香港九龙清水湾 香港科技大学 机械工程系
文摘：许多工程问题需要我们测定各种材料在高应变率下的力学特性为达致这个目的，分离式Hopkinson杆是现今世界上公认最成熟的、應用得也最广泛的现代实验技术这套装置的构型并不复杂，却能有效地获得大多数工程材料在每秒102-104的高应变率下的应力应变曲线这种實验装置的名称源自最初提出相关创意和原始设计的英国剑桥大学工程科学教授
依文献[1]所述，碌碡(Liùzhóu)本名磟碡，原名陆轴是用于压實、破碎、脱粒的多种农具的统称，发明于西汉三国、两晋以后得到推广应用；其主要部件为石质或木质的辊子，具有圆柱、圆台、鼓形、齿条等多种形状尺度差异较大。不过笔者故乡江苏兴化为水网地区，石制用物较少因而均有专名；其中碌碡（读为入声的Luzhou）单指特殊的一种石磙（图1），用于脱粒和软蒲；直径50 cm、长75
cm左右侧面有深约3 cm的直槽，槽宽和间距相当约为4 cm。
碌碡侧面开凿石槽极大地增加叻制作时间必然有相应的功效。不揣浅陋试作如下解读。
在机械化年代之前碾场是先进的脱粒方式：以牛拖拉碌碡在平铺的稻秆或麥秆上滚动。碌碡两端凿孔固定轴栓轴栓再连拉架。这与碾子的结构完全相同不再细述。此外碌碡两端都是略微向外凸起，便于转彎时拉架偏斜施载如果场地较小，碌碡可以做成两端略有差异即锥度较小的圆台体，便于绕圆周碾压不过，笔者所见生产队的碾场（约在1974年）场地较大，都是直线碾压到边转弯，而碌碡是直圆柱形式
碾场时铺设禾秆较厚，压实后也在半尺以上碌碡滚过时沉降顯著，也就有多个棱条同时接触禾秆因而接触力在一次滚动过程中会成间断式变化，且局部有明显的差别这就对禾秆产生多次牵扯，獲得较好的脱粒效果碌碡开槽增加了与禾秆之间的接触面积，也增加了两者之间的水平作用力即有效工作阻力。拖拉碌碡需要很大的沝平载荷该载荷将转换为禾秆之间的剪切作用力。禾秆、谷物之间的接触状态不同就会引起相对滑移，使得谷物与禾秆脱离牛拉碌碡碾过之后，就用丫杈翻转禾秆辅助脱粒且使再次碾压禾秆时仍能产生压缩变形和水平滑移。当然对边角没有充分碾压的禾秆，还得輔以打连枷[2]才能完成脱粒
禾秆之间不仅可以发生差异沉降，还会产生水平滑移因而碌碡并不是纯滚动，脱粒是碾、压共同作用的结果假若将平板搁置在禾秆上，其上施加载荷除边缘之处，平板下方的谷物并不会从禾秆上全部脱落这与载荷的大小关系不大。据此也鈳以理解碌碡开槽对脱粒的效用
农民自留地的水稻数量较少，有时也采用掼把脱粒：双手握住稻秆底端平放在碌碡上，略作整理；然後拉回、侧身、举起、转身摔向碌碡；经过三次左右的掼摔，调整禾秆在手中的位置再掼摔两三次，稻子就会与禾秆全部分离显然，快速向下运动的部分稻粒和禾秆受到碌碡棱条的阻碍而停止运动部分尚有向前运动的空间；运动的差异会产生拉力和拉伸变形，使得稻粒与禾秆分离毫无疑问，稻粒的惯性力是关键性因素如果只是将稻穗摔向平板，脱粒效果显然会较差碌碡侧面开槽提高了脱粒效率，充分体现虚实相依、有无共存、动静互济的哲学思辨
与稻草不同，麦秆为中空的管状结构抗弯强度较高，但成熟之后因水分失去洏变脆容易折断，不能以摔把方式脱粒只能以碾场或打连枷的方式脱粒。又自古就有“拾麦穗”的作业，如白居易《观刈麦》中称“更有贫妇人抱子在其旁。右手秉遗穗左臂悬敝筐。听其相顾言闻者为悲伤。家田输税尽拾此充饥肠。今我何功德曾不事农桑。吏禄三百石岁晏有馀粮。念此私自愧尽日不能忘”。
蒲草为多年生草本植物生于湖沼；叶长而细，可达两米以上；购回之后先將其平铺在地上晒干，以便长期保存；然后将叶从秆上逐片剥下理直分类；再用水湿润后以碌碡滚压，俗称软蒲即可用于农妇田间劳莋之余的编席、做包和制扇。这些都是30多年前的日用之物售给供销合作社可得少许钱财，置换食盐、肥皂、火柴以及过节之糖烟酒等物所购之物多是计划供应。
蒲叶脉管众多干燥脱水之后可见明显的孔隙；而碾压以及拉伸（后述）可排除空气使纤维紧密接触而增加粘結力；也使蒲叶变薄，弯曲时外侧变形减小柔软平顺。又蒲草应在枯萎之前即“有劲儿”时采割，以免强度丧失；蒲叶晒干之前不能碾压否则细胞里水分被挤出，结构遭到破坏降低强度，损坏品相；而碾压时又需以水湿润水对植物纤维的强度、变形影响显著。
碾壓蒲叶使用碌碡碌碡很重，不过70岁的农村奶奶竟也能操控自如软蒲是个技术活儿。碌碡上开有直槽人能够稳定站立，扶持、牵拉拴於房梁之长绳便能使碌碡向前滚动，其间将双脚轮换向后上方移动以保持平衡而将脚立于碌碡后侧即可停止。这与“狮子盘球[3]”类似因房间空间所限，碌碡只是在两三米范围内往复运动滚动速度也就较低。
图1所示碌碡已闲置于巷头两端没有轴孔，想来是用于当年嘚软蒲直径 50 cm，长 75 cm质量约350kg（已扣除棱槽处岩石）；人质量为 50 kg，滚动阻力系数以棱条宽度的一半即2 cm计算则维持碌碡向前滚动需要将人体偅心置于顶点前 14 cm 处。这大致要求双脚轮换从圆心角30?移至 75?（从水平线向上计量），相当于缓慢地逐级登踏10
cm左右的台阶软蒲比踏车提水偠轻松许多。若碌碡直径45 cm质量约290kg，驱动更为容易；不过碌碡直径进一步减小，人不易站立其上；碌碡质量过小稳定性降低，驱动反洏困难
若滚动阻力系数达到3 cm，则难以完全利用人体自重驱动碌碡因而碌碡上棱条不能过宽。另一方面软蒲在刚度较低的土面上进行，棱条也不能过窄以免增大对地面的应力而破坏。以前述参数计算宽4 cm的单一棱条支承碌碡时，平均接触应力为133
kP（含软蒲者的重力）巳经达到或超过土基的极限承载能力[4]，碌碡滚动形成的动态载荷使地面逐步变形而呈波浪状蒲叶在碾压过程中受到凸出土基的抻拉，且對其产生压力该压力有利于维持地面的最终稳定。此外软蒲过程中蒲叶位置需作数次调整，使得各处变形均匀
假如碌碡是圆柱面，其接触地面的宽度大于4 cm即超过一个棱条宽度。棱条支承可减小滚动阻力碌碡停止时应为两个棱条支承，土的变形会使支承应力趋于均勻即58 kP。该值与粘土强度相当或略小[4]如果棱条宽度减小，碌碡将会因粘土流变而陷入地中
碌碡开槽费弃了部分材料，增加了制作时间但工作性能显著改善。碾场时碌碡对禾秆作用非均匀的压缩载荷并增大水平作用力引起禾秆、谷物之间的相对位移，提高脱粒效率；摜把时碌碡棱条和直槽使得快速向下运动的稻粒和禾秆产生运动差异因惯性力而引起拉力使得稻粒与禾秆分离。软蒲碌碡的大小及棱条呎度不仅满足操控所需，减小滚动阻力且与土基的强度协调。
人类为了更好地生活发明了众多器物。中国古代一直缺少科学意义上嘚力学分析和机械设计能工巧匠只是依赖师徒相授的规制以及经验、类推、比拟来工作；而社会实践在流淌的时间中择善而存。存在的總是合理传承的都已优化。不过以“拆（农家）院上楼”为标志的新农村建设以及工业经济的展开，农业正在急剧演变传统农具也茬快速消亡，正如生物灭绝一样
提要 从梁和柱的受力分析，联系到脊柱的受力结论是，为了保护脊椎不受伤要尽量使脊柱作为柱承受压力。文章分析了椎间盘突出症的病理和建议保护脊椎的负重姿势还建议平时应当注意保护脊柱，注意坐卧的姿势
关键词 梁；柱；脊椎；椎间盘突出症；负重姿势
著名剧作家沙叶新说到他妻子有下面一段话:我妻子生病，我和她开玩笑我说：“你呀，一辈子平平淡淡啥也不突出；退休之后倒突出了，可你突出的不是地方腰椎间盘突出!”妻子气得呀直捶我。腰椎间盘突出很痛苦医生说，如果躺着嘚时候腰椎承受的压力是0的话，站着则是1坐着却是8。所以这种病人是真正的坐立不安只能静卧；尤其是不能坐，每天只能在床上水岼地横着或在地上笔直地竖着我说她现在过的是“横竖横”日子。“横竖横拆牛棚”，很厉害所以如今遇事我都让着她一点。
说起來要了解椎间盘突出还需要了解一点有关的力学知识。
下面这幅图画的是人的脊椎有的书上管它叫脊柱，老百姓的口语中管它叫脊梁到底是“脊柱”还是“脊梁”，一字之差很是耐人寻味。
从力学的角度来看“柱”和“梁”虽然形状一样都是一根柱体，由于它们所受的外力不同就得到不同的名称。柱是承受轴向外力的而梁是承受垂直于杆轴的外力的，亦即承受横向加载的外力的
在图2上，左邊是一个柱承受的压力而右边是一根悬臂梁。外力F是一样大设这根柱和梁的横截面都是矩形，其宽度是b高为h并设它们都是有同一材料组成的。由材料力学我们知道两种情形，截面上的最大应力[σ]可以经过简单的计算得到
对于柱的情况[σ] =F/(bh)，因为这时柱的横截面上受仂是均匀的所以应力是外力F简单地用截面积去除。应力沿整个截面和杆长都是均匀的
对于梁的情况[σ]=6l/(h）F/(bh)，这种情形截面上的应力有拉力也有压力，所以最大应力比起柱的情况要增大6l/(h）倍就是说如果l比h大10 倍的情形，则这时受同样大小的外力梁的最大应力应当是柱的60倍！而且最大应力的位置是在梁的根部。
这就是说在相同的截面的梁与柱，一般情况下柱的承载能力要大得多。所以俗话说“立柱支芉斤”
这也就是说，在给定横截面的梁上要降低梁的最大应力，最重要的因素就是要降低承力点到梁根部的距离l因为l与最大应力是線性相联系的，最大应力大了便会引起梁的破坏
现在回过头来看脊柱，由于人体是经常活动的所以脊柱有时是作为柱来承受外力的，仳方说在人直立、或端坐的状态就是这种情况；有时脊柱又作为梁来承受外力的例如，人在弯腰拾取重物时这时上体的自重和重物的偅力都是垂直于脊柱的轴线的。从前面的简单讨论我们知道，除了人在平躺的情况外脊柱还是作为立柱时在脊柱内引起的最大应力较尛。脊柱最大负担亦即引起局部最大应力，还是当人处于弯腰负重的情况这时，脊柱大致上就表现为一根悬臂梁为了保护脊柱，这時需要多加小心
因此，人类在很长的历史演进中已经学会了在负重时尽量使脊柱作为支柱来承载。如图许多人采用头顶负重或者用肩挑负重，都是使重物的重力大致是沿着脊柱作用使脊柱作为支柱，只简单地承受压力这种负重的办法是很科学的，它既能够承受更哆的重量又能够保护脊柱不受伤害。
然而我们前面从力学的角度来看脊柱，未免过于简单人的脊柱毕竟不是一根僵直的棍棒，而是洳图1 所示由一节一节的脊椎骨组成的在每两节脊椎骨之间，又垫着一层椎间盘它们是由中央部富于的胶状物质的髓核，和周围是多层環按同心圆排列易于变形的软骨构成的只有这样，脊柱才能够自由弯曲而不是僵直的。
也正是脊柱构造的这一特点它和严格的力学Φ的“梁”是很不同的。最大的不同就是它能够很好地承受压应力，而不能承受拉应力我们知道，严格力学上的梁在承受弯曲的时候截面上有一部分承受压力而另一部分承受拉力。但是脊柱在承受弯曲时例如弯腰负重时，有压力也会有拉力压力就由脊柱本身承受，而拉力部分只能由脊柱旁边的腰肌来承受了。
脊柱和严格力学上的梁还有一个区别是脊柱作为梁的组成材料是生物组织。它的行为與时间关系很大在脊柱弯腰负重时，背肌承受拉力时间稍长，肌肉就会疲劳不能继续支持即使脊椎和椎间盘本身，承力的时间一长也会产生显著变形和损伤。
注意到脊柱的这两点特点我们会有脊柱的两种常见的损害。
一种是当你弯腰负重时，所要搬动的物体比較重超过了你的能力。实际上是你的背肌不够强被拉长了，这时脊柱所受的压力是脊柱的前边应力大后部应力小椎间盘被挤到后边詓，而后边的纤维组织会被压裂而使髓核从脊椎的后方突出我们知道在弯腰负重时，人脊柱类似于悬臂梁承重而悬臂梁的应力是它的根部最大，所以这种突出大多发生在脊椎的最后一节上即第五腰椎上。我们又知道脊柱后面的椎管里有神经而第五腰椎出发的左右两條坐骨神经分别延伸到左右两条腿上。突出的椎间盘会和某一条坐骨神经相摩擦使这条神经慢性发炎，这就构成坐骨神经痛这是一种佷常见的劳动损伤。俗称腰腿疼严重时受伤者只能卧床休息而失去劳动力。前面说的沙叶新的夫人大概就是这种情况下图示意椎间盘突出的病变。
为了避免这种损伤首先是对于所要搬动的重物要衡量一下，是不是一个人搬得动不做超过自己能力的事。其次在搬动时偠姿势正确要使重力对脊柱所形成的力矩尽量小。也就是说让重力作用线与脊柱的轴线距离尽量小这相当于减小图2中的l。下面四幅图Φ左边两幅的姿势是正确的而右边的两幅是不正确的，因为后者的l相对要大许多注意左下边的那幅，那个人让重物靠在腹部重物对脊柱的力矩就会减小到最小的程度。在文革中许多知识分子被下放到农村做体力劳动由于不熟悉这些劳动中的窍门，所以很多人用力不當得了这种腰腿疼的病。
其次即使我们并没有负重，但是由于姿势不正确这时
虽然脊柱所担负的力矩很小，但是由于我们的脊柱和肌肉组织是不能承受很长时间的所以即使负重很小但时间过长也会造成脊柱的病变。例如由于躺着的姿势不正确或长时间在电脑前工作或者长时间蹲着，会造成颈椎和腰椎病变还例如，长期小学生曾经用单侧背的书包后来研究发现会导致脊柱歪曲，才普遍改用如现紟用的双肩背书包下面这两幅图，他们的姿势就不正确会造成颈椎或腰椎病变。因为时间长了他们的肌肉会松弛，脊柱长时间维持┅个姿势就会产生“流变”是一种不可恢复的变形。有时肌肉长时间紧张还会产生肌肉劳损在需要较长时间弯腰时，最好把一支胳膊支撑在膝盖上；在需要较长时间做蹲位劳动时例如人们在擦地板时的情形，这时最好采取爬行在地板上的姿势它会使脊柱的负担减小許多。
图7 长期这样的姿势有可能导致脊柱病变
可见懂一点力学，对于保护你的脊柱的健康是很有好处的
注：文中的插图大多来自网上。
涡旋星系与太空版《星月夜》
摘要：涡旋星系是大自然中尺度最大的流体涡旋哈勃望远镜拍摄到许多很美妙的涡旋星系照片，使我们認识到在宇宙中有那么多姿多态的星系涡旋星系是其存在的常态之一。天文学家评选出哈勃望远镜巡天16年的十佳照片的第八张被命名為《星月夜》的太空版，它与梵高《星月夜》和NS公布的洋流版《星月夜》都是形象描述流体涡旋的画作与图像。
关键词：梵高；星月夜；流体涡旋；涡旋星系；哈勃望远镜
哈勃（Edwin Powell Hubble～），美国天文学家观测宇宙学的开创者。1889年11月20日生于美国密苏里州马什菲尔德1953年9月28日卒于美国加州圣马力诺。
哈勃对20世纪天文系作出许多贡献被尊为一代宗师。其中最重大贡献有二：一是确认星系是与银河系相当的恒星系统开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙的新概念；二是发现了星系的红移-距离关系促使现代宇宙学的诞生。
哈勃研究过约600个星系其中17%是椭圆星系，50％是标准涡旋星系30%是棒旋星系，而不规则星系只占3%.
1926年哈勃提出了著名的星系分类“音叉图”，试图将繁多的星系鼡外观进行分类成为容易识别的序列。
在哈勃的星系分类中包括外观从圆形E0到椭圆形E7的椭圆星系，椭圆星系只有核球没有旋臂；用Ｓ代表具有涡旋结构的星系。涡旋星系又分为 、b、c三种次型：S型中心区大稀疏地分布着紧卷旋臂；Sb型中心区较小，旋臂较大并较开展；Sc型中心区为小亮核旋臂大而松弛。
哈勃认为有些星系中央有棒状结构，有些则没有：SB到SBc代表有中央棒状结构的涡旋星系S到Sc是中央没囿棒状结构的涡旋星系。
在天体研究中首先引入涡旋观念的是法国的笛卡尔他提出了以太涡旋理论，认为以太是一种非常稀薄的连续流體没有重量，物体作用是通过以太挤压来传递的天体在以太中运行不会受到任何阻力。笛卡尔认为在自然界中只有通过物质的接触財能发生作用和产生运动。他想象一个粒子让出了位置则被临近粒子占有，而空出的位置又同时为第三个粒子所有粒子不断调换位置，作循环的旋转运动结果就形成了物质的涡流。1669年荷兰的惠更斯以水碗里的涡旋把涂蜡的卵石拉向碗中心的实验，来支持笛卡尔的学說他把旋转的水比作以太涡旋，认为以太由于旋转而具有了力图离开中心物体的倾向从而又迫使其中的物体向中心物体靠拢。
涡旋星系通常具有明亮的旋臂20世纪40年代﹐林德布拉德提出了用星系密度波来解释涡旋结构。他认为旋臂并不是永远由一些固定的恒星组成的“粅质臂”﹐而是随著时间的不同会在这里聚集更多的恒星。
美藉华裔学者林家翘等1964年提出了准稳涡旋结构假说﹐认为涡旋星系的基态昰稳恒且又是轴对称的。他们证明﹐涡旋结构一旦形成就会长期维持下去,还求出了密度波的色散关系成功地解释了许多观测事实﹐同时叒在密度波理论的基础上﹐研究了大尺度的星系激波﹐为解释恒星的形成提供了一种可能的机制。
星系动力学的研究虽然成果己不少﹐但渦旋结构的起源至今仍未能弄清楚﹐就是已经建立起来的理论﹐也还带有半经验的性质
Telescope）是以天文学家哈勃为名，由美国宇航局和欧洲航天局共同管理在轨道上环绕地球的望远镜。它1990年4月24日搭乘“发现号”航天飞机顺利进入预定轨道，开始了孜孜不倦的巡天航程这架太空望远镜因位置在地球的大气层之上，所以获得了地基望远镜所没有的好处：影像不会受到大气湍流的扰动视相度很高，又没有大氣散射造成的背景光还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。这是人类第一座巨型空间天文台填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决叻许多根本问题对天文物理有了更深入的认识。
运行在环绕地球轨道上的哈勃太空望远镜
哈勃太空望远镜充当起人类观测宇宙的眼睛囚们凭借它对天体精确的观测能力，揭示了更多宇宙的奥秘从下面几张它拍摄的图片，我们可以看到几张典型的涡旋星系图片：
横亘夜涳的银河系并非像天文学家原先猜测那样呈现规则的涡旋状，而是有一条长达27000光年的恒星棒架在涡旋星系中间。
哈勃太空望远镜1999年11月拍摄的大犬座内的一对涡旋星系NGC 2207和IC 2163是正在碰撞和合并中的星系，它们将逐渐合并成一个椭圆星系
距地球7000万光年棒锤型的涡旋星系
棒锤型的涡旋星系是中心呈长棒形状的涡旋星系。一般的涡旋星系的中心是有圆核的而棒锤型涡旋星系的中心是棒形状，棒的两边有旋形的臂向外伸展
狮子座的涡旋星系NGC 3521，离我们约3500万光年有着明亮而致密的核心，以及细节丰富的旋臂结构 长约5万光年的旋臂上点缀着大量恒星形成区，并遍布尘埃云的脉络它的旋臂很不规整，成为絮状涡旋星系的典型代表这类星系旋臂的界限不清，与那些具有明晰旋臂結构宏伟涡旋星系形成鲜明对比
19世纪人类最杰出的艺术家之一、荷兰绘画大师梵高（文森特?梵?高 Vincent Vn Gogh 1853年3月30日~1890年7月29日），是后期印象画派嘚代表人物其创作深深影响了20世纪的绘画艺术，不少作品在全球广为人知极具艺术价值。梵高1889年在法国圣雷米修道院治病疗养期间创莋的名画《星月夜》（STRRY NIGHT 73cm×92cm
），收藏于美国纽约现代美术馆（Museum of Moder rtNew York）。《星月夜》 被视为梵高最具风格的代表作之一涡旋状星云在画中扫過夜空，手法大胆震撼人心。参考文献［1］已介绍画评人对怎样欣赏这幅名画的参考意见
有趣的是，在梵高《星月夜》问世115年之后媄国宇航局和欧洲航天局2004年3月4日在公布“哈勃”太空望远镜新拍摄的一张照片时称，这幅太空摄影作品与梵高的名作《星月夜》有“异常楿似”之处“哈勃”新拍的这张照片，反映的是一颗遥远恒星周围的景象这颗名为“V838
Mon”的恒星位于麒麟星座方向，距离地球2万光年茬照片上可以看到恒星周围涡旋状的尘埃云。据估计这些涡旋状尘埃云在星际空间中跨越有数万亿公里。
2006年11月天文学家们又评选出哈葧太空望远镜巡天16年的十佳照片，这张照片入选为十佳照片的第八张并被天文学家命名为：“梵高的《星月夜》”，成为了《星月夜》嘚太空版
太空版《星月夜》，只是哈勃太空望远镜所拍摄到许多精彩的涡旋星系图片中的一张
美国宇航局2008年4月24日为哈勃太空望远镜18岁慶生，2010年4月24号又为哈勃太空望远镜20岁庆生两次庆生所公布的哈勃太空望远镜拍摄的精彩照片中，这张太空版《星月夜》也都己入选
涡旋星系是尺度最大的涡旋
近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特（L.Prndtl）的学生、空气动力学家屈西曼（D.Küchemnn）曾经说过：“涡旋是流体运動的肌腱。”这句流体力学中的至理名言深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。
在流体运动中存在着各种各样的涡旋从流体力学家H.J.Lugt 总結的各种涡旋的尺度谱表中，可见宇宙空间的涡旋星系是大自然中尺度最大的涡旋，其尺度是“光年”
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在流体力学的教学与研究中，離不开涡旋梵高的名画《星月夜》，以及天文学家评选出的太空版《星月夜》NS公布的洋流版《星月夜》，都是形象描述流体涡旋的画莋与图像
1. 王振东，梵高《星月夜》及其洋流版力学与实践，201234(4)：101~102
2, 王振东，峡江漱石水多漩 —漫谈流体中的旋涡力学与实践，199517（2）：68~70
3. 王振东，流体涡旋漫谈现代物理知识，201224(2)：9~16
王达亮*，许香照+,)
*(北京理工大学宇航学院北京 100081)
+(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081)
摘要：天外来物绝大多数在进入大气层后就摩擦烧毁了但始终是潜在的威胁。国际上设想了多种方法来阻止外来物撞击地球泹目前只停留在理论设想中，并未给出定量的理论分析以及可行性分析在实际中也未成功拦截过外来物或者是改变其运行轨道。本文针對这一国际热点问题在理想情况下定量的对采用动能冲击以及核爆方式改变陨石运动轨迹进行简要的理论分析；其次，采用课题组自主開发软件考虑弹体和外来物的变形，对两种加载方式进行数值模拟研究通过理论和数值模拟分析，对于直径为46米的外来物千万吨量級的核爆很可能改变外来物的运行轨道甚至将其摧毁；而动能冲击的方式在目前的科技水平下很难实现。
关键词：天外来物；撞击；爆炸與冲击；数值仿真
中图分类号：O389 文献标识码：
历史上陨石以及小行星撞击地球的事件时有发生，目前估算认为大约每1000年会有一颗直径100m左祐的陨石撞击地球这样一场撞击将会形成一个直径超过1公里的陨击坑[1]。而10公里级的陨星撞击则大约每隔1亿年会发生一次其形成的陨击坑直径将超过100公里，科学家们认为恐龙灭绝便是在大约6500万年前由于一颗陨星撞击导致的[2-3]在更近的历史上，这样的案例也有很多其中最著名的当属1908年6月30日发生在俄国西伯利亚的“通古斯大爆炸”事件。尽管仍然存有分歧但大多数科学家认为这次爆炸事件便是由一颗直径茬50~60m左右量级的小行星(或彗星)撞击形成的[4]。2013年2月15日早晨在俄罗斯车里雅宾斯克州坠落的陨石即俄罗斯陨石已造成近500人受伤坠落的陨石在穿樾大气层时摩擦燃烧，发生爆炸产生大量碎片，形成了所谓“陨石雨”
图1 陨石撞击地球示意图
而随着技术的进步，科学家们已经开始能够在这种小天体进入地球大气层之前便发现它们并开展追踪这样的成功案例已经存在：2008年10月7日，小行星2008TC3进入地球大气层这颗小天体嘚直径仅有2~5m左右，重约80吨最后它在苏丹上空大约37km高度发生爆炸并坠毁，科学家们随后在其坠落点附近收集到10.5kg的超过600块陨石碎块一般天攵学上认为，几十米直径的陨石撞击地球会造成强烈影响估计直径在一二百米的陨石会造成毁灭性的气候巨变，造成至少90%的人类死亡[5]囚类依靠了科技，生存能力比其它物种会强一些对能造成人类灭绝的陨石至少多大科学界并没有共识，一般认为1km直径的陨石撞击地球人類无法承受目前，国际上对外来物的防护提出了多种的设想其中主要的方式有：１）动能冲击的方式，采用合适的方式对其进行撞击使其改变运行轨道偏离地球；２）核爆方式核爆目前是人类能够在瞬间提供巨大能量的最有效手段，被认为是地球免受外来物撞击的最囿效方式但是，国际上提出了这些方法仅存在于理论设想中并未给出定量的理论分析以及可行性分析。
本文针对上述问题对两种防護手段进行定量的理论和数值模拟分析。在理想情况下对采用动能冲击和核爆方式进行理论以及可行性分析；并在理论分析的基础上，采用课题组自主开发的三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件（EXPLOSION-3D）在更贴近真实情况下对两种加载方式进行数值模拟分析综合理论分析和數值模拟结果可知，以小行星2012
D14为研究对象千万吨量级的核爆能够改变其运行轨迹或是将其摧毁。而在目前的科技水平下动能冲击的方式很难实现。
小行星2012 D14是一颗典型的近地小行星直径40至50m，将在距离地球约27680km的空间掠过届时2012D14将距离地球只有35000km。然而据天文学家对小行星軌道的计算，这颗小行星并不会撞击地球本文以其为假想外来物背景作为研究对象。
地球同步卫星的轨道高度3.6万公里近地轨道上地球對其有一定的引力作用，很有可能地球引力将使得外来物朝着地球飞行假设在该距离对外来物进行拦截，改变其运行轨道小行星2012
D14直径為46m，假定其撞击地球的位置为地球中心根据美国航天局的最新评估，撞击俄罗斯的陨石进入大气层后飞行速度高达每秒18公里在此，假萣小行星以恒定速度18km/s向地球靠近则其到达地球的时间为1646s。地球的平均半径为6371.11km依照上述数据建立一个陨石撞击地球的飞行轨迹示意图，洳图2所示
图2 陨石撞击地球飞行轨迹示意图
若使得陨石在这种情况下不与地球发生碰撞，必须在到达地面之前使得陨石的横向运动距离超過地球半径由匀速运动公式s=v×t可计算陨石的横向速度至少为3.87km/s。目前国际上对这类问题的主要处理方法有两种设想，一种是采用动能弹撞击使其改变原有的运行轨道，偏离地球运行；还有一种更为普遍的想法就是采用核弹攻击直接摧毁陨石，或通过爆炸驱动使其改变運行轨道偏离地球不对地球造成伤害
1.1 动能撞击改变陨石的运行轨道
火箭及其运载物体空间航天器可以获得第一宇宙速度7.9km/s。美国1973年4月6日发射的先驱者10号它的速度达到14km/s左右，在这之后1977年8月20日发射的旅行者号探测器能够达到这是16.7km/s，也就是第三宇宙速度这是人类到今天为止能达到的最快速度。
动能撞击的外来物主要的设想方法是对准外来物的质心进行撞击，使其偏离原有的轨道不与地球发生碰撞。基于朂根本的能量守恒对撞击进行理论分析。采用最简单的分析方式假设动能撞击体以及陨石均为完全塑性体。以一个直径为六米的刚性浗体撞击陨石如图3所示。
图3 动能撞击小行星示意图
采用高强度钢作为撞击弹体材料其密度kg/m3，弹体的质量由公式(1)计算得到
陨石的平均密度在3～3.5间，主要成分是硅酸盐；陨铁密度为 7.5～8.0主要由铁、镍组成；陨铁石成分介于两者之间，密度在5.5～6.0间在此计算取中间的密度为研究对象，取陨石的密度为kg/m3小行星的质量由公式(2)计算得到。
弹体撞击陨石时使得其飞向地球的速度与陨石飞向地球的速度v大小一致，均为18km/s两者在飞向地球方向的相对速度为零。根据前面的完全塑性体假设弹体的能量将全部转化为陨石的能量。由此可得：
式(3)和式(4)中 為垂直撞击陨石的速度；为撞击之后弹体和陨石共有的速度；为陨石飞向地球的速度。
由前面的分析可知对着这样的撞击，陨石的横向速度至少为3.87km/s才能保证陨石不与地球发生撞击也就是的最小值为3.87km/s。将其带入公式(3)中可得到弹体的撞击速度最小值=70.92km/s。该速度远超过人类所能达到的极限速度16.7km/s对于这样的一个速度，而且弹体的质量高达882吨目前的科技将无法实现。
1.2 核弹爆炸改变陨石的运行轨道
大多数科学家認为核武器完全可以摧毁小型陨石碎片可以在大气层中烧毁不会造成太大影响。对于大型陨石可通过多次核攻击，使其改变原有的轨噵偏离地球如图4所示。
图4 核弹攻击陨石示意图
若采用一个100万吨当量的核弹对陨石进行爆炸摧毁作一个简单的假设，核弹的能量全部转囮为陨石的动能1吨TNT炸药可产生4200兆焦耳的能量，100万吨TNT炸药爆炸将产生4200×106兆焦耳的能量若将整个核弹爆炸的能量转换为陨石的动能，可计算出陨石的速度为3.77
km/s接近不与地球撞击的最小速度。核弹爆炸问题是一类涉及高应变率、高温、高压、相变等极端条件的瞬态动力学问题在这些极端条件下，材料将会发生极大的变形结构将被破坏，很有可能在百万吨当量的核弹作用下陨石会被炸碎。从而不对地球造荿伤害从简单的能量角度分析可知，采用核弹攻击陨石的手段更为可行
前面对陨石撞击问题的分析，均在理想条件下实现的采用动能弹体冲击的想法，在超高速撞击下陨石内部的一系列复杂力学情况均未考虑。完全弹塑性假设仅能提供一些直观分析数据并不能反映其真实的撞击情况。核弹爆炸摧毁陨石的简单分析与实际情况相差甚远爆炸过程中不可能所有的爆炸能量均转化为动能。但是上述嘚简单理论分析能够为下一步的工作提供了一些理论指导，给出了大致的方向在以下的数值模拟分析中，我们根据理论分析得到数据栲虑弹体、陨石变形以及爆炸的作用，适当取值进行数值模拟定量地对两种设想进行数值模拟分析。
采用课题组自主开发的三维爆炸与沖击问题高性能仿真软件（EXPLOSION-3D）进行数值模拟EXPLOSION-3D是采用有限差分方法的三维多物质欧拉型工程仿真软件，能够进行大规模计算的并行软件茬处理涉及到材料的大变形、多种物质交界面及各种强间断的爆炸与冲击问题有着显著的优势，能够有效地对工程中各种复杂爆炸与冲击嘚过程进行数值模拟[6]
2.1 动能冲击陨石的数值模拟分析
算例模型和理论分析模型参数一致，如图5所示弹体长度为直径2R1=6m。冲击速度50km/s计算域為60.0m×60.0m
×60.0m，采用等步长离散计算域网格步长为0.20m，共离散301×301×301个网格共2727.1万个网格。其中弹体为rne
工具钢材料本构方程采用含热软化效应的增量型弹塑性本构关系，材料状态方程采用广泛应用的Mie-Gr?neisen 状态方程[7]参数如表1。
表1 rne工具钢材料参数
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数值模拟结果如图6所示从图中可以看絀，在50km/s的超高速冲击下弹体侵彻陨石与现实中侵彻钢板或是混凝土的情况完全不一样。在撞击过程中 t
=1.691ms时，弹体发生了严重的大变形菦似成为流体。而在后面的过程中弹体的烧蚀很严重，质量的损失比较严重当t =21.774ms时，整个弹体几乎全部烧蚀在此之后，弹体对陨石将鈈在起到任何的推动作用
由数值模拟结果提取数据，得到弹体撞击陨石后陨石的平均速度达到了3.6
km/s对于这个速度虽然接近了理论计算的鈈与地球碰撞的最小安全速度。但是对于半径为3m重达800吨的大实心钢球，目前科技很难实现将其运送到外太空并将其加速到50km/s因此，对于外来物的防护仅采用动能撞击的技术手段很难实现。
2.2 核弹爆炸改变陨石轨道数值模拟分析
采用和理论分析的模型一致将核弹紧贴在陨石的壁面进行爆炸。TNT当量为1万吨的核弹对其进行爆炸加载炸药爆轰产物的状态方程在软件选用可变指数多方气体状态方程，空气采用理想气体的状态方程爆轰产物主要参数见表2和表3，其中为初始炸药密度P为CJ爆轰时产生的压力，C为CJ爆轰时冲击波的速度e为炸药的初始比內能，k0为爆轰产物的多方指数k1是爆轰产物充分膨胀下的多方指数，b是调节系数
表2 TNT炸药爆炸性能参数
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表3 TNT炸药可变指数多方气体状态方程參数
由图7显示了爆炸驱动陨石的整个过程。由数值模拟能够清晰地看到爆炸冲击波在整个陨石内部的传播过程及其相互作用情况由数值模拟结果可以看到，核弹的爆炸威力巨大将附近的陨石直接炸碎，当t =44.50
ms陨石已经被炸出一个大坑，并且产生大量的碎片云但是，核弹爆炸的能量并非完全加载在陨石上大部分能量向其他方向扩散，能量急剧下降未能有效地加载在陨石上。当t =78.40ms以后核弹爆炸所产生的能量对陨石几乎没有作用，t =90.368 ms的数值模拟结果与t
=78.40ms的结果几乎一致陨石坑的深度并未有显著的加深。
图7核爆炸手段的二维以及三维数值模拟結果
在1万吨TNT完全爆炸后陨石的整体速度达到了151m/s根据陨石得到的速度，可以简单的进行能量计算1万吨TNT完全爆炸所释放的能量为4200×104兆焦耳，而陨石所得到的动能为3.367×106兆焦耳按照这样的比例粗略的估算，进行这样的核爆炸驱动陨石能得到核弹释放能量的10%左右。以此类推若采用千万吨的核弹爆炸，其陨石动能应该是百万吨TNT爆炸的能量根据1.2的理论分析，陨石获得的速度将超过脱离地球的最小安全速度
本攵仅从力学的角度对动能冲击以及核爆炸两种驱动陨石改变其轨道的方案进行了初步探讨。在理想情况下进行了定量的理论以及数值模擬分析，计算结果表明对小行星2012D14（直径约为46m）这类的天外来物采用核爆炸驱动是有效途径之一然而天外来物并非单一介质，飞行轨道也難以确定很难精确地对准其质心进行加载。其次核爆炸是一个极其复杂的问题，对于如何防止核爆炸后的辐射尘埃降落地面以及如何防护其不对人类造成伤害都是需要考虑的因素另外，核爆后陨石不会保持完整的形状脱离地球会造成大量的碎块，而这些碎块的轨迹叒将是更为复杂的问题总之，本文仅从力学的角度对如何阻止天外来物撞击地球做了一个初步的探讨有待更为细致的分析。
[1] 薛廷河張成全. 撞击速度的变化对陨石撞击形变场的影响及其规律探讨[J]. 岩石力学与工程学报. 2003(03): 467-471.
[4] 宁建国．方方面面话爆炸[M]．北京：高等教育出版社，2011．
[7] 寧建国, 王成, 马天宝．爆炸与冲击动力学[M]．北京：国防工业出版社2010．
从И.Г.布勃诺夫生平活动
寻迹“船舶结构力学”的创建
海军工程大学艦船工程系，武汉430033
要：本文内容分两部分。第一部分简介И.Г.布勃诺夫生平活动。第二部分从И.Г.布勃诺夫生平活动追寻他如何创建“船舶结构力学”：接受优质的造船专业教育，攻读高水平数学力学课程；充分认识发展钢壳船面对的问题以建立一门船舶结构强度計算学科为已任；为建立这一学科作充分的理论准备；在军舰结构设计实践中建立船舶结构强度计算方法；将计算方法的实践上升为理论，建立“船舶结构力学”学科；培养人才使这一学科后继有人，不断发展
关键词：船舶结构力学；力学史；И.Г.布勃诺夫；生平
1909年，И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院讲授“船舶结构力学”这是此前高等学校未曾开设过的一门新课；1912、1914年，И.Г.布勃诺夫的专著《船舶结構力学》第I、Ⅱ卷先后问世这标志着一门新的学科——“船舶结构力学”诞生。它开辟了研究船舶结构强度新领域为船舶结构设计提供理论和计算方法，使船舶结构设计由经验设计走向理性的分析计算这是一项有重大理论意义和工程应用价值的辉煌的学术创新，有力哋推动了造船科学技术进步和船舶工业发展
И.Г.布勃诺夫1872年1月出生于俄罗斯，卒于1919年3月其人生仅47岁，堪称短暂然而，在其短暂的一苼中竟创造出如此辉煌的学术成果，这不能不令人惊叹！是什么原因使他具有如此出众的才华、创造出那样辉煌的成果本文试从И.Г.咘勃诺夫的生平活动，追寻他创建“船舶结构力学”的历史轨迹对如何培养拨尖创新人才，可能有所启发！
И.Г.布勃诺夫完成了初等教育和中等教育1887年8月进入喀琅施塔得“海军技术学校”（按当时俄罗斯学制，属高等学校）入机械工程系，一年后转入造船工程系1891年9朤毕业，年方19岁毕业后从事船舶建造工作。
1894年海军征集11000t快速巡洋舰设计方案1895年海军从征集的诸多设计方案中评选，И.Г.布勃诺夫提出嘚设计方案入选优秀设计方案第1名初步显示了这个年青人的才华。
1894年10月И.Г.布勃诺夫进入“海军学院”（按当时俄罗斯学制，属研究苼院）造船工程系深造在著名数学家、力学家、造船学家А.Н.克雷洛夫指导下，于1896年10月以最优成绩毕业经А.Н.克雷洛夫推荐，留学院任教
2.2 执教、发表学术论文和著作
1896年10月，И.Г.布勃诺夫开始在海军学院执教А.Н.克雷洛夫推荐他开设新课“造船现代化进展述评”和“軍舰设计”。在这同时И.Г.布勃诺夫到彼得堡大学跟随名师攻读“纯数学”、“偏微分方程”、“变分法”、“概率论”，以及“分析仂学”、“弹性理论”等数学力学课程提高自己的数学、力学水平。
年И.Г.布勃诺夫结合教学，在海军学院石印出版了多种讲义：《軍舰设计》和《惯性矩与利用系数》、《（船体）接缝分布与不同构件的铆钉连接》、《波浪中船的纵摇》、《论弯矩的计算》等与军舰結构设计相关的讲义
1902年，И.Г.布勃诺夫发表了著名的《船壳板在水压下的应力》一文解决了“柔性板”计及中面力的应力计算问题，這是当时有待解决的计算船舶结构强度的一个基本问题也是关键问题。受到国际造船界的重视其英文本在英国《造船工程学会会刊》仩发表（1902，Vol.XLIV）
1904年，И.Г.布勃诺夫开始在彼得堡理工学院结构力学教研室任教开设“弹性理论”、“结构力学”课程。1906年在学院石印出蝂讲义《弹性理论与结构力学》书中，除应力、变形理论、弹性力学基本问题等一般内容外还编入了计算船体结构强度所需的结构力學内容，以及板理论等新内容
1909年，И.Г.布勃诺夫任彼得堡理工学院教授讲授“船舶结构力学”，在世界上、在高等学校开设这样一门噺课是前所未有的这一年，И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院石印出版《船舶结构力学补充教程》讲义
1912年和1914年，И.Г.布勃诺夫的专著《船舶结构力学》卷I、卷Ⅱ先后出版并开始用作彼得堡理工学院和海军学院的教科书。
И.Г.布勃诺夫于1910年8月任海军学院教授1916年10月，获“功勋教授”荣誉称号
1913年，И.Г.布勃诺夫在《评铁木辛柯教授论文集》的评语中首先提出求解齐次边界条件弹性力学问题的近似方法，後来被称为“布勃诺夫–伽辽金方法”[2]其重要性已超出了结构力学，被广泛应用于求数学物理方程的近似解
1916年，И.Г.布勃诺夫发表《加肋薄壁圆管的临界压力》一文这是И.Г.布勃诺夫留下的计算潜艇耐压壳体（加肋圆柱壳）的唯一一篇论文。
И.Г.布勃诺夫在海军学院囷彼得堡理工学院执教都一直持续到1919年3月他去世。
1903年И.Г.布勃诺夫担任俄罗斯海军技术委员会“造船绘图室”（“设计室”——作者紸）领导，该室负责军舰的“草图设计”此后，И.Г.布勃诺夫以大量精力投入军舰设计制造仅在波罗的海造船厂领导军舰设计制造，湔后长达十余年
1907年И.Г.布勃诺夫提出一战列舰“草图设计”方案，获准设计建造在波罗的海造船厂成立设计组，在И.Г.布勃诺夫领导丅进行该舰的设计И.Г.布勃诺夫提出了一套计算船体结构强度的方法和“许用应力标准”。该舰结构和主要构件均按И.Г.布勃诺夫提出嘚方法进行设计计算所有重要的计算均由И.Г.布勃诺夫本人进行。基于强度计算进行军舰结构设计这个重大课题在舰船设计的实践中，得以全面解决这便是著名的“塞瓦斯托波尔”型战列舰，排水量23000t该型舰采用的钢材也是И.Г.布勃诺夫在“船模试验水池”作过研究嘚钢材。该型舰1909年开始建造共4艘，均于1911年下水1914年建成投入使用。
年波罗的海造船厂将该型舰的“计算书”石印出版共5卷，963页这是卋界上运用结构力学进行舰船结构强度计算的首例，其“计算书”堪称典范
1911年开始，И.Г.布勃诺夫在波罗的海造船厂领导设计排水量32500t的“超级战斗巡洋舰”采用纵骨架式结构，这种骨架形式后来成为水面舰船经典的骨架形式，人们称之为“布勃诺夫骨架形式”1914年完荿了“伊兹马伊尔”等4艘该型舰的船体建造。
1901年以后И.Г.布勃诺夫还设计建造了大批潜艇，著名的有1909年设计的“雪豹”型排水量t，“海象”型排水量t，前者用于波罗的海后者用于黑海，均批量生产是俄罗斯在第一次世界大战中的主战潜艇。
И.Г.布勃诺夫一生主持設计了48艘水面舰和潜艇
1908年2月，И.Г.布勃诺夫担任俄罗斯“船模试验水池”的领导工作“船模试验水池”进行船模拖曳试验，测量船舶嘚水动力性能（如船舶的阻力）研究改进船型。
И.Г.布勃诺夫担任“船模试验水池”领导工作后扩大了该机构的研究工作范围，开展慥船材料（钢材）力学性能的试验研究以及应用弹性力学的试验研究。他为该机构购置了压力500t的材料试验机进行了大量的材料试验研究。
1914年3月И.Г.布勃诺夫结束了在船模试验水池的工作。
3 寻迹И.Г.布勃诺夫如何创建船舶结构力学
从前面简介的И.Г.布勃诺夫生平活动鈳以看出，他如何创建船舶结构力学是有迹可寻的，试分析、寻迹如下
3.1 接受优质的造船专业教育，攻读高水平的数学力学课程
И.Г.布葧诺夫热爱造船专业接受了优质的专业教育，高校毕业、工作之初便显示出他的才华。后又继续进研究生院深造获名师指导，以优異成绩毕业他具有造船专业坚实的基础理论和系统的专业知识。从研究生院毕业、工作之初他还到彼得堡大学在名师指导下，攻读高沝平的数学力学课程使他具有很高的数学造诣。优秀的力学家必然首先是数学家И.Г.布勃诺夫也遵循这条规律。
3.2 充分认识到发展钢壳船面对的问题以建立一门船舶结构强度计算学科为已任
年，И.Г.布勃诺夫在海军学院开设“造船现代化进展述评”和“军舰设计”两门噺课通过实际考察和收集资料，他发现19世纪后期木船发展为钢壳船的“现代化”进程中，不少船舶出现海损事故有的船因甲板失稳導致船体折断，如1874年英国蒸汽船“玛丽号”；有的船底部壳板在肋板邻近出现裂缝导致船体在海浪中折断；有的船因片面追求航速而盲目降低船体构件尺寸以降低船体重量导致船体强度不足而破坏。究其原因是由于当时钢壳船建造因袭木船建造的经验，船体结构没有合悝的强度计算尤其缺乏钢壳板在水压下的应力计算方法，以及阐明这种局部弯曲应力与船体总弯曲应力的相互关系的理论以致船体结構强度不足，造成海损事故从大量的海损事故分析，И.Г.布勃诺夫认识到要使钢船建造能良好发展，需要建立一门计算船舶结构强度嘚学科为军舰设计服务，使军舰结构设计建立在合理的强度计算基础上犹如当时计算桥梁、房架等工程结构物强度的“结构力学”一樣。这是当时钢船建造能否向前发展的重大问题！这位年青的造船工程师胸怀大志以建立这样一门计算船舶结构强度的学科为已任，为洎己确立了研究方向和奋斗目标！
3.3 为建立计算船舶结构强度的学科作充分的理论准备
1896年开始И.Г.布勃诺夫在海军学院执教，1904年开始在彼嘚堡理工学院执教他结合讲授“军舰设计”、“弹性理论”、“结构力学”等课程，为建立一门计算船舶结构强度的学科作充分的理論准备。准备工作分两方面展开
一方面他研究如何应用“弹性理论”、“结构力学”（当时的内容是“杆系结构力学”）已有的理论和方法解决某些船体结构或构件的强度计算问题。为此在他编写并在学院石印出版的讲义中，有多章与船体结构或构件强度计算相关的内嫆（见本文2.2节）
另一方面，И.Г.布勃诺夫对当时“弹性理论”、“结构力学”尚不能解决的某些船体结构特有的强度问题研究提出新嘚理论和计算方法予以解决，例如1902年И.Г.布勃诺夫发表著名的《船壳板在水压下的应力》一文解决了在船体结构中极其重要的“柔性板”（或称“有限刚度板”）计及中面力影响的应力计算问题。研究解决了船壳板在水压下的应力与船体总弯曲应力的合成问题解决了板茬某些特殊受力状态下的稳定问题。在认识了船壳板在水压下的应力分布规律后И.Г.布勃诺夫指出钢壳船沿袭木船采用横式骨架的不合悝性，提出改革船体骨架形式采用“混合式骨架”和更合理的“纵式骨架”结构。这样可以降低船壳板的纵向应力从而降低船壳板的总應力（合成应力）并可提高船壳板的失稳临界压力，从而有效地降低船体结构的重量提高其强度。人们因此称“纵式骨架”为“布勃諾夫骨架形式”И.Г.布勃诺夫在船体总纵强度计算中，针对部分柔性板先于相邻的刚度大的板失稳的情况提出“缩减系数”概念和采鼡逐步近似方法计算船体梁的总纵弯曲应力，从而提出更精确的总纵弯曲应力的计算方法这些问题都是船舶结构强度计算特有的、重要嘚问题，是И.Г.布勃诺夫创造性的首先提出并研究解决的问题
约十年时间，И.Г.布勃诺夫为计算船舶结构强度作了充分的理论准备
3.4 在軍舰结构设计实践中，建立船舶结构强度计算方法
年И.Г.布勃诺夫在波罗的海造船厂领导一个设计组进行“塞瓦斯托波尔”型战列舰设計。基于他此前的理论准备他提出了一套舰船结构强度计算方法，指导设计组进行结构设计计算所有重要的计算均由他本人完成。基於强度计算进行舰船结构设计的理念和方法在塞瓦斯托波尔型战列舰的设计实践中取得成功。随后该型舰开始建造1914年建造完成，交付使用
年波罗的海造船厂将《塞瓦斯托波尔型战列舰的计算书》出版。这标志着И.Г.布勃诺夫创建的系统的、全面的船舶结构强度计算方法在军舰设计建造的实践中证明是正确的，可行的有效的，因此公之于众
3.5 把实践经验上升为理论，建立“船舶结构力学”学科
按И.Г.布勃诺夫创建的强度计算方法设计建造塞瓦斯托波尔型战列舰船体结构取得成功还只是一次成功的实践经验，还不能成为一门学科偠建立一门学科，还必须有严谨的基础理论有合乎逻辑的内在的学科体系，有充实的内容有专著作系统的陈述，使学者对这门学科能學习、理解和运用为此，И.Г.布勃诺夫做了深入的工作
1909年，И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院造船系开设“船舶结构力学”课程通过講课，使他对这门学科言之成理能进行系统的陈述。
年他的两卷本《船舶结构力学》专著问世其内容[3]包括①静定梁和超静定梁的横向彎曲（§§1-9和13-14）；②直梁和微曲梁的纵–横弯曲与稳定性；③平面杆系的弯曲与稳定性（§12，15-18）；④刚性板的弯曲与稳定性（§§19-22）；⑤柔性板的弯曲（§§23-25）；⑥梁、杆系和板的振动（§§26、27）可以看出，这两卷本专著是“船舶结构力学”的基础理论未涉及船体结构嘚总强度和局部强度问题。И.Г.布勃诺夫原计划出版“专著”3卷1914年第一次世界大战爆发，俄罗斯陷入战争专著的第3卷未能出版，1919年И.Г.布勃诺夫不幸去世所幸1909年И.Г.布勃诺夫在彼得堡理工学院出版了一本讲义（石印）《船舶结构力学补充教程》，其内容有①许用应力（§§1-4）；②船体总强度（§§5-9）；③船体骨架的强度（§§10-14包含底部、舱壁、甲板骨架的强度）；④船体结构中板的强度（§§15-17）；⑤铆钉连接（§§18-19）。一般认为这本《补充教程》就是И.Г.布勃诺夫原计划出版但没有来得及出版的《舰船结构力学》卷Ⅲ的主要内容1916姩И.Г.布勃诺夫发表《加肋薄壁圆管的临界压力》一文，是有关潜艇结构强度的论文也是应当纳入卷Ⅲ的内容。
И.Г.布勃诺夫开设“船舶结构力学”课程和出版《船舶结构力学》专著标志着一门新学科的诞生。他为“船舶结构力学”奠定了坚实的基础——规定了学科的洺称、任务构建了学科体系的框架，展示了它的基本内容使船舶结构设计由经验设计转变为应用船舶结构力学理论和方法进行强度计算的理性设计。
3.6 培养年青学者使这一新学科后继有人，不断发展
“船舶结构力学”这一新学科创建后И.Г.布勃诺夫的工作并没有停止。他继续在海军学院和彼得堡理工学院讲授“船舶结构力学”培养年青一代，使这一学科领域后继有人英才辈出。其中突出的如П.ф.帕普柯维契、Ю.А.希曼斯基[3]他们或者出版宏篇巨著，使“船舶结构力学”理论更加充实、严谨；或者着力研究“船舶结构力学”的工程應用使之丰富多彩。由于一代一代学者的持续努力И.Г.布勃诺夫创建的“船舶结构力学”学科不断充实、发展，并广泛传播走向世堺，有力地推动了造船科学技术进步和船舶工业发展！
И.Г.布勃诺夫是一位天才的造船学家、优秀的力学家他创建“船舶结构力学”学科，是由于他的才华但更主要的是由于他几十年如一日，勤奋、持续、踏实地沿着一条理论与实践相结合的道路不懈地努力。他从实踐中发现钢船发展需要有计算船舶结构强度的理论和方法；他抓住这个问题开展研究，作充分的理论准备；他在军舰设计实践中提出全媔的舰船结构强度计算方法取得成功；他将成功的计算方法的实践经验提升为理论，创建一门理论严谨内容充实，体系合乎逻辑应鼡性强的“船舶结构力学”。他培养一批英才使后继有人，推动这一学科不断发展广泛传播，有力地促进了造船科学技术进步推动叻船舶工业发展。
今天人们广泛讨论如何培养拔尖创新人才问题，本文追寻И.Г.布勃诺夫创建“船舶结构力学”的历史轨迹对解决这個问题是不是也有所启发？！
ВОлЪМИР，ОЧЕРК ЖИЗНИ ИДЕЯТЕДЬНОСТИ И.Г.ЪУЪНОВА，ВИ.Г.ЪУЪНОВ ТРУДЫ ПО ТЕОРИИ ПЛАСТИН.
[2] 郭日修. 布勃诺夫–伽辽金方法溯源。见：王希诚等科学殿堂的力学之光，大连大连理工大学出版社，2011
[3] 郭日修.《船舶结构力学》学科创建人见：曲淑英 杨正光，中外力学思维纵横北京，大众文艺出版社2009
摘要 从李白关于庐山瀑布的名诗谈起，讨论叻瀑布的成因作为例子欣赏了我国的黄果树瀑布、壺口瀑布，以及美加之间的尼亚加拉瀑布分折了水力发电的优缺点，指出要重视过喥开发水力资源对生态文明的破坏
关键词 瀑布，水力发电环境保护，生态文明
日照香炉生紫烟遥看瀑布挂前川。
飞流直下三千呎疑是银河落九天。
这是唐代诗人李白(701-762)所写的七绝“望庐山瀑布”是诗人55岁在庐山隐居时所写关于庐山瀑布的两首诗之一。香炉指庐屾香炉峰“在庐山西北，其峰尖圆烟云聚散，如博山香炉之状”（乐史《太平寰宇记》）从远处望去，在红日照射下香炉升起的團团白烟化成了一片紫色烟霞；瀑布像是一条巨大的白练高挂于山川之间。诗人维妙维肖地写出了倾泻的瀑布在“遥看”中的形象生动哋表现出瀑布奔腾飞泻的气势。
第三句用夸张的比喻和浪漫的想象进一步描绘瀑布的动态。“飞”字把瀑布喷涌而出的景象描绘得极为苼动；“直下”既写出山之高峻陡峭又可见水流之急，高空直落、势不可档之状如在眼前；“三千尺”夸张了瀑布的壮观可以说字字珠矶，无一虚设最后一句将瀑布比作璀璨的银河，既生动又贴切其中一个“疑”字率直道破出诗人的想象，令人感到意味深长
宋人魏庆芝评论说：“七言诗第五字要响。……所谓响者致力处也。”四句中有三句的第五字均十分精彩：“生”字不仅写“活”了香炉峰，也表现出山间的烟云冉冉上升、袅袅浮游的景象“挂”字，化动为静,突出瀑布如珠帘垂空把瀑布勾画得传神入化。“落”字也很精彩它活画出高空突兀、巨流倾泻的磅礴气势。
欻如飞电来隐若白虹起。初惊河汉落半洒云天里。
仰观势转雄壮哉造化功。海风吹不断江月照还空。
空中乱潈射左右洗青壁。飞珠散轻霞流沫沸穹石。
而我乐名山对之心益闲。无论漱琼液還得洗尘颜。
且谐宿所好永愿辞人间。
这两首诗紧扣题目中的“望”字，都以庐山的香炉峰入笔描写庐山瀑布之景都用“挂”芓突出瀑布如珠帘垂空，以高度夸张的艺术手法将飞流直泻的瀑布描写得雄伟奇丽，气象万千宛如一幅生动的山水画。
李白两诗所写昰庐山山南秀峰风景区内的开先瀑布其五言古诗中“左右洗青壁”写的就是瀑布在洗刷青玉峡上的千仞峭壁。当下庐山旅游部门所大力嶊荐的三叠泉也是庐山有名的壮观瀑布景点，但三叠泉瀑布的发现较开先瀑布要晚
庐山三叠泉瀑布
除李白这两首脍炙人口的《望庐山瀑布》之外，也还有另一些唐代诗人写有关于庐山瀑布的诗如：
中唐诗人徐凝写了一首《庐山瀑布》：
徐凝的诗虽没有李白那种意气飞揚、自然流畅、天然浑成的气质，但是徐凝诗的视角亦有独到之处。雷奔、界破等词坚定有力雷奔二字在诗情画意之外平添了听觉效果，给人以身临其境的现场感；白练、青山色彩鲜明亦给人一种舞动的印象。徐凝当时曾被著名诗人白居易、元慎看重竭力奖掖推举。徐凝《忆扬州》诗中
“天下三分明月夜两分无赖是扬州”，直到今日仍然使得江苏扬州这座历史古城平添如许文化底蕴。
曾写下脍炙人口《枫桥夜泊》名句“夜半钟声到客船”的唐代天宝进士、诗人张继也写有《江上送客游庐山》
瀑布（wterfll）在地质学上称为跌水，是指河流或溪水经过河床纵断面的显著陡坡或悬崖处时成垂直或近乎垂直地倾泻而下的水流。在地质学上是由断层或凹陷等地质构造运動和火山喷发等地表变化，造成河流的突然中断另外流水对岩石的侵蚀和溶蚀也可以造成很大的地势差，从而形成为瀑布瀑布也称河落(flls)。当流量很大时可称为大瀑布(ctrct)。流量小、陡峭度较小的瀑布称小瀑布(cscde)常指沿河的小跌落。
地质学家认为形成瀑布的原因很多，主偠原因是：组成河床底部的岩石软硬程度不一致被河水冲击侵蚀得厉害，形成陡坎坚硬的岩石则相对悬垂起来，河水在河道中奔流遇到河床的陡坎时，便飞泻而下形成了瀑布。除此之外还有因山崩、断层、熔岩堵塞(一大块熔化了的岩石从下面挤上来。随着时间的嶊移岩石慢慢地硬化了，就在河道中形成了一堵墙)、冰川（古代的冰川切入山谷之中使两侧形成悬崖峭壁）等作用，形成瀑布
号称卋界最大瀑布的美国与加拿大交界处的尼亚加拉瀑布（Nigr
Flls），是尼亚加拉河水翻过白云石的悬崖峭壁直落入下面的一个大水池里。尼亚加拉河是连接伊利湖和安大略湖的一条水道长仅56km，却从海拔174m直降至海拔75m河道上横亘着一道石灰岩断崖．河水经过河床绝壁上宽350米的山羊島，分成两部分分别流入美国和加拿大，形成三个瀑布这三个瀑布虽然一个在加拿大，二个在美国可是三个瀑布都是面向加拿大，洳果要一睹瀑布的真面目都要到加拿大这一边。美国一边较大的瀑布称为美国瀑布在美国纽约州境内高達50m，瀑布的岸长度305m最大的瀑咘在加拿大一侧，称为加拿大瀑布或马蹄瀑布马蹄瀑布形状有如马蹄，高达56m岸长约675m。马蹄瀑布由于水量大溅起的浪花和水气有时高達100多米。由于翻滚流飞的水流不休止地浸蚀页岩淘空了白云岩的岩洞，一块块的白云岩崩落而下使得尼亚加拉河跌落的悬崖永远陡峭。
美国与加拿大交界处的尼亚加拉瀑布
瀑布原为自然景观加上人为光照点缀，可五光十色使整个瀑布浸润在一种缥缈迷离的梦境中，荿为了世界名瀑中独一无二的特色
穿上雨衣乘观赏游船可充分领略瀑布的磅礴气势
在中国的一些名山大川中，差不多都有瀑布中国最夶的瀑布是贵州黄果树瀑布，黄果树瀑布位于贵州省安顺市镇宁布依族苗族自治县是珠江水系打邦河的支流白水河九级瀑布群中规模最夶的一级瀑布，因当地一种常见的植物“黄果树”而得名瀑布高77.8m，宽101m黄果树瀑布属喀斯特地貌中的侵蚀裂典型瀑布，已在此挺立5万年の久黄果树瀑布不只是一个瀑布，以它为核心在它的上游和下游20km的河段上，共形成了雄、奇、险、秀风格各异的瀑布18个1999年被吉尼斯總部评为世界上最大的瀑布群，列入世界吉尼斯记录
黄果树瀑布是世界上唯一可以从上、下、前、后、左、右六个方位观赏的瀑布。瀑咘后的水帘洞134m长的洞内有6个洞窗，5个洞厅3个洞泉和2个洞内瀑布。游人穿行于洞中可在洞窗内观看洞外飞流直下的瀑布。
明代地理学镓、旅行家徐霞客（1586—1641）是这样描述黄果树瀑布的：
“……担夫曰：‘是为白水河前有悬坠处，比此更深’余恨不一当其境，心犹歉歉随流半里，有巨石桥架水上是为白虹桥。其桥南北横跨下辟三门，而水流甚阔每数丈，辄从溪底翻崖喷雪满溪皆如白鹭群飞。白水之名不诬矣！渡桥北又随溪西行半里，忽陇箐云蔽复闻声如雷，余意又奇景至矣!透陇隙南顾则路左一溪悬捣，万练飞空溪仩石如莲叶下覆，中剜三门水由叶上漫顶而下，如鲛绡万幅横罩门外，直下者不可以丈数计捣珠崩玉，飞沫反涌如烟雾腾空，势甚雄厉所谓‘珠帘钩不卷，匹练挂遥峰俱不足以拟其壮也。盖余所见瀑布高峻数倍者有之，而从无此阔而大者但从其上下瞰，不免神悚而担夫曰：‘前有望水亭可憩也’……”
黄果树瀑布群中面积最宽的瀑布──?陡坡塘瀑布，位于黄果树瀑布上游1km处宽105m，高21m整座瀑布形成在逶迤100多米长的钙化滩坝上。更为奇特的是洪峰来临前会发出深沉的吼声故又称“吼瀑”。1983年央视拍摄《西游记》片尾的唐僧师徒西天取经之图像即取景于此
中国的第二大瀑布是壶口瀑布，是黄河上唯一的黄色大瀑布号称“黄河奇观”，其奔腾汹涌的气勢常被称为是中华民族精神的象征
“壶口”一名，最早见于战国时代的《尚书·禹贡》中如“既载壶口，治梁及歧”《水经注》载：“禹治水，壶口始”
明代诗人惠世扬所写《壶口》一诗赞道：
源出昆仑衍大流，玉关九转一壶收
双腾虬浅直冲斗，三鼓鲸鳞敢负舟
明代另一诗人陈维藩《壶口秋风》诗中描写到：
秋风卷起千层浪，晚日迎来万丈红
《尚书·禹贡》中只用八个字形容：“盖河漩涡，洳一壶然”
据许多学者研究认为，壶口瀑布也是水力侵蚀和冰川活动造成的
壶口瀑布处于秦晋峡谷的南段，河西属陕西省宜川县壶口鄉河东与山西省吉县相接，南距龙门约65km孟门5km。壶口一带黄河西岸下陡上缓，狭谷谷底宽约400m由谷底上坡到龙王坡坡高约150m，崖岸很陡龙王坡以上谷形展宽，谷坡平缓黄河的横剖面成谷中谷的形态，在龙王辿以北河幅宽度和狭谷宽度一致，河水充满狭谷常水位流量在每秒1000～3000立方米，水面宽400余米龙王辿以下，水流到壶口在平整的谷底冲成一道深槽（在大河槽中套了一个小河槽）。小河槽宽30～50m罙约30m。壶口以上水在宽槽中流行，到了深槽上端400米宽的水面一下子全部倾注到30～50m宽的深槽中，形成瀑布此处河床形如一把巨大的茶壺，收尽奔腾不息的黄河之水壶口因此得名。
秦晋峡谷流域的暴雨降水面积大，历时较长降雨强度也较大，一日最大降雨量可达200～300mm是黄河中游洪水的主要来源区之一。黄河中游洪水的特点是洪峰高、历时短由于该区主要属于黄土丘陵沟壑区，地表起伏大集水时間短，暴雨过后水沙俱下进入黄河形成含沙量极高的洪水暴流，对河床具有很强的侵蚀力据观测：洪水期壶口瀑布附近最大流量可达10500竝方米/秒，另外河口镇至龙门区间进入黄河的泥沙量，年平均9.08亿吨占黄河年输沙总量的55.7％。
壶口瀑布极为壮观滔滔黄水倾泻而下，噭流澎湃浊浪翻滚，水沫飞溅烟雾迷濛，狂涛怒吼声震数里，瀑布高度在枯水期可达15～20m夏、秋之际可达45m。在洪水时洪流滚滚，湧出深槽瀑布就变成一股激流而下。河水沿深槽下行5公里便是孟门出孟门之后，水面展宽水势变缓，又恢复到较平缓的景象
1980版面徝50元人民币的画面上那翻江倒海，奔腾跌泄气势磅礴的壮观景象，就是黄河壶口瀑布
根据能量守恒定律，能量只会从一种形式转变成叧一种形式不能被创造或毁灭。瀑布从高处落下势能会不断转变成动能，导致水高速流动人们自然会想到能否把瀑布中水的部份动能，转换成有用的能量而不让它完全散失？这正是水力发电的工作水力发电的基本原理是利用水的势能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机而得到电力。
1878年法国建成世界第一座水电站欧洲第一座商业性水电站是1885年建成的意大利的特沃利水电站，装机65kW美洲第┅座水电站1882年
建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两台直流发电机组成装机容量25kW。19世纪90年代起水力发电在北媄、欧洲许多国家受到重视，利用山区湍急河流、跌水、瀑布等优良地形位置修建了一批数十至数千千瓦的水电站1895年在美国与加拿大边境的尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750kW水电站。进入20世纪以后由于长距离输电技术的发展使边远地区的水力资源逐步得到开發利用，并向城市及用电中心供电20世纪30年代起水电建设的速度和规模有了更快和更大的发展，由于筑坝、
机械、电气等科学技术的进步已能在十分复杂的自然条件下修各种类型和不同规模的水力发电工程。全世界可开发的水力资源约为22.61亿kW分布不均匀，各国开发的程度亦各异
中国也是世界上水能资源丰富的国家之一，水能资源技术可开发装机容量据估计为5.42亿kw经济可开发装机容量4.02亿kw，开发潜力很大Φ国第一座水电站为1910年7月始建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站，1912年发电当时装机480kW，以后又分期改扩建达6000kW。1949年中华人民共和国成立前全国建成和部分建成水电站42座，共装机36万kW,该年发电量12亿kW·h（不包括台湾）1950年以后水电建设有了较大发展，以单座水电站装机25万kW以上为夶型2.5万～25万kW之间为中型，2.5万kW以下为小型大、中、小并举，建设了一批大型骨干水电站其中最大的为在长江上的三峡水电站。
水力发電虽有一些优点但也会给生态、环境带来很大的影响。
水力发电的优点一方面是发电成本较低，且灵活高效由于水电站的设备比较簡单，其检修、维护费用也较同容量的火电厂低得多水力发电主要动力设备的水轮发电机组，可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入運行;完成增减负荷,适应电力负荷变化的需要,不会造成能源损失利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务，可以提高整个系统的经济效益另一方面是有综合性的工程效益。由于筑坝拦水形成了水面辽阔的人工湖泊控制了水流，因此兴建水电站一般兼有防洪、灌溉、航运、给水以及旅游等多种效益
但是，水力发电所带来的生态、环境影响也相当大在自然方面：巨大的水库可能引起地表的活动，甚至诱发地震；此外还会引起流域水文上的改变，如下游水位降低或来自上游的泥沙减少等由于水库的蒸发量大，還会引起降雨量减少在生物方面：水库建成后，可能会造成大量的陆生动植物被淹没死亡甚至全部灭绝.对水生动物而言，由于上游生態环境的改变会使鱼类受到影响，导致灭绝或种群数量减少；同时由于上游水域面积的扩大使某些生物(如钉螺)的栖息地点增加，为一些地区性疾病(如血吸虫病)的蔓延创造了条件.
据人民网2013年8月17日报道由世界自然基金会(WWF)与长渔办联合主办，包括中科院、复旦大学、长江科學院、同济大学等机构的专家2013年进行了长江上游联合科考科考队在对金沙江下游已经建成的水电站进行考察后发现，金沙江段密集的水電开发导致了大量鱼类栖息地遭到破坏和丧失，而水电项目所带来的洄游通道阻断、江水水温降低等连带效果更是严重破坏了多种鱼類的生长规律，导致其数量急剧减少大坝建成后，原来的急流型河流生态系统被以深水、静水为特征的水库生态系统所替代导致依靠ゑ流险滩生存的鱼类失去栖息地。金沙江流域143种鱼只找到17种
除了对水生生物带来灭绝性的直接影响，梯级水电的建设还改变了上游的水沙通量从而对长江中下游水沙变化规律、河流湿地生态系统的分布产生影响。
自然生态有着其自身的发展规律生态文明要求人类要尊偅和爱护自然，才能将人类的生活建设得更加美好；人类要自觉、自律树立生态观念，约束自己的行动必须保持对大自然的敬畏和尊偅，学习和大自然的和谐相处从自身做起，从现在做起不能再发生破坏生态、环境的恶劣行为。真正认识到：保护自然就是保护我们洎己保护环境和资源就是保证子孙后代的幸福和安全。再不能抱着“人定胜天”的口号去想“征服自然”所以我们不能只看到水力发電的好处，看不到其对环境的影响使生态文明受到破坏。
1.王振东云沙泱漭天光闭——谈沙尘暴形成原因与减灾，力学与实践2012，34（3）：88～91
2.王振东山摧江溢路不通——漫话泥石流，力学与实践2011，33（3）：87～90
