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西學的代數作為思維工具的威力

 火.. [復制鏈接]
1#
發表于 2014-6-3 14:22:41 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式
(這個一個很久以前寫的帖子。)1 G0 E- J& i* }
5 P+ _! Y: ^& v1 i& d* K
想象一個密閉容器內儲存著很多空氣粒子,這粒子數量是如此的多,以至于你無法數的過來——它幾乎是無窮多的。現在讓你用一種方法,一下子描述這所有粒子的屬性,包括每個粒子的運動速度、它的溫度,它的質量等等。想象一下,這可能嗎?一下子將這兆億計的粒子的狀態都描述出來,這可能嗎?我們知道,即使是用思維想象跟蹤一個粒子的運動就已經很吃力了,要在腦中快速計算它的速度,和其它粒子碰撞后的運動方向,等等等等,更何況那數以兆億計的粒子——也就是說,那幾乎是絕對不可能的事。
5 }! x! C" ?. J, Y. z) }9 E, R. w9 \/ T; V9 T) s
但是,如果你掌握了代數這個思維工具,上面的事情卻是可以做到的。
9 d6 |: O$ Q) {: X5 V
4 S  T+ L" T% w. h( W, d" E我們假設這個容器是四方的,以它的左下角為0點,建立起直角三維坐標系,那么,這個容器內的每一個點,都將具有一個坐標:
  [0 `5 Z* Q) T+ l1 W( b+ I$ q" r' O1 o( j
我們將不跟蹤單個粒子,而只著眼于固定的坐標點。那么,在每一個固定的坐標點處,都必將對應著一個溫度數值,也就是:
1 k/ I' ?3 Q0 M% H. s2 [1 ]
- x' [& `  O5 T" S6 t# q1 _很多人以為這不過是個表格,是個對照表,其實它的真正名字應該叫“函數”,T是x,y,z三個參數的函數,用式子表示起來就是:
& c$ O% M5 e. ]- s2 n- x. P$ ?  `% Y% [7 L% ^: Y# ^
這是它的簡略形式。如果是詳細形式,很可能就類似于這種:
8 q3 N: ]  c4 S! Y) l' _. A# W- M7 G1 v5 R+ w
很多人都覺得這個式子很關鍵,覺得只有推導出了這種式子,才算完成了任務。但很多時候,這種式子是很難推導出來的。其實事實是,這個式子并不重要。我們只需要將上面那個表格,在坐標系里表示出來,也是可以的。它差不多相當于這樣:7 D! \4 Y- S# j4 I% n
/ L/ I7 b- @  r# p+ u/ ^0 ]
這是個三維坐標系,你捏住任何一個(x,y,z)坐標值,比如(1,1,1)這個點,然后你將這個圖象放大,你就會發現在那個點上,有著一個數,也就是該點的溫度:
$ j+ N) W, y+ j, }2 O/ X3 b4 [/ g9 }3 s. V
無論你捏著什么坐標,在那個坐標點上,總能找到一個唯一的溫度值。這就是函數。) s0 j5 l, Q7 }$ M9 w8 N. z+ z
3 \& }  n; d5 r3 L" l* O1 t
再來看前面那個函數式:
" I/ s2 m/ J, r+ y8 w+ u1 y  ?0 y! Z( Q4 N+ x/ d
它其實處于次要位置,但它卻有運算的功能。有了這個式子,你就可以利用起所有的代數方法,來研究這個密閉容器內的氣體性質。比如什么溫度梯度啊,全部點的不同密度啊,全部點的不同速度啊,等等等等,微積分也從而大派用場。6 }3 G" b" S+ P$ v0 N: G" Z8 I
+ c& I" w! I: s
你甚至可以描述炸彈爆炸后的溫度場,你可以用球面坐標,用T表示溫度,用r,θ,Φ來表示球面坐標點,寫下這個式子:
" q: y8 k& c2 o/ Q; b
* V# I  ]" H' ]) g3 D6 `) c( X然后做很多實驗,發現其中的物理規律,再用代數式描述出來,中間你會得到微分方程。然后通過解微分方程,最終你可能會得到T的完整表達式,就跟這種差不多:# z7 U; Y2 M7 {6 \( {& X
(弄錯了,里面的參數應該是r,θ,Φ,不過意思是一樣的……)
" |5 {- A2 S% C于是你就知道了一個以炸彈爆炸點為球心的,一個球形空間內的任意一點溫度的描述式。你只需將該點的坐標值代入上面這個式子就行了。
9 g" S: v* `. u1 R& c5 y: n7 _
' m' M( Z; i& l6 }# J你甚至可以用這么一個式子,用思維一下子先從總體上把握住整個地球體內的每個點的溫度值,然后再慢慢研究。它的應用是無限的。! x  j- ?3 z' ^7 s% `+ ]1 x
+ n; }) q: e3 R$ p+ w% C! U
很多人很看輕思維工具的作用,認為你想的再多,你理論再好……是吧。但是,你不妨想一想,想一個例子,比如原子彈;還有相對論,光線在經過大星球時會偏轉,這簡直純粹是理性思維的成果。如果這兩個例子有點遠,你也不妨設想一個簡單的機械結構,比如三層圓筒過盈裝配在一起,它們的公差,這個論壇里面,不知道有幾人能夠標出來。

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技術貼頂一下  發表于 2014-6-3 23:12

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參與人數 5威望 +5 收起 理由
動靜之機 + 1
fmdd + 1
zerowing + 1 想起了學霸福爾摩斯的思維宮殿,哈哈
把刀用好 + 1
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2#
發表于 2014-6-3 14:36:09 | 只看該作者
數值分析
$ @8 U/ U  H2 l6 c. `# I* S, \這是搞學術研究的基本方法。。。$ j: r3 G+ t! T" |8 ?, s! F4 B
3#
 樓主| 發表于 2014-6-3 15:46:33 | 只看該作者
本帖最后由 逍遙處士 于 2014-6-3 16:07 編輯
' Z. U6 w# _' E' [6 x
angel1399793 發表于 2014-6-3 14:36 $ i$ x; q# d+ S! q4 e
數值分析
( n2 b& P$ j0 B& v( p% A這是搞學術研究的基本方法。。。
2 O1 }7 @6 H) V3 S8 p- a' d8 k
后生可畏!! n1 H* j( Z7 E' d' j

3 R9 _5 z: I) I2 u
' Q9 B# u5 d9 q2 d( F; |& t8 t* M; ]' P; J
不妨看看此圖,可以看作是油缸的中間一段,由3層缸筒嵌套,由于長度對此題影響不大,故略去。; u2 ~( p1 q# X% W6 X3 Z; g' g# u
假設都為同種材料,屈服點為σs=400MPa,。請給出三個圓管外徑公差,使本油缸承受內壓達到最大。請注意,這個最大,指的是使缸筒任何一處剛剛達到σs即可,也就是安全系數s=1。等求出這個最大內壓后,再取一個安全系數,才得出安全使用的壓力值。
: s' \9 w- O' ?) I題目是一半實際一半理論,如果有不合理或自相矛盾的地方,及其它任何疑問,請提出。; G: u1 x/ [1 |
例如,問:為什么要這樣設計?( W/ R5 K, D7 s3 t) S
答:油缸不一定非要這么設計,這么設計的目地,一個是這種方法確實有增大承受內壓的作用,再個是為了讓大家一起來研究。# C8 q9 [/ f- L2 H' t9 ^0 D  _
問:實際有沒有這種例子?( Y% T. y, r( a4 i+ Y
答:有,聽說有兩層套筒的油缸,也有兩層套筒的炮筒。我們設為3層,是為了稍微增加點難度。其實還可以設為4層到10層,如果理論水平足夠的話。, B% p  g* g6 Y- g7 m* x* w

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4#
發表于 2014-6-3 16:09:12 | 只看該作者
這就是傳說的數學建模吧。
5#
發表于 2014-6-3 16:32:28 | 只看該作者
本帖最后由 亂影lyy 于 2014-6-3 16:36 編輯
8 a8 m. Z/ k: p$ L  c6 K# @3 a* G# Q9 S# G% ^
我是新手,提問一下
7 k. o7 W& O, `) [內徑標了H6為什么還要標+0.022/0??
" `7 j4 h4 Z$ p$ @" f( s8 V  y0 [H6不是已經表示出了公差帶的位置(H)和寬度(6,然后按內徑尺寸一查表就是到寬度多少了)了么?
0 B: y- E6 d6 i1 T, T8 `如果要作過盈,就照著書上的推薦選型找個就好了, m5什么的?

點評

兩個都標出來,是為了清楚明白,免得再去查表。6是公差等級。另外,這個問題跟您想的不是一碼事。不是簡單的過盈配合。  發表于 2014-6-3 16:42
6#
發表于 2014-6-3 16:49:48 | 只看該作者
貌似高深的理論,用趣味數學表達出來-----------科普!
7#
發表于 2014-6-3 16:53:18 | 只看該作者
天天跟油缸打交道,還真是沒有接觸到類似的問題。學習一下了,觀望中
8#
發表于 2014-6-3 17:13:46 | 只看該作者
逍遙處士 發表于 2014-6-3 15:46 7 r, h" b# ~( K2 \. r
后生可畏!

/ I7 R5 P3 K) i/ f+ N! p沒有手算,我就簡單說一下我的思路吧。
# G  e( m  j% X* c. R( N6 D
5 o$ ^) S: Y6 n1 V
0 {) `+ [1 W) r; k因為是均勻的內壓,故這個物理模型可以這樣建立:
3 K( R7 o4 w! R6 V任一徑向截面處法應力δF,δF由內壓F/截面積δS求得,內壓用微積分很容易算出,書上一大堆例題,截面積為鋼桶剖開后截面面積(如圖)/ g) ]7 c3 D: ^
這樣利用胡可定律,可以很容易求得線應變δl,這個應變就可以用作為鋼桶直徑的實際變化量了,9 b! \3 y4 A: u+ d  @6 _; J
/ v4 O" v5 Y% V( _# m9 A

4 P: z0 I( k* g3 {0 E2 m0 Z

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這也是吊耳的拉應力簡化計算方法,不過現在大多采用拉曼公式來處理了  發表于 2014-6-3 23:00
大俠這是正統的管線壓力校核法。哈哈  發表于 2014-6-3 22:20
大俠參考這個帖子:http://bbs.cmiw.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=337267  發表于 2014-6-3 17:35
這個線應變首先要填充一部分配合間隙,然后再均勻漲大外筒,外筒用內筒一樣的受力方法分析,解平衡方程即可  發表于 2014-6-3 17:17
9#
發表于 2014-6-3 20:24:15 | 只看該作者
最愛學術貼了
10#
發表于 2014-6-3 21:02:49 | 只看該作者
一個學科成熟的標志就是可以量化 拿電氣專業為例子  麥克斯韋方程組 就是一組偏微分方程  喜歡看這樣的帖子
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