材料泊松比(二维构型的平面应力为1/3,二维构型的平面应变为1/4,三维构型的泊松比为1/4) ,态基进场动力学已经公式化。它的特点是一个点与另一个点之间的力的交换受到与其相互作用区域相关的所有其他键的变形状态的影响。近场动力学的特点,使它不同于经典的局部力学,是存在于物质体的任意两点之间的有限范围的键: 这是一个特点,接近这种公式离散的中尺度理论的物质。

51. Particle-in-cell method

胞内粒子法

在等离子体物理中,细胞内粒子(PIC)方法是一种用于求解一类偏微分方程的技术。在这种方法中,拉格朗日框架中的单个颗粒(或流体单元)在连续的相空间中被跟踪,而密度和电流等分布的矩在欧拉(平稳)网格点上被同时计算。

早在1955年,甚至在第一个 Fortran 编译器出现之前,PIC 方法就已经在使用了。该方法在20世纪50年代末和60年代初由 Buneman,Dawson,Hockney,Birdsall,Morse 等人的等离子体模拟中获得了普及。在等离子体物理应用中,这种方法相当于跟踪在固定网格上计算的自洽电磁(或静电)场中带电粒子的运动轨迹。

52. Equation of motion

动量方程

在物理学中,运动方程是将物理系统的运动描述为时间函数的方程。更具体地说,运动方程将物理系统的行为描述为一组动态变量的数学函数。这些变量通常是空间坐标和时间,但也可能包括动量分量。最普遍的选择是广义坐标,广义坐标可以是物理系统的任何方便的变量。在经典力学中,函数是在欧几里得空间中定义的,但在相对论中被弯曲空间所取代。如果一个系统的动力学是已知的,那么方程就是描述动力学运动的微分方程的解。

53. Multigrid method

多重网格方法

在数值分析中,多重网格方法(MG 方法)是一种利用离散化层次结构求解微分方程的算法。它们是一类称为多分辨率方法的技术的例子,在显示多种行为尺度的问题中非常有用。例如,对于短波长和长波长分量,许多基本的弛豫方法表现出不同的收敛速度,这表明这些不同的尺度可以用不同的方法处理,就像多重网格的傅立叶变换家族中的关系方法一样。MG 方法既可以作为解决方案,也可以作为预处理剂。

多重网格的主要思想是通过解决一个粗糙的问题,不时对精细网格解的近似值进行全局修正,从而加速基本迭代法(称为松弛,通常可以减少短波长误差)的收敛。粗网格问题虽然解决费用较低,但与细网格问题类似,因为它也存在短波长和长波长误差。它也可以通过放松和吸引更粗糙的网格的组合来解决。这个递归过程一直重复,直到达到一个网格,在这个网格中,直接求解的成本与精细网格上一次松弛扫描的成本相比微不足道。这种多重网格循环通常会将所有错误分量减少一个固定的数量,这个数量远低于一个,与精细网格的大小无关。多重网格的典型应用是二维或多维椭圆型偏微分方程的数值求解。

多重网格方法可以与任何常用的离散化技术结合使用。例如,有限元分析可以重构为多重网格方法。在这些情况下,多重网格方法是目前已知的最快的解决方案技术之一。与其他方法相比,多重网格方法具有一般性,它可以处理任意区域和边界条件。它们不依赖于方程的可分性或方程的其他特殊性质。它们也被广泛用于更复杂的非对称和非线性方程组,如拉美弹性方程或纳维-斯托克斯方程方程。

来源:STEM与计算机方法
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首次发布时间:2024-03-03
最近编辑:2月前
江野
博士 等春风得意,等时间嘉许。
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