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流变学和流体力学之间的关系

发布时间:2022-09-29
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目前已经有流体力学了,却要另外发展出流变学,最初是为了与化学学科交叉。1928年的“胶体化学”(colloid chemistry)概念其实包括着高分子体系。因此最多也只能说“流变学”的确立是为了关心粘弹性流体的流动。这仍然不是把这个领域从流体力学中独立出来的坚实理由,因为粘弹性流体也是流体。


但无论如何历史就是这样发展的,以至到了1980年,C. Truesdell在第8届国际流变学大会上的大会报告4中形容说,有些调皮的人会将流变学定义为“流变学关心的是流体力学家不关心的流体”。说明自流变学的确立(1928或1929)以来的这半个世纪,流体力学界自觉地把“粘弹性流体”排除在了自己的关心范围之外。我把这件事怪在流变学的另立门户上,可能缺乏直接的理由。但合理地假设一下,如果不是恰好在Staudinger发表《论聚合》没多久就“体贴地”、“有预见性地”独立出流变学,那么事后高分子化学、物理及工业的巨大发展(特别是在第二次世界大战的催化下)必然把对粘弹性流动的认识要求到流体力学家的头上,他们将无法回避。


对粘弹性的关注,使得“本构关系”(constitutive relation)成了考虑的重点。这使得流变学与传统流体力学关心的内容产生了很大的差别。但是本构关系与守恒律共同决定物体的运动;仅守恒律是无法决定物体的运动的。这并不是某一力学分支的特殊主张,而是经典力学的基本自然哲学观点。传统流体力学关心的只是假定牛顿流体这一个本构关系时的运动。如果放开了本构关系的选择,如何使这个选择不流于纯粹现象学成了首要问题,因此催生出关于“一切本构关系必须满足的公设”这种考虑和相应的本构关系理论。可惜的是从这些公设出发,就算再加上一两条理想假设,最多也只能得出一个一般的泛函关系。应用上采用何种形式的本构关系,仍然流于现象学——除非结合统计力学,为本构关系找到微观的还原论基础。在这件事情上,粘弹性的微观本质就是时间和空间尺度的相关性。流体物理关心的平衡态和近平衡态强关联问题,就是要建立粘弹性的微观-宏观桥梁(尽管远未成功)。只要承认“本构关系”是完整的流体力学理论不可或缺的部分,就不能否认液体物理研究的内容正是“统计力学能否推出流体力学”的回答之一。甚至,统计力学并不“推出”守恒律。所以统计力学推出本构关系这件事,实际是“统计力学能否推出流体力学”的唯一回答。