内行看门道------《奥运中的科技之光》评介

奥运百年梦圆,举国一片欢腾. 媒体热闹非凡,书市空前活跃. 且看屏幕、书店,奥运题材、体育题材的,比比皆是,层出不穷. 虽说鱼龙混杂,但也涌现出一批经得起时间考验的上乘之作,笔者手头的《奥运中的科技之光》$^{[1]}$就是一本值得推荐的好书.作为中国力学学会``大众力学丛书'最先问世的一本(该丛书第一辑有5本),一上市,就受到了读者的热烈欢迎. 根据``中国图书出版网(www.bnpcn.com)'2008年7月16日的报道,在北京图书大厦(2008.7.7$\sim$7.13)销售排行榜中,高等教育出版社(蓝色畅想)的《奥运中的科技之光》在科普类图书中名列第二. 不久前,我们的力学科普代表团出访宝岛台湾,以大众力学丛书先出的三本书$^{[1\sim3]}$馈赠给那里的力学同行,他们爱不释手,争相阅读,最后作为奖品,发给两岸中学生力学竞赛的优胜者,《奥运中的科技之光》在彼岸也广受欢迎. 人们会问：为什么此书能在书海中脱颖而出？是什么吸引了读者有点苛刻的眼光？这里给大家细说端详.《奥运中的科技之光》脱胎于电视节目``科技与奥运'的解说词,这档节目由中央电视台、交通银行和武汉电视台联合摄制,此书收录的35篇作品由电视片的文字稿改写而成. 作者赵致真先生曾任武汉电视台台长,是一位资深的科教影视编辑、知名的科普作家. 一年前他受命担任节目主编之后,夙兴夜寐,奋战二百天,``几乎天天`三更暂眠,五更复起',先后披览了几百册中文和英文原版书籍,下载了海量的中外网页,`恶补'了一把体育运动知识$\cdots\cdots2008-8-72008-08-08https://pubs.cstam.org.cn/article/doi/10.6052/1000-0879-2008-393https://pubs.cstam.org.cn/article/exportPdf?id=mie_137837奥运;科技;评介;题材;体育/qk/93530X/200804/27976463.html上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海200072戴世强 http://lxsj.cstam.org.cn/CN/10.6052/1000-0879-2008-393上海大学上海市应用数学和力学研究所,上海2000721900-01-012008-08-10'(见作者的后记$^{[1]}$). 正因为有这样严谨、勤奋的精神,使他充分掌握了相关资料, 并殚精竭虑地加以提炼、剪裁,写成了一篇篇有力度的佳作.俗话说,``外行看热闹,内行看门道'. 就体育竞技而言,这里说的``内行'有两种. 一种是体育竞技实践及其技巧的内行,如教练员和运动员,也包括一些资深体育``粉丝',他们对一些体育项目的规律、技巧和要领了如指掌,或能运用自如,或能击节欣赏;另一种是体育科技的内行,如体育教授和经过``修炼'的体育科普作者,他们对体育项目的内在机理乃至体育设施的性能特点深有体会,因此,更能心领神会地把握体育竞技,欣赏它们的内在美.本文所说的内行指的是后一种,此书作者是这一意义下的内行.要掌握体育竞技的内在机理,需要掌握广博的知识,包括力学、物理学、机械工程学、人体解剖生理学、运动心理学等等,其中最重要的是力学. 正如武际可教授所说：``竞技体育运动的目标是更快、更高、更强,其中绝大部分都和力学有关,所以本书的主题大致上可以说是体育竞技与力学学科的关系. '$^{[4]}$. 读完了此书,读者会感受到力学的确无处不在.此书涉及体育科技的各个方面,大体说来,可分为两大类. 一类是运动技巧的力学原理,包括各类技巧的人体运动及其与运动客体的相互作用、运动客体的运行轨迹及其内在规律,例如,撑竿跳高握杆点的运行轨迹、各种跳高姿势的重心运移及其优劣分析、田径运动员的重心运动规律、投掷物(标枪、铁饼、铅球、链球等)的飞行力学、大小球(如足球、排球、乒乓球、网球等)飞行中的马格努斯效应产生的轨迹(香蕉球、飘球、弧圈求等)、游泳赛跑时所受流体阻力分析、赛艇帆船前行中的伯努利原理、跳水和体操动作中转动惯量控制、滑冰滑雪的力学机理等等;另一类则涉及运动器械和设施的力学和物理原理分析,例如,测时测距测速仪表的改进和原理、现代跑道的复合材料力学设计、球拍球鞋球衣泳装设计的力学原理、球场跑道的力学设计、防护用具的力学机理等等. 总而言之,本书全方位地勾画了与体育竞技有关的科学原理,真正做到了周光召院士的题词中所说的:``通过科学欣赏体育,通过体育理解科学'.此书付梓之前,笔者曾有幸通读过全稿. 听说此书作者毕业于中文系,因此,更以审慎的眼光关注书稿中涉及的科学内容,特别是有关的力学叙述. 令人拍案惊奇的是,从这一角度看来,全书几乎无懈可击. 可见作者的科学底子不薄,也可见他长期从事科普工作的功力. 全书构思缜密,叙述生动,文笔简练,行文流畅,读来引人入胜.综上所述,本书是一本不可多得的力学科普著作,无论哪一行读者,都会开卷有益. 让我们在享用奥运``盛宴'的同时,也来享用一下这份``配餐'吧！而且,如果你愿意,还可以一直享用下去.     

桩的静力荷载传递计算新方法简介

本文简要介绍用改进的传递函数法计算桩的位移、轴向压力、摩阻力、桩端阻力和其它静力受荷性能.推导出了一个运用简单积分的具体计算方法,使得许多复杂因素如分层土中各层土的不同特性、土参数随深度的变化,桩混凝土弹性模量在不同荷载下的变化,甚至不等截面桩,都能方便地考虑和计算,为桩的正确计算提供了理论基础.文中给出了静载试验实测结果,并同传递函数法计算值进行了比较,两者结果基本一致.     

具有随机路径的振动传递路径系统的随机响应分析

基于一般概率摄动有限元法,解决了具有随机路径的振动传递路径系统的响应分析问题.应用Kronecker代数,矩阵微分理论,向量值和矩阵值函数的二阶矩技术,矩阵摄动理论和概率统计方法,提出了振动传递路径系统的随机响应分析方法,在考虑工程中的不确定因素以后,在时域内清晰地描述了振动传递路径的随机响应.     

多输入多输出振动传递系统的模型及算法

本文在对多输入多输入振动传递系统进行结构分析的基础上，建立了该系统的网络模型和数学规划模型，给出了一种求振动传递总能量的基本最大流算法，并通过分析一简单实例说明此算法的具体应用。     

复杂网络及其新近研究进展简介

简单地介绍了近10年来蓬勃发展的复杂网络研究新领域, 特别是其中最具代表性的随机网络、小世界网络和无尺度网络模型及其基本参数和概念, 并简要地回顾了复杂网络理论在生物和大脑神经网络、流行病传播与免疫控制、交通与社会经济、无线通讯、计算机和互联网、传感器网络、语言学与社会科学以及群体活动和编队飞行问题中的分散控制、稳定性特别是一致性问题等方面的应用趋势.     

舰载导弹中的平台惯导系统在动基座上的初始对准

本文论述了在子平台粗对准后，利用载体姿态角度差传递对准法，精确估计子平台的姿态误差角、目标方位误差角和漂移率。载体姿态角度差传递对准法解决了子平台对准中的多个未知数的求解问题，并可自动消除载体姿态角传感器误差对其估计的影响。     

二维系统传递矩阵法

以薄板横向振动的振动特性问题为例提出了二维系统传递矩阵法. 从质点和无质量梁的传递 矩阵出发,建立了按列排列的薄板子结构的传递矩阵. 用二维系统传递矩阵法获得了整个板 的总体传递方程,从而可得到板在任意一种边界条件下的特征方程. 数值求解了两种情况下 薄板横向振动的固有振动特性. 计算结果表明,用该方法可用于研究类似薄板的二维系统的 动力学问题,且无需建立系统的总体动力学方程.     

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段,在国际上已经得到广泛应用。本文在回顾了大涡模拟(LES)的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果,同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例,指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。      

推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用研究

研究了推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用。在传递矩阵法的基础上，提出一种研究考虑推力轴承影响的轴承－转子系统的动力学的通用方法。研究中考虑了如下几个因素：（１）推力盘的静态倾斜；（２）转子的静变形；（３）径向轴承中负荷的重新分配；（４）偏载对径向轴承性能的影响；（５）推力轴承对系统稳定性的影响。研究结果表明，在某些情况下，推力轴承对径向轴承的动特性、转子的静挠度、系统稳定性等具有显著的影响     

振动试验与分析一体化系统简介

介绍了经多年努力研制出的集试件参数识别、试验控制、振动分析、故障预测与诊断、试验夹具设计及试件修改等功能于一体的振动环境试验与分析一体化系统,并对其中的主要创新点如试验夹具动力学设计、振动台参数识别等功能进行了简要的说明.     

捷联惯导系统传递对准两种滤波方法比较研究

将H∞滤波方法用于捷联惯导系统（SINS）空中动基座传递对准，并对卡尔曼滤波和H∞滤波应用于传递对准的鲁棒效果进行了比较研究。仿真结果表明，在有色噪声和白噪声强度较小时，两种滤波方法的滤波精度差别不大，但当有色噪声和白噪声强度较大时，卡尔曼滤波精度优于H∞滤波。换言之，卡尔曼滤波对于噪声的不确定性是具有一定的鲁棒性的，并且就估计精度而言，其鲁棒性优于H∞滤波，但H∞滤波的估计速度优于卡尔曼滤波。     

充液管道系统的模态分析

考虑管道与液体之间的泊松耦合与连接耦合,推导了低频情况下的充液直管轴向、横向振动传递矩阵与弯管单元的传递矩阵,引入了弯管弯曲因子.对一“L”形充液管系进行了研究,使用ANSYS有限元分析软件与传递矩阵法计算了两种边界条件下充液、充气管系的模态频率与模态振型.结果表明,气体与管道之间的耦合作用对管系模态的影响可忽略;而对充液管系而言,固液耦合作用不能忽略.     

一种直升机机载跟瞄系统被动隔振平台设计

隔振平台连接直升机机体与光电跟瞄吊舱,对机载跟瞄系统的跟瞄精度至关重要。采用多个笼形隔振器并联,设计了一种直升机机载跟瞄系统的被动隔振平台。由欧拉变换描述隔振平台的空间姿态,基于Lagrange方法建立隔振平台的动力学模型,获得了不同激振频率下隔振平台的振动传递率。利用ANSYS动力学仿真验证了隔振平台理论模型的正确性,校核了大过载情况下隔振平台的冗余保护能力。通过实际飞行测试,检验了隔振平台的隔振效果。     

捷联惯导系统传递对准误差模型降阶分析

针对捷联惯导系统(SINS)传递对准实际工程应用时的降阶建模问题,给出了速度匹配卡尔曼滤波器误差模型的降阶建模过程,分析模型降阶对传递对准误差估计精度的影响,通过将各状态量对滤波估计的影响等效成惯导系统的初始失准角,以量化的方式比较各状态量影响滤波精度的大小,从而为模型降阶提供依据.最后进行了数学仿真及试验验证,试验结果表明模型降阶方法是可行和有效的,降阶模型对失准角及陀螺漂移的估计精度能够达到模型降阶前的精度,达到了预期的效果,而且模型降阶后滤波器的计算量比降阶前减少了85%左右,大大提高了滤波器计算的实时性,满足实际工程应用的要求.     

几何非线性摩擦阻尼隔振系统动力学行为研究

非线性隔振系统由于具有较线性系统更优的隔振性能,因此在工程中应用广泛.本文通过配置与被隔振对象的运动方向相垂直的库伦摩擦阻尼器,构建了几何非线性摩擦阻尼模型.由于引入了几何非线性,因此其摩擦力与位移正相关,这与传统与位移无关摩擦力模型有显著不同.首先,建立了具有几何非线性摩擦阻尼的数学模型以及隔振系统的受迫振动方程;然后,使用谐波平衡法求解了动力学方程,并使用数值仿真方法验证了谐波平衡法求解的准确性;最后,研究了几何非线性摩擦阻尼隔振器的绝对位移传递率和相对位移传递率.研究结果表明,在库伦摩擦阻尼选择适当,非线性摩擦阻尼系统可以在保持高频振动衰减效果的前提下,显著降低系统共振峰,其性能优于传统的恒定摩擦阻尼隔振模型.同时,几何非线性摩擦阻尼系统能够避免传统摩擦阻尼系统中的“锁定”现象,从传递率角度来说,不利于共振峰控制;但从激励环境改变引发隔振系统失效的角度来看,几何非线性摩擦阻尼系统可以拓宽系统对激励幅值的适应范围,避免隔振系统失效.本文的研究结果对此类隔振系统的设计和摩擦阻尼参数的选择具有通用的指导意义.      

具有封严蓖齿转子系统的动力稳定性分析

封严蓖齿的气弹力对转子系统的稳定性起重要作用，本文建立了具有封严蓖齿的转子系统动力稳定性的分析方法，该方法利用传递矩阵法建立系统的主导方程，将封严蓖齿的气弹力以等效刚度及等效阻尼系数的方式引入转子系统的主导方程，用数值积分法解主导方程，求得系统的动力特性，根据扰动解判断系统的稳定性。本文所建立的分析软件，也可计算转子系统的不平衡响应、临界转速、突加不平衡响应等。文中对一模型转子进行了算例分析。     

惯性测量系统火箭橇试验振动传递特性

惯性测量系统火箭橇试验过程中,惯性测量系统根据试验要求安装于减振平板上,而减振平板通过金属减振器安装于橇体上。通过振动传感器实时测量和记录橇体、减振平板和惯性测量系统的振动和冲击信号,待试验结束后读取记录存储的数据并进行振动量级、振动传递和减振效果分析。提出了一种描述惯性测量系统火箭橇试验振动传递特性的方法,包括振动谱图例对比、振动谱比值对比和基于AR模型幅值修正的传递函数描述方法。通过对各部分数据进行比较,验证了数据处理方法的正确以及描述惯性测量系统火箭橇试验振动传递特性的有效性。     

舰载平台式惯导系统的传递对准

舰载子惯导系统在海上应急启动时需要利用主惯导的信息进行传递对准,以达到快速、高精度启动的目的.同时必须对惯性器件的某些误差进行标定和补偿,以满足舰载惯导系统需要长时间高精度导航的要求.文中对平台式惯导系统采用速度加姿态匹配传递对准方法进行了研究,建立了基于KaIman滤波器的传递对准滤波方程,并在实际系统中对所设计的方案进行了静态和跑车试验,验证了方案的正确性和工程应用的可行性.     

多体系统传递矩阵法在火炮动力学中的应用

基于作者提出的多体系统传递矩阵法，研究了其在火炮动力学中的应用，求得了某类火炮系统固有振动的频率方程振型函数的精确解析式，并给出了电算结果。     

一种转子系统冲击响应的计算方法—平均速度Newmark-Riccati传递矩阵法

基于平均加速度概念的传统Newmark法无法直接求解状态空间一阶微分方程组,是因为方程中不显含加速度项。提出了采用平均速度Newmark法结合Riccati传递矩阵法,命名为平均速度Newmark-Riccati传递矩阵法(AVN-RTMT),对转子系统进行瞬态响应计算。对方法的稳定性进行了理论分析,证明了其无条件稳定。对于基础受冲击的转子系统,由于平均速度概念和基础冲击激励的引入,系统节点状态矢量传递方程、传递矩阵和系统响应具体求解与经典Riccati传递矩阵法存在很大不同,从而推演出了基于一阶微分形式的节点瞬态传递方程,给出了算法实现响应求解的一般步骤,最终成功地得到了位移、速度和加速度响应的时间历程。并建立了算法验证的实验,验证了算法的准确性。进一步表明AVN-RTMT可以作为一种新的结构瞬态响应计算算法。