牛顿力学 徐国彬以创新思维完善牛顿经典力学
牛顿创立的经典力学体系对近代科学的发展起到了积极的推动作用。北京交通大学徐国彬教授从长期从事的结构研究出发,在深入探索力学与数学的基础上,提出了《多维变形体力学》。这项深具原创性的理论发现,是对牛顿经典力学体系的颠覆与创新,必将推动一系列的技术发明创造,具有广阔的应用前景。在采访过程中,徐国彬教授跳跃式的思维及丰富的知识面让记者深感震撼。 1938年出生于北京市,籍贯广东中山的徐国彬长期以来以其多产的创新经历有效的诠释了创新的意义与内涵。他先后共主持国家自然基金委、铁道部、民航公司等十多项科研课题并获得铁道部工程总公司科技进步一等奖、铁道部科技进步四等奖、北京市科技进步三等奖、冶金部科技进步二等奖、教育部科论文二等奖、内蒙古自治区科技成果三等奖等10多项相关科技奖励。由徐国彬首次提出的新型结构近10余种,研制成测试仪表4种 ,著译作20多册。获国家发明专利12项,专利成果转化率高达80%,目前尚有8项发明专利正在审批中。研制的专利“系列化万向承载、万向转动、抗震、减振球形钢支座、水下抗腐蚀支座、高精度可调支座,已用于北京首都四机位机库、上海虹桥机库、上海浦东机库、九运会广州体育馆、深圳市民中心、北京国家大剧院、北京五环路高架桥、天津海河大桥、重庆奥体中心、广安体育馆、全国各地的连廊工程等近100余项国家重点工程中。“新型索托结构”曾获得世界发明专利最高奖——尤里卡世界发明金奖。并已在国家三项大型重点工程中实现:1、鞍山体育中心、大型体育馆;2、湖南省政府大楼;3、奥运配套工程北京曲滚球馆。其用钢量仅为普通结构(桁架、网架、拱壳等用钢量的1/4),且安全系数提高一倍。世界上第一个“新型劲柔索张拉结构”也已在鞍山体育中心训练馆建成四年,其用钢量为普通结构用钢量的1/5,受力合理,节约了资源、能源、人力、环保,可推广使用,国外的评估单位其无形资产为2342万美金(约合人民币2亿),这是国外单位评估,我方并未申请让他们评估。徐认为理论创新是第一位的,遗憾地是有些理论创新并未受到重视如:“弯矩减少理论”“索托原理”“预应力钢结构的应用注意事项”“劲性-柔性索的应用原理”等理论性论文。 目前,已经退体的徐国彬教授却比过去更为忙碌,他一边从事着技术创新及产业化推广工作,一边进行一项原创性理论——《多维变形体力学》的研究,完善原传统的力学体系。 多维变形体力学 牛顿力学实质上是一种二维的刚体力学,建立在二维空间及刚体的基础之上,徐国彬所提出的《多维变形体力学》,主要针对的就是牛顿力学的最基本原理。徐国彬对牛顿力学进行了深入的剖析:牛顿力学中只有两个力素:一维空间的力和二维空间的力偶距。当力作用在一个物体上,两个力大小相等,方向相反,作用在同一直线上时,才能实现力的平衡。当力不平衡时,物体将发生移动(F=ma。)而如果两个力大小相等,方向相反,不作用在同一直线上,就满足不了二力平衡条件,形成了一个力偶矩,单一力偶矩是不平衡的,将会引起物体的转动。要平衡还必须要有另一个力偶矩,大小相等、方向相反、作用在同一平面上,才能实现平衡,这就是二维刚体力学,牛顿力学解决的就是这个一维、和二维空间中的力素问题。当两个力偶矩不作用在同一平面上时,牛顿将三维问题简化为两个二维问题近似解决。现实生活中,二维物体和刚体是不可能存在的。这种简化只是一种近似。 徐国彬是学结构出身的,结构的基础是力学,力学的基础在于数学。他费了大量的时间学习研究了结构、力学、数学整个体系。在多年的高校工作生涯中,他不仅教过四门结构课,也曾教过工程力学(理力、材力、结力、弹力随机振动等)。在结构工程工作实践中,徐国彬研发了三维空间的《矩偶》这个新概念,并不断加深认识。他告诉《中国科技财富》:矩偶的发现,能引发一系列工程技术创新。他在矩偶这个概念上、并经过不断深入、扩展,又申请了几个专利。比如,自行车在冰上或汽车在雨雪天气时容易失控,这个现象徐国彬给予了很好地解释并发明了相应的防失控装置。轮船泰坦尼克号在远处看到冰山时,就是躲不开,因为轮船设计没有很好地利用“矩偶”这个力素。即使现在的飞机也要用长长的跑道起飞、降落。,而鱼类,尽管体形庞大的鲸鱼油酥很快,是不会撞冰山的。鸟类从来不用跑道,专门停留在树梢、山顶、屋脊上。鸟类要捕捉块速奔跑、灵活飞翔的小鸟和昆虫,还要躲避大鸟、老鹰的捕食。都是因为能更好的利用三维矩偶这一力素的结果。仔细研究鸟类的骨骼、肌肉、神经控制系统后,徐发现鸟类的骨骼构造、肌肉系统、神经系统能够控制每一根羽毛的运动,故两翼可以可以得到灵活控制,产生需要的力、力偶矩、和矩偶,使得鸟的身体可以快速飞翔,灵活转动。这是经过数亿年残酷的生存竞争、自然淘汰的结果。人类制造蒸汽机、内燃机、自行车、汽车、轮船、飞艇、飞机的历史只有几百年,比起鱼类、鸟类在时间上只是一瞬间。经过三百年才认识到三维空间中的“矩偶”力素。矩偶在轮船、战舰、战斗机、导弹等方面以及未来的智能化开发应用具有广阔的前景。 在多维变形体力学理论中,徐国彬指出牛顿关于力是物体间的机械作用这一定义不够准确,全面。力的定义应是:力是物体间的相互机械作用(力的实质),作用结果使得物体的运动状态(外效应)以及几何形态发生变化(内效应)。有力必定有几何形变,有几何形变,肯定有力,此外,牛顿阐述力,用的是矢量,在三维空间里,矢量不够用了,所以徐教授采用张量和矩阵表示,并提出了相应的数学表达式。 这套新的多维变形体力学,改变了原来牛顿力学中关于力的定义、力的要素、表达方式、力的平衡概念等,还讨论了物体运动时必定用到时间这一参变量,牛顿将时间看作三个几何坐标(X、Y、Z;即笛卡尔坐标)的函数,这样就产生函数关系与坐标关系的区别何在的问题。只有时间和几何空间是绝对的,才能近似地应用。否则时间和空间都应该是相对的,当速度接近光速时,这一差距就很大了。据了解,徐教授正在编写一部有关《多维变形体力学》的书,相信不久之后,这套新的理论体系就会以完整的面貌呈现在大众面前。 汉字改革 徐国彬并不是那种关在象牙塔里搞科研的人,他善于研究与思考周边的事情,在很多方面都有着独到的见解与理念。 奥运鸟巢工程进行到一半,有段时间停工了,原因在于屋盖的用钢量已超过5.7万吨,但抗震还是不够。当时,08办想看看有没有更好的办法,就找徐国彬去、介绍他的另一种方案(建筑结构可以有多种方案)。徐国彬的提出的设计方案为索结构,用钢量仅五千吨。相关评审专家听完后,国外专家就立刻表态,说设计新颖合理,节约钢材。08办三周后给了徐国彬一封回函,称北京交大徐国彬教授的方案很有创意,而且节约资源;但因这么大跨度的工程,从未实践过,建议在其他场馆使用,以实现科技奥运。 徐国彬长期以来还一直主张汉字改革。他说中国的语言、文字是不挂钩的,从信息学的角度看,是两套信号系统,为什么不能变成一套信号系统呢?而且汉字符号太多,英语26个字符,俄文33个字符,日语50音图,汉字,即使新华小字典就有几十万单字,难学易忘,而且各地发音还不尽相同,要推广到国际上,几乎不可能。他曾给领导写过一封信,要求汉字拼音化(汉语拼音已有基础),把两套信号系统变成一套系统。利于学习、易学不忘。语言文字作为信息交流、存储的工具就应该越简单越好。最好傻瓜化,现代的工具如电视机、电冰箱、洗衣机、电饭煲、计算机等等,都已傻瓜化。徐认为:美国比尔8226;盖茨的最大贡献就在于将计算机的操作系统由DOS系统改为WENDOWS系统,不需要记忆任何命令、语句,都是视窗系统、下拉菜单,不像DOS系统那样,即使记错一个字符,系统也不反应。无法操作。现在人人可以应用计算机。功不可没。计算机已经成为万能工具。各行各业都在应用计算机。徐给文字改革委员会去信,说明汉字改革对子孙后代的好处,后来文字改革委员会给徐教授回信了,说你提的意见很好,但国家主张汉字先稳定一段时间,你的提议我们将作为资料存档。 关于创新
提起创新,徐国彬有着一套独特的理解与认识。他指出:创新最重要的是理念和思维,表现形式可以是科学上的发现,也可以是技术上的发明。科学发现是认知客观世界的,总结出规律,技术发明是改造客观世界的。而发明是建立在发现的基础之上的,所以可以说最难的是理论创新,也就是对客观规律的发现。要掌握的不是一事一物,而是对所有事物的总的规律。根据规律才能做出合理的、经济的创新。 创新主要是一种思维,在一个领域有创新思维,必然能转移到其他方面去。也就是说一个有创新思维的人,在任何领域,只要他有扎实的基础,肯动脑筋,就能做出创新性的成果出来。真正创新的人,一定得有比较广阔的知识面,要随时随地的考虑问题,要发现、保留问题的优点,改进其缺点,这才是真正的创新。所以,专利不但要有三性(创新性、新颖性、实用性)还应该有“合理性、经济性。”专利才能实现,才能产业化。目前我国专利的实现率为什么那么低,原因就在于缺少了后面谈到的两性。 我国专利要求新颖性、创造性与实用性,现在专利产业化率低的问题就在于合理性与经济性考虑不够。创新必须是新颖的,必须要比以往的事物要好,经济性要强。怎么实现,发明人自已得有一套办法。这应该就是徐国彬专利成果转化率高的根本原因吧。
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