私の一冊

原田重治博士

1969年夏天,作为理学院高分子科学系的三年级学生,我想在札幌这片舒适的土地上度过这两个月,而不是回家过暑假。

当时,空调(我们称之为 “冷风机”,因为大多数空调只有制冷功能)还没有在家庭中广泛使用,当然我的父母也没有空调,所以我回到家后不得不忍受夏天的炎热。 我在夏天真的瘦了很多。 虽然24小时的火车和清关渡轮的旅程很诱人,但我已经受够了夏天的炎热。 而夏天的北海道一定更有吸引力。

我曾希望在暑假期间读完“大鹤”。“大鹤”是本文介绍的“私の一冊”。在高分子物理化学系教授中川鹤太郎博士撰写的题为“流变学”的书籍(俗称“第二课程”)中,我们给三铃书店出版的763页的大书起了个绰号“大鹤”,给岩波善所的同名手抄本起了个绰号“小鹤”。

流变学是对材料的变形和流动的研究。 特别是,生物流变学关注生物体及其组成材料,包括血液、血管、细胞、肌肉、生物粘液、生物聚合物溶液、骨骼、关节、牙齿,以及它们的临床问题。 由于这个原因,我必须首先为把这本书介绍为“私の一冊”而道歉。

中川教授和神户教授是在流变学在日本发展的初期引入、普及和研究的先驱者。 他们发表了《什么是流变学》(三铃书店 Shobo,1956),其中描述了流变学基本概念形成的历史背景以及流变学与实际问题的关系,并强调流变学的问题无处不在。 他在导言中写道:“写这本书是为了向化学家和工程师解释流变学的内容,包括那些不是一般流变学专家的人,以便获得他们对流变学的兴趣和关注。 因此,本书尽可能地避免了定量描述。 它并不打算涵盖流变学的所有方面。 随后的一卷“流变学简介”将对整个流变学领域进行更多的量化处理。”这个 “流变学简介 “之后是 “流变学”(三铃书店, 1959)。

在大鹤的前言中写道:“现在有很多关于流变学的技术书籍和研究报告,这本书是阅读这些书籍的手册。 因此,在解释基本概念时,我们首先承认,常识往往未被真正理解(原文:自明のことを自明でないとして出発した)。

“本书是流变学的入门书,适用于那些已经从学校毕业并进入实验室或工厂的人,他们想从事流变学工作,但身边没有导师,必须通过自己的思考来发展自己,或者是那些认识到流变学的重要性但没有方法将其付诸实践的人。 因此,它是根据作者自己的经验写的。

“当我们第一次进入流变学领域时,我们面临的第一个问题是流变学所涉及的机械概念的复杂性和用于处理这些概念的数学方法的难度。我一直敏锐地意识到,流变学物理特性的复杂性和用于研究它们的方法的特殊性阻碍了许多研究人员。

“在这本书中,我们试图根据我们的经验来展示研究方法的路径。 在本书中,我一直希望能写出一本‘可用的’流变学。

“为了达到这个目的,我们对力学进行了长时间的解释,并对振荡理论进行了涉猎,因为我们相信,除非对流变学有充分的了解,否则流变学是没有用的。

“许多看过这本书的读者可能会说,这本书太‘机械’,没有‘物理’,太注重(数学)正式,没有物质(联系)(原文:あまりにも形式的であって物質的でないといわれるかもしれない)。

“当然,其中一半的原因是作者缺乏教育。但如果说另一半在于流变学领域和我们的意图本身,会不会有错?

“当人们在工厂或实验室遇到‘流动’和‘变形’问题时,当人们试图科学地处理这些问题,科学地分析它们,科学地解决它们时,经常会听到从他们嘴里齐声说出的话,萦绕在他们耳边的声音是‘方法,首先是方法’,无论是思考的方法还是测量的方法。

“至少就流变学而言,我们迫切需要一种方法,将各种现象简化为‘定义明确的’量,并以这些定义明确的量(为对象)进行测量,然后才能深入讨论这些现象。能否允许我们斗胆小声地说,这本书的特点是反映了流变学的现状?

“我们觉得,正如读者所指出的,这本书充满了对概念和方法的解释,但没有具体的例子。我们原来的计划是在第四部分收集许多这样的例子,但由于页数过多,我们不得不省略。然而,毫无疑问,对一些人来说,被省略的部分是流变学本身。因此,另一本书已经在准备之中,以完成这本书未能完成的任务。因此,我们承认,这是一本非常大的书,其缺点是偏重于该主题的‘预备流变学’(原文:レオロジー以前)部分。然而,我们想再次强调,我们在这本书中的意图是使用弹性和损耗模量模量来阐明复杂的过程,这也是流变学的重要地位之一。

“自从我们写了上一本书《什么是流变学》后,已经过去三年了。在上一本书中,我们承诺要出版一本后续书,在许多人的鼓励下,我们终于写了这本书。现在,三年过去了,我回过头来看,世界上已经出现了许多关于流变学的书籍。 在日本,小野木重治的《流变学精要》、井本立也的《流变学入门》和森芳郎的《流变学》(应用力学讲座)都以独特的描述来解释流变学。另一方面,F. R. Eirich已经开始在国外出版三卷本(也许是四卷本)的《流变学》,他动员了世界上最好的研究人员作为作者,并自豪地称其内容丰富。

“正是由于上述原因,我们相信,在这种情况下,我们手中的这本书仍然具有价值。

“多年的联合工作终于结束了,我们之间洋溢的精神是相互理解和宽容。这段深厚的友谊鼓励着彼此,使得我们能不为轻轻的写作感到羞愧(原文:やさしく書くことを恥じる必要はないと互いに激励しあう深い友情であった)。现在回忆起来,倒像是一场完美的故事。(后略)”

本书包括第一部分,基本理论,第二部分,现象学,第三部分,测量方法,第四部分,与材料结构的关系。本书的任何部分都可以作为手册使用,但如果你通读全书,逐一学习研究流变学的物理和数学基础知识以及流变学的基本概念,你将能够稳定地获得“可用的”流变学。

第一部分包括第1章,导论,第2章,力学基础,和第3章,振荡和波。第一章包含流变学的概念,流变学的简要历史,以及流变学的对象、方法和目的。第二章,力学基础,包括变形力学、弹性体力学和流体力学。它从解释矢量开始,然后转到牛顿力学定律、圆周运动和刚体的旋转运动。然后仔细解释了变形力学,本书接着介绍了应变张量、应力张量、张量的主轴、莫尔的图形表示和有限形变。流体力学从流体运动方程的推导开始。我们并未给出纳维-斯托克斯方程。在此基础上,详细解释了牛顿层流、圆柱形层流等。在第三章“振荡”中,介绍了复数和微分方程的处理、单一振荡、阻尼振荡、强迫振荡和共振。波从高中物理课本中的正弦波方程开始,然后是干涉、波的能量和粘弹性体中的波。事实上,整本书有261页,令人惊讶的是,第二部分和第三部分出现的所有方程式都是在此基础上推导出来的,没有参考其他书籍。例如,从库埃特粘度计的测量结果中确定液体粘度的方程式(11.3.11,第591页)是在同心圆筒旋转运动一节(第317-320页)中推导出来的(方程式(4.3.31)-(4.3.35)),其推导的所有必要思路都在前面几页中给出。通过这种方式,我们已经能够表明,有可能以简单的方式推导出方程。

为了方便有兴趣的读者,第二部分以后的目录是缩写的。

第二部分 现象学

第四章 弹性和流动性§4.1 变形和各种形式的流动§4.2 弹性变形§4.3 粘性流动§4.4 非牛顿流动§4.5 塑性

第5.1章 静态粘弹性§5.1 粘弹性现象§5.2 固体粘弹性,Voigt模型§5.3 液体粘弹性,Maxwell模型§5.4 记忆现象§5.5 Weissenberg效应

第六章 建模考虑§6.1 力学模型§6.2 复杂模型§6.3 松弛和延迟时间分布

第七章 动态粘弹性§7.1动态特性§7.2动态粘弹性§7.3一般模型的动态特性§7.4四元件模型的动态特性§7.5模型的选择§7.6力学的分散§7.7变量转换法

第八章流变学和电路理论的相似性§8.1相似性§8.2交流电理论的基础§8.3电学和动力系统的相似性§8.4电学和动力系统的相似性§8.5旋转动力系统的情况§8.6动力振荡系统的稳态解§8.7两端和四端电路§8.8两端和三端的说明

第9章 软化和硬化§9.1 内部断裂和恢复§9.2 软化§9.3 硬化

第十章 断裂和强度§10.1 断裂§10.2 疲劳§10.3 硬度和黏度

第三部分 测量方法

第11章 静态测量方法§11.1静态方法§11.2弹性模量§11.3粘度§11.4非正常粘度§11.5塑性§11.6静态粘弹性

第12章 动态测量方法§12.1总说明§12.2低频范围内的动态方法§12.3低频范围内的动态方法§12.4高频范围内粘弹性的测量

第四部分:与材料结构的关系

第13章 气体§13.1气体§13.2气体的粘度§13.3气体的体积模量和压缩性§13.4声波和超声波的速度和吸收

第14章液体§14.1液体粘度§14.2气体粘度和液体粘度§14.3液体粘度与压力的关系§14.4液体的体积模量和体积粘度§14.5液体混合物的粘度§14.6低分子量溶液的粘度

第15章胶体和聚合物溶液§15.1悬浮液的粘度§15.2聚合物溶液的粘度§15.3非正常粘度§15.4弹性

第16章固体§16.1固体的弹性和粘弹性§16.2橡胶弹性§16.3二次转移§16.4凝胶§16.5固体的体积弹性§16.6强度和断裂

第17章 表面流变学§17.1 液体表面的薄膜流变学§17.2 固体表面的薄膜流变学

该书首先解释了“矢量构成、标量积”、“速度和加速度的定义、运动方程”、“复数的处理”和“常微分方程的解、单次振荡”。当然,如果你在大学阶段学习过物理和数学,那就更好了。在逐一学习基本概念并指导自己完成数学方程式后,我非常高兴,因为我能够推导出第三部分的公式,将测量结果与弹性和粘性模量联系起来。这需要很大的努力和耐心,但像我这样的普通人有可能读完它。然而,我记得我无法在暑假期间的两个月内完成它,而我原本计划是这样做的,我不得不把它推迟到春假。令我非常遗憾的是,我写下这些方程推导的笔记本已经丢失。

如上所述,我不可能向我们大学(大专)的学生推荐这本书,但我想说,如果有食品和营养科学系的学生或研究人员担心食品机械性能的方法问题,这是一本非常好的书。我想说的是,对于食品和营养科学系的学生和研究人员来说,这本书是一本很好的书,他们担心食品的机械性能的方法。 我希望它能被重印。

当被问到“你看完大鹤后是否获得了扎实的流变学方法论”时,我无从回答。这是因为我从未经历过真正的流变学研究,尽管我是在中川教授的许可下学习的。老师向升至四年级并分配到课程的六名第九代成员展示了几个毕业研究主题。使用拉伸压缩试验机的应变计的“通过应力松弛测量研究聚氯乙烯的热分解机理”,使用夹心式剪切蠕变装置(威廉姆斯装置)的“增塑聚氯乙烯的力学性能”,“聚乙烯的力学性能” “PVA-刚果红水凝胶”,从同轴圆柱剪切变形中获得刚性,这三个主题正是流变学。此外,“添加盐对聚丙烯酸羟乙酯-水溶胀凝胶的影响”测量凝胶溶胀程度,“添加盐对聚甲基丙烯酸水溶液的影响”通过粘度测量,以及“对聚苯乙烯磺酸水溶液粘度的影响” “碱性染料的效果”。当时我对聚电解质很感兴趣,所以选择了最后一个主题。由于这是使用毛细管粘度计测量溶液流动时间的实验,因此它不是流变测量。之后,我通过测量密度、声速和热量来研究水溶性聚合物和表面活性剂之间的相互作用,最终是表面活性剂(两亲性物质)溶液本身。因此,我只在讲座会上听到流变学。只能说,如果你不真正做研究,你就无法学到任何坚实的方法。

在实验室里,我们每个人都有自己的研究主题。当然,流变学是主要的主题,但也有量子化学主题和热力学主题。实验室里的许多仪器都是手工制作的。我记得我们第一次收到两个玻璃毛细管粘度计。后来,我们使用了理学院玻璃厂生产的具有不同流动时间和类型的粘度计。一个多年前被用作电池容器的劣质玻璃罐,被制成了一个用于测量粘度的恒温浴。一根细的黄铜棒在末端有螺纹,并在车床上制作了两个螺母以适应尺寸。制作了一个用于搅拌的螺旋桨,放在两个螺母之间,成为一个搅拌棒。然后连接一个电机和滑轮来完成搅拌装置。我在一个玻璃波纹管里装满了甲苯和汞,并连接了一根铂金丝,做成了一个汞货车(调节器)。恒温水浴的温度是通过将这个和一个管子连接到一个继电器装置来控制的,使用的是一个高年级学生制作的三极管真空管。这是我毕业研究的开始。从那时起,在我参加两门课程的九年半时间里,甚至在那之后,他一直是一个学习的老师,一个人性的老师。我从他那里学到了很多东西,他对我也很热情,但他没有对我的研究课题作出指示。有一次他说“最好的教学方法是不教。”然而,他总是愿意深入讨论我们的研究课题,这些课题相当广泛。我认为,他的教育政策是培养能够自己制定研究主题、开展研究、总结和展示成果的研究人员。在大学生几乎不言而喻的基础知识之上,大鹤博士让他们建立起物理学和数学的基本技能,并在教授他们材料科学的同时,教授他们流变学的方法。虽然他说:“最好的教学方法就是不教”,但我相信他写的是流变学的说明书。

这一教育政策可能是他学术风格的反映。自己制作(当然是在别人的帮助下)的想法非常有吸引力,但对于像我这样不擅长的人来说也很费时。 我在三年后退出了博士课程,但我又花了三年时间(一年作为JSPS研究员,两年作为研究学生)才获得学位。如果不是我敬爱的学长完成了一个高精度测量密度和声速的装置,这将花费更长的时间。

1979年夏天,当我得到我们大学的前身–静冈女子短期大学的职位时,我的老师说:“只要你有电、有煤气、有水,就去好好干。我想他是在鼓励我去那里,开始自己走路。当然,在我的新岗位上有电、有气、有水,还有一个学生实验室和一个带通风橱的实验室,基本的实验设备(化学天平、蒸馏水和去离子水仪器、电热恒温干燥器、电炉、真空干燥器和真空泵、学生实验用pH计等)和一整套实验器材。进行文科化学实验唯一缺少的是一台紫外可见光谱仪。这些仪器不仅用于学生实验,而且也是研究实验的基础。最幸运的是,还有一位化学老师,我们和她一起工作。

我们没有用于研究的设备。我买了一个金鱼缸,并设置了一个温度控制在0.01°C的恒温浴。这使得使用玻璃毛细管粘度计成为可能。恒温水在一个双玻璃管容器中循环,进行电位滴定。这是我在我们学院研究的开始。这与我在第二个课程中开始研究时的情况完全相同。我很感激自己是以这种方式长大的。我感谢北海道大学、静冈女子短期大学和静冈大学短期大学,更不用说在过去30年中与我共事的老师、学长和教员们,他们使我有可能成为一名大学人。虽然我没有专攻流变学,但大鹤的学术风格一定构成了我40多年的大学生活的基础。

大鹤的前言中说,“为了完成这本书中无法完成的任务,已经开始准备另一本书”,这本书就是小鹤的《岩波全书之流变学》(1960年第一版,1978年第二版)。第一版的前言说:“在这本书中,重点是材料的流变学。本书是一本方便的教科书和手册,适用于初学流变学和对流变学感兴趣的一般工程师。我们试图解释所有必要的概念,同时激发人们对流变学的简单兴趣。对于流变学的专家和研究人员来说,这本书既是对必要的事实和公式的提醒,又不失轻松愉快的阅读体验。本书也旨在成为一本娱乐性的读物。”大概在一段时间前,我收到了该书的第二版,其中有关于“生物学”和“湍流和湍流减阻”的两个新章节,署名是中川的独特笔迹,但从那时起已经过去了三十多年。他在序言中写道:“这第二版将是我的小小的墓碑”。《橡胶物语》(大月書店科学全書,1984年)和《拉瓦锡》(清水書院Centurybooks,1991年)。其中,《流动的固体》是一本优秀的流变学入门和一般书籍,“主要为初中和高中学生编写”,还有一本流变学的照片集。精装本包含一张魏森伯格效应的彩色照片,其中加热的亚麻籽油被向上推入和推出一个旋转的玻璃管;正面插图包含扩张性的照片,一种用剪刀剪断后会收缩的液体,以及一只生产丝线的蚕;整个文本中有流变学实验的照片、图表和插图贯穿全文。这是一本能让最专业的读者也感到满意的照片集。这是一本应该由大学学生阅读的书。我的图书馆里有一份副本(423.8N32),很愿意给你看。我曾经在静冈女子短期大学的化学课上把它作为读物,要么是文学系的,要么是文化和文科系的。当时,岩波书店已经几乎断货,无法完成大约10本的订单,所以我别无选择,只能向中川教授索取他书房里的几本。我推荐它作为“私のもう一冊”。