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页数:151

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出版时间:2008-10

价格:24.00元

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isbn号码:9787564300968

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《流体力学：原理与应用》 导言 流体力学，作为一门古老而又充满活力的学科，研究的是流体（液体和气体）在静止或运动状态下的行为规律。它不仅是理解自然界诸多现象（如天气变化、海洋环流、鸟类飞行、血液流动等）的基础，更是现代工程技术不可或缺的理论基石。从宏观的飞机设计、火箭发射，到微观的微纳米尺度下的流体操控，流体力学都扮演着至关重要的角色。本书旨在系统地介绍流体力学的基本原理，并结合丰富的工程应用实例，帮助读者建立扎实的理论基础，并深刻理解流体力学在解决实际工程问题中的强大能力。 第一部分：流体静力学 流体静力学是流体力学的入门部分，它研究的是静止流体中的压力分布规律及其作用。 流体基本性质： 本章将首先阐述流体的基本概念，区分固态、液态和气态的本质区别，并引入密度、比重、粘度、表面张力、压缩性等关键流体参数。理解这些性质是后续学习的基础。 压力与压强： 详细讲解压力的定义，以及流体内部任意一点的压强随深度变化的规律（静压定律）。我们将推导并分析静压定律的数学表达式，并探讨不同形状容器内液体对底部和侧壁的压力特点。 帕斯卡原理与阿基米德原理： 深入阐述帕斯卡原理，即施加于静止流体上某一点的压力，会无损地传递到流体内的所有点。在此基础上，我们将讲解液压传动系统的基本原理，例如液压千斤顶、液压刹车等。随后，重点介绍阿基米德原理，即浸在流体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开流体的重力。通过对浮力公式的推导和分析，我们将探讨物体的沉浮条件，并分析船只的浮态稳定性和气球的升降原理。 流体静力学方程： 建立描述静止流体压强分布的微分方程，并讲解如何通过求解该方程来确定复杂边界条件下的压强分布。 应用实例： 结合大坝设计中的水压力计算、潜艇的下潜与上浮、浮标的设计、以及水银血压计的工作原理等实际工程问题，巩固流体静力学的理论知识。 第二部分：流体动力学基础 流体动力学是研究流体在运动状态下规律的学科。本部分将从基础概念入手，逐步深入。 流体的运动描述： 介绍描述流体运动的两种基本方法：拉格朗日方法（跟踪单个流体质点）和欧拉方法（描述空间中各点的流体状态）。我们将重点介绍欧拉方法，并引入流线、迹线、稳定流、非稳定流、有无旋流等基本概念。 流体微团的运动： 分析流体微团的加速度，包括平动加速度、转动加速度和变形加速度（剪切和扩张）。这将为理解更复杂的流体运动奠定基础。 连续性方程： 基于质量守恒定律，推导出描述流体在空间中连续运动的连续性方程。我们将分别推导适用于连续介质、不可压缩流体以及管道流的连续性方程，并分析其物理意义，例如在均匀管道中，流速与管道截面积成反比。 伯努利方程： 这是流体动力学中最基本也是最重要的方程之一，它描述了沿同一流线（或在稳恒流动中）的流体压强、速度和高度之间的关系，是能量守恒在流体运动中的体现。我们将详细推导伯努利方程，并分析其适用条件。通过对伯努利方程的深入理解，我们将能够解释许多流体现象，如文丘里管效应、飞机机翼的升力产生原理、以及吸管吸取液体的过程。 动量方程（线性动量守恒）： 基于牛顿第二定律，推导出描述流体动量变化的方程。动量方程在分析流体对物体作用力（如喷嘴射流对支架的作用力、水轮机叶片受力分析等）以及火箭推进等问题中至关重要。 能量方程： 考虑流体流动中的能量转换，包括静压能、动能、位能以及能量损失。能量方程在分析有功装置（如水泵、风机）和无功装置（如阀门、弯头）引起的能量变化时非常有用。 第三部分：粘性流体的流动 粘性是流体固有的属性，它导致了流体内部的能量耗散和流动阻力的产生。本部分将重点研究粘性流体的流动特性。 粘性与剪应力： 详细讲解粘性的物理意义，以及在粘性流体中，由于流体层之间的相对运动而产生的剪应力。我们将介绍牛顿粘性流体和非牛顿粘性流体，以及描述其粘滞行为的本构方程。 雷诺数： 引入雷诺数（Re）这一无量纲参数，它是惯性力与粘性力之比，用于判断流体的流动状态。我们将深入分析低雷诺数下的层流（Laminar Flow）和高雷诺数下的湍流（Turbulent Flow）的特点。 层流流动： 重点研究圆管中的层流流动，包括泊肃叶定律（Poiseuille’s Law），分析了在恒定压差下，圆管中层流的流量与管径、压强梯度和流体粘度的关系。还将探讨平板上的层流边界层发展。 湍流流动： 介绍湍流的复杂性，包括其随机性和无规则性。我们将讨论湍流的平均概念，并介绍平均速度剖面以及湍流边界层的发展。 边界层理论： 边界层理论是研究粘性流体流动的重要工具，它将流场划分为靠近壁面的薄层（边界层）和远离壁面的势流区域。我们将讲解边界层的产生、发展及其对流动阻力的影响，并介绍分离边界层的概念及其工程后果。 流动阻力： 分析流体在运动过程中遇到的阻力，主要包括沿程阻力（由管道壁面摩擦引起）和局部阻力（由局部构件，如阀门、弯头引起）。我们将讲解计算这些阻力的方法，并介绍阻力系数的概念。 应用实例： 讲解管道输水、油气输送系统中的压力损失计算，以及船体、飞机翼型设计中的阻力分析。 第四部分：不可压缩流体的特殊流动 虽然流体普遍具有一定的压缩性，但在许多工程应用中，尤其是液体流动，可以将其近似视为不可压缩流体，这将简化分析。 理想流体流动： 引入理想流体（无粘性和不可压缩）的概念，尽管在现实中不存在，但它是理解粘性流体和不可压缩流体流动行为的简化模型。 势流理论： 在理想流体假设下，利用势流理论来分析流体运动。我们将引入速度势函数和流函数，并通过它们来描述二维不可压缩势流。 二维势流叠加： 讲解如何通过叠加基本势流（如源、汇、偶极子、均匀流）来构建复杂形状物体的绕流场，例如均匀流与偶极子的叠加可以模拟圆柱体的绕流。 应用实例： 尽管理想流体假设简化的，但势流理论在分析空气动力学中的非粘性绕流、船体周围的水流以及电场和磁场问题中仍具有重要的理论价值。 第五部分：流体机械 流体机械是利用流体能量或改变流体能量的装置，是流体力学理论的重要工程实践。 水泵： 介绍离心泵和轴流泵等常见水泵的工作原理，分析泵的性能曲线（效率、扬程、流量关系），并讲解泵的选择与应用。 风机与压缩机： 讲解风机和压缩机的基本类型和工作原理，以及它们在通风、空调、气体输送等领域的应用。 涡轮机： 介绍水轮机、汽轮机和燃气轮机等能量转换装置，分析它们如何将流体的动能或内能转化为机械能。 喷嘴与文丘里管： 讲解喷嘴和文丘里管在流体加速、减速以及测量流量方面的应用，并结合伯努利方程进行分析。 应用实例： 结合水力发电站、抽水蓄能电站、城市供水系统、以及内燃机和喷气发动机等具体工程案例，展示流体机械在现代社会中的关键作用。 第六部分：开放性问题与前沿 本章将对流体力学中一些尚未完全解决的开放性问题进行概述，并介绍该领域的一些前沿研究方向。 湍流的本质： 尽管已经有了大量的研究，但湍流的精确预测和控制仍然是流体力学中的一个巨大挑战。我们将简要介绍湍流模型的研究进展。 微纳尺度流体： 随着微电子、生物医学等技术的发展，微纳尺度下的流体行为变得越来越重要。我们将介绍表面效应、粘性效应在微纳尺度下可能出现的特殊现象。 计算流体力学（CFD）： 介绍计算流体力学作为一种重要的数值模拟工具，如何在现代工程设计中得到广泛应用，以及其优势和局限性。 多相流： 研究两种或两种以上不同相（如气液、液固）混合物的流动行为，在化工、石油、环保等领域具有重要意义。 生物流体力学： 探讨流体力学在生物体内的应用，例如血液循环、呼吸系统、细胞运动等。 结论 《流体力学：原理与应用》通过对流体静力学和动力学的系统阐述，深入剖析了粘性流体和不可压缩流体的流动特性，并结合了大量经典的工程应用实例，旨在为读者提供一个全面而深入的流体力学学习框架。本书力求在理论严谨性与工程实用性之间取得平衡，希望能够激发读者对流体力学的兴趣，并为其未来在相关工程领域的学习和实践打下坚实的基础。

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从一个跨学科学习者的角度来看，这本书最大的价值在于它构建了一个坚实的“物理直觉”与“数学精度”之间的桥梁。我发现作者在解释某些现象时，总是先用非常朴素的物理语言进行描述，比如当物体在冲击载荷下变形时，能量是如何在弹性形变和塑性耗散之间转化的。随后，这种直觉马上被严谨的数学框架所捕捉和量化。例如，在处理冲击问题时，作者会详细讨论冲击系数的概念，并解释这个系数如何反映了载荷作用时间与结构固有频率之间的关系。这种对“时域响应”的关注，让原本静态的力学知识变得“活”了起来，充满了动态的生命力。它不再是静止的结构分析，而是关于“发生变化”的科学。对于想要深入理解材料如何响应瞬时载荷的读者来说，这本书提供了一个非常现代化的视角，它不仅仅是教你计算，更是在培养你预测和理解结构在复杂工况下行为的能力。这本书的广度和深度都令人印象深刻，成功地做到了既能满足课堂教学的需求，又具备了后续研究的参考价值。

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初读这本书，我的第一印象是它在理论深度上做得非常扎实，绝非那种浮光掠影的入门读物。它对刚体运动学和动力学的阐述，尤其是针对非惯性系下的运动分析，处理得相当精妙。我记得有一章节专门讨论了陀螺仪的进动和章动问题，作者引入了欧拉角和四元数这些相对高阶的数学工具，但讲解过程却很有条理，每一步的数学推导都交代得清清楚楚，没有那种生硬的“公式跳跃”。我特别欣赏作者在引入这些复杂理论时，总是先搭建一个清晰的物理图像，让我们明白为什么要引入这个复杂的数学模型，它解决了物理世界中的哪一个具体问题。例如，在处理振动问题时，这本书不仅仅停留在线性系统的自由振动，还深入探讨了阻尼对系统响应的影响，并展示了如何利用复数域来简化二阶常微分方程的求解。这对于后续接触更高级的控制理论或者机械系统分析的人来说，打下了非常坚实的基础。总而言之，这本书的学术水准是毋庸置疑的，它对概念的剖析细致入微，是对工程力学有志于深究的读者的一份厚礼。

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我购买这本书的初衷，其实是想找一本能够将“力”这个概念与“能量”更紧密联系起来的教材。很多传统的力学教材会将能量法放在最后作为一个附加章节，处理得比较仓促。《工程力学》在这方面做得尤为出色，它在介绍平衡概念的同时，就引入了虚功原理，并花了相当的篇幅来阐述最小势能原理在求解平衡态中的强大威力。作者的讲解逻辑是，通过能量的观点去看待力学问题，可以绕开很多复杂的力的分解和投影，直接得到问题的解。书中关于保守力和非保守力的区分，以及如何应用动能和位能来分析复杂系统的运动轨迹，讲解得非常清晰。特别是对于那些涉及到变质量系统的动力学问题，书中采用的拉格朗日方程的推导过程，步骤清晰，逻辑严密，让我对这个强有力的分析工具有了全新的认识。这种“一法通，百法通”的教学思路，极大地提升了我解决问题的能力，不再局限于传统的牛顿定律思维定式。

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说实话，我这本书的使用体验，更多的是把它当作一本工具书来对待的，尤其是在进行项目设计复核的时候。这本书的习题设计简直是神来之笔，它覆盖的知识面极广，难度梯度也设置得非常合理。基础的计算题用来巩固概念是绰绰有余，但最让我受益匪浅的是那些综合性的设计题。比如，有一道题要求设计一个简单的悬臂梁结构，不仅要计算最大弯矩和剪力，还要考虑材料的疲劳强度和屈曲的临界载荷，这一下子就把静力学、材料力学和结构稳定性这几个领域的知识串联了起来。这种设计导向的练习，迫使我们不能只停留在计算某个特定数值上，而是要学会从整体结构安全性的角度去思考问题。而且，书后的附录部分也做得极其实用，各种标准截面的几何性质表、材料性能参数，查阅起来一目了然。对于忙碌的工程师来说，这种能够在需要时快速找到所需数据的能力，比单纯的理论记忆要重要得多。这本书已经成了我工作台上的常驻参考资料，被翻得边角都快卷起来了。

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这本《工程力学》的书，说实话，我拿到手的时候心里是有点忐忑的。毕竟“力学”这两个字听起来就和枯燥、公式、以及无穷无尽的推导画上等号。我本来以为这会是一本需要我拿出高中时期所有物理储备，才能勉强啃下来的“天书”。翻开第一章，介绍静力学基本概念的时候，我发现作者的叙述方式比我想象的要平易近人得多。他没有一上来就抛出复杂的矢量运算，而是用了大量的实际工程案例来引导我们理解力的平衡是什么，力矩的概念又是如何影响我们身边那些宏伟的建筑结构。比如，书中对于桁架结构的分析，不是简单地用节点法或截面法糊弄过去，而是详细讲解了为什么采用三角形结构是最稳固的，这种几何上的巧妙如何在数学上得以体现。更让我惊喜的是，作者似乎深谙初学者的痛点，对于那些容易混淆的概念，比如应力和应变，他会用非常形象的比喻来解释，像是拉伸一根橡皮筋和一根钢丝的内在区别，这种讲解方式让抽象的材料力学概念变得触手可及。这本书的排版也很舒服，图文结合度很高，每一张图表都像是精心设计的教学辅助工具，而不是简单地填充页面。对于那些想真正理解力学原理，而不是死记硬背公式的人来说，这本书无疑提供了一个绝佳的起点。

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