Tag Archives: rheology

课程内容编排的两种风格

不时能够看到有人讨论教科书有“苏联体系”和“美国体系”。这两种教育制度在策略上走了不同的极端。我觉得知乎上的这个答案已经很好地解释了这个问题。

流变学的课本,也大至可以看到两种编排。很多人都知道Bird et al. 的Dynamics of Polymeric Liquids是经典。我读这本书,不管是当年初学还是现在经常翻阅,都感觉很不习惯。这几天该书作者之一Hassager教授来做讲座,我再一次感觉他铺陈知识的逻辑顺序不是我感到自然的方式。事实上,DPL这本书代表的是十分美式的风格。至于它的对立面,倒不一定要叫做“苏式”风格。

美式风格的课程的一个最大特点就是,从第一节课开始就想让你马上感到学了这门课“有用”。其实很多科目是很难做到这一点的。很多科目有其特有的概念和语言,头几章往往都是要解决这些层面的问题,然后才能涉及到这个科目的核心理论。讲完理论,你才能试着解决一些实际问题。如果非要第一章就解决实际问题,免不了要临时把本应该放在后面章节的知识抽一点过来。

例如DPL,第一章讲完,就马上给你流动问题作为例题了。为此,第一章选择先讲守恒律。因为比起先介绍形变和流动、或者复杂流体的概念,先讲守恒律能马上解题。

诸如形变和流动是什么,有哪些类型,什么是应力/应变,甚至把连续介质力学基础都先讲一遍,然后介绍复杂流体的粘弹性、非线性的基本概念。以上这些内容全是概念和语言体系的建立,没法直接解什么流动问题。这些章节要出习题,无非是名词解释、概念辨别、true or false之类的形式。

但若是先讲守恒律,至少你能解一下理想流体的流动问题了。临时引入牛顿流体,还可以马上得到Navier–Stokes方程。所以DPL上来就先讲守恒律。

至于守恒律的几个方程会引入张量的概念,这只能临时讲讲。为啥动量流是就是应力张量?说不清楚。为什么应力张量是对称的?也没解释清楚。

在Hassager的讲座中,刚讲到线性粘弹性,写了Maxwell模型的方程,就又想要去解题。这时就要临时介绍“物质导数”。事实上他都没明确存在“物质导数”这个专有名词,而是直接尝试解释为什么要加一个随流项,为此举了一个收敛流的例子作为要解的问题。

给我的感觉是:这才讲到线性粘弹性,急什么?为什么总是每多讲一点东西就迫不急待的跃跃欲试地去解实际问题,缺的其他知识就临时补上,一切为了当场能解一个新问题服务?

这种风格我在美国教授的很多其他课程中都有体会,其实并不陌生了。

在美国的通材教育体制中,学生选课自由度很大。如果真的是开一门“流变学”的课,很可能从化学、物理、材料、土木、交通、工业设计等不同系的学生都会来选修。学费是按学分计的,学生选这种课必然考虑“值不值”。一般选课有头两节课的“犹豫期”。所以课程编排就要在每节课,尤其是头几节课,都能给人“值”、“能解决问题”的印象,否则学生会大量退课。甚至教授经常喜欢讲的话就是“你看,我们仅仅是学了本节课的几个概念,就已经可以解决简单条件的问题了,有很多实际问题可以归为这种简单条件问题来解决。在后面的课程中你将会进一步学到如何解决复杂条件的问题。”其实光那几个刚学的概念,根本都轮不到解决什么问题;无非是靠提前再告诉你一些后面章节的必要结论,结合这些概念,才能解决所说的问题。我这种习惯了所谓“苏式”教材的中国学生,看美国教材和课程录像,总感觉像哄小孩儿。学生就这么容易厌烦吗?学个英语都要先背字母A~Z啦!想解决读音问题,还要先学国际音标呢?但美式风格一定是第一节课字母才背到E,就顺便教你讲Hello和Thank you,甚至教你唱首歌。哪怕你只懂模仿式的发音,关键要让你第一节课就能觉得“学了有用”。这看上去不就是儿童英语课么?成年人学英语是不用这样的。

回到DPL这个课本。为了同样的目的,它不得不把连续介质力学基础部分拆散到各个章节中去了,没有专门介绍。

DPL的章节是按本构方程的类型分的。这也是为了能每个章节讲完都能解新问题所作的编排。结果应力张量分到一章里,随体微分分到一章里,形变张量分到一章里。事实上这些概念的引入是有连续介质力学层面上的统一动机的。但搁DPL这儿就好像它们都是分别为了不同类型的本构方程而引入的数学工具,例如随体微分就是为了微分型本构方程。有限应变张量就是为了积分型本构方程,等等。虽然这些概念的意义在当下都解释清楚了,但在编排层面上给出的确实是上述的这种暗示。似乎是为了尽可能提早讲能解问题的本构方程知识,而把一大块准备知识消解掉。

你又不能说,DPL是一本进阶流体力学(非牛顿流体力学)课本,所以应该默认先修普通流体力学,所以连续介质基础读者应该已经掌握。因为DPL中但凡涉及到这些基础概念的讲述都很详细,并不像是默认读者先修。

相比之下Macosko的Rheology教材就比较“苏式”,尽管他本人是个原汁原味的老美。国内的吴其晔老师的那本就更“苏式”了。我自己也为了将要担任的聚合物流变学课程写了大部分内容的讲义,其本上是“苏式”。前文介绍了什么是“美式”,现在我谈谈“苏式”是什么宗旨。

一门课程的知识是有体系的。在教完所有知识的同时,要把这些知识之间的逻辑关系、相互地位同时展示出来。学生学完之后,是能够拒此评述这门课跟之前学过的课程知识之间的逻辑关系;将来学新的课程,又能判断它跟本课程的逻辑关系。大学四年学完之后,你不是只懂逻辑“我选修过这个课,选修过那个课”,而是你只懂一门四年的大课。

课程编排如果受上述这种追求的限制,当然没办法总是兼顾“马上能用”。具体到流变学而言,首先当然是要定义这个学科。接下来就是定义中的概念需要展开定义。流变学是研究物质的形变和流动的科学。那形变是什么?有哪些类型?怎么描述?流动是什么?有什么类型怎么描述?这里就可以引入连续介质概念及运动学部分了。至于“科学”,一是要定量,二是要探讨原因。形变和流动的原因是什么?这里就可以引入应力张量的概念了。然后就自然引入本构方程的概念了,它就是物质的形变与流动的因果关系之体现——当然还要满足守恒律。

然后现在就可以开始讨论,“物质”具体是指什么物质?流变学其实不研究一切流体,而是研究复杂流体。“复杂流体”复杂在哪里?就复杂在本构关系上,分为粘弹性和非线性两类。粘弹性是可以脱离非线性单独研究的,那就是线性粘弹性,线性粘弹性的一大堆知识就放出来了。顺带地,回顾前面连续介质物理中关于“客观性”的要求,很容易引出准线性粘弹性。非线性是无法脱离粘弹性研究的,因此直接研究非线性粘弹性了。这两个性质体现为Pipkin图的两个坐标轴,两个无量纲数。复杂流体的两大复杂性如何统一描述就一目了然了。至于非线性粘弹性的本构方程,不管分为微分型也好积分型也好有一大堆都好,它们要么是一些数学上常见的非线性推广,要么有一些结构动机,在上述学科框架下这些都属于技术细节而已。整个“流变学”其实已经讲完。

从逻辑上说,任何一个学科,只需详细解释好你的学科定义本身,就应当不多不少恰好讲完了这个学科。

学习一门学科的先后顺序应该是:先正确认识事物,再尝试解决问题。如果时间不够,那就优先正确认识事物。具体到流变学,那就是“正确认识复杂流体”。所以课程编排要优先完成好“正确认识”这个任务,为这一任务服务好,然后再兼顾解实际题。这样学,不仅很多常见的困惑其实根本就不会产生,而且还很有利于学生由此进阶到其他学科。

例如,经常有人会问:我给我的样品添加了XX,会不会影响流变学性质?

如果你对流变学有成体系的认识,关于这个问题,你首先会思考:何谓“流变学性质”?无非是粘弹性和非线性,即其应力应变关系的时间尺度依赖性和强度依赖性。你加个结构因素会不会影响“流变性质”,就着重思考它会不会影响时间尺度依赖性还是强度信赖性。这甚至就能指导你建立结构流变学模型的时候怎么选择出发点。但如果你对“流变学”的学习不是紧紧围绕“什么是流变学”来理解的,知识没体系,那关于什么“加了XX会不会影响流变学性质”的讨论就会流于玄学了。影响啥啊?粘度会增大?模量会增大?看着实验结果编呗。这就是很多哪怕是已经学习了很多流变学知识的学生仍然处于的状态。

总之,我觉得美式风格可以说是学术上的一种反精英主义。有一个类似的争论就是:民主需不需要先提高公民素质?文盲能不能为自己的权利明智地投票?类似的,学生什么都不懂,他们能够明智地决定一门课有没有用、值不值吗?这当然都是两难选择,到底是由权威代为制定培养计划,还是由学生享受自由但自负其果,是人类社会两种制度之争。从这个角度上看,简单把两种极端称为“美式”和“苏式”也不无道理。

惯量与粘弹性

最近为了搞清楚仪器的测量极限,和学生一起考虑了一通仪器惯量的问题。结果这一考虑就是几个月。

应力控制型旋转流变仪的原理是:马达驱动转子转动,样品被转子剪切,转子的角位移被记录下来。流变学信息就从马达施加的转矩与转子的角位移之间的关系计算。这个过程当然无法避免转子本身的转动惯量。由于转动惯量只跟转动加速度有关,加速度为零时是没有惯量的,因此稳态粘度测试是不受转子惯量影响的。但是在瞬态测试中,转子的惯量就很重要了。如果是振荡剪切测试,哪怕到了稳态,加速度也是时时刻刻都不为零的。所幸的是,对于小幅振荡剪切的稳态结果,惯量的扣除很简单,只是测量结果的好坏对信噪比的要求高了。对于蠕变,惯量的影响主要应力刚启动的短时间之内。对于粘弹性样品,这部分时间内的响应是样品粘弹性与转子惯量效应耦合之后的结果。大部分研究都预设一种粘弹性模型去拟合这部分响应的实验数据。如果想不依赖于既有模型,直接从实验数据提取出松弛时间谱,可以应用从蠕变到动态模量的变换方法(它们之间是单边Fourier变换的关系),然后从转换得到的动态模量中扣除惯量,可以证明对于这种情况惯量的扣除仍然是简单的公式。K. S. Cho最近证明了[1],忽略噪音和惯量效应,仅考虑同样有限的实验时间尺度下,做振荡扫频不如做蠕变信息量大。有趣的是,噪音和惯量效应会在多大程度上影响这一差别。考虑到噪音和实验时间的有限性,蠕变到动态模量的转换的数值算法还需要有很多实际的考虑,在Cho这篇论文里的Introduction里对这方面工作也作了很全面的回顾。另外,Baravian和Quemada提出了一种连续阶跃应力的方法来获得近似无惯量影响的蠕变响应[2]。这一方法看上去像是在数值上相当于频域的扣除,感觉这一离散的阶跃趋近连续的极限时就会是精确的样品响应。但是Baravian和Quemada只给出了简单粘弹性模型的解,这一方法对于一般性的粘弹性样品具体意味着什么,以及噪音的影响等还需要推导。

另一个学术上的兴趣就是,不去考虑把蠕变响应转换成动态模量,而是关心这个蠕变响应本身的一般表达式。不失一般性,任意粘弹性材料的松弛时间谱可用一Prony级数来表示。因此含转子惯量效应的蠕变测试响应就应该要能由Prony级数的各项系数来表示。有趣的是,在粒子示踪微流变测量中,粒子运动惯量对均方位移响应的影响与流变仪仪器惯量的问题十分相似。对于同一个样品,去流变仪上做蠕变,需要解仪器转子的第二类Volterra积分方程;粒子在此样品中的热运动,需要解粒子的广义朗之万方程。这两个数学问题几乎是一样的。前文提到的针对噪音和实验时间有限性的很多数值方法也是可以通用的。粘弹性介质与粒子之间的friction kernel和粘弹性样品回馈给流变仪转子运动的粘弹性kernel之间的一般关系,也很早就由Zwanzig给出[3]。以现有的基础,完全可以认真地给出一个微流变与宏观流变在一般粘弹性情况下的严格对应理论。

References

  1. K.S. Cho, "Which is more informative between creep and relaxation experiments?", Korea-Australia Rheology Journal, vol. 29, pp. 79-86, 2017. http://dx.doi.org/10.1007/s13367-017-0010-6
  2. C. Baravian, and D. Quemada, "Correction of instrumental inertia effects in controlled stress rheometry", The European Physical Journal Applied Physics, vol. 2, pp. 189-195, 1998. http://dx.doi.org/10.1051/epjap:1998183
  3. R. Zwanzig, and M. Bixon, "Hydrodynamic Theory of the Velocity Correlation Function", Physical Review A, vol. 2, pp. 2005-2012, 1970. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.2.2005

猫的流变学

杂务缠身,好几个月没有更新了。这两天看到Ig Nobel Prize的新闻,恰好蹭一波热度。

Ig Nobel Prize Ceremony已经放在YouTube上了:

今年的物理奖是“猫的流变学”研究,来自发表在2014年的Rheology Bulletin上的一篇文章。

PHYSICS PRIZE [FRANCE, SINGAPORE, USA] — Marc-Antoine Fardin, for using fluid dynamics to probe the question “Can a Cat Be Both a Solid and a Liquid?”

REFERENCE: “On the Rheology of Cats,” Marc-Antoine Fardin, Rheology Bulletin, vol. 83, 2, July 2014, pp. 16-17 and 30.

WHO ATTENDED THE CEREMONY: Marc-Antoine Fardin

而且这篇文章我很早就看过了。流变学圈内人应该对Rheol. Bull.这个小杂志非常熟悉。它是美国流变学会的一个通讯杂志,内容包括各类会议、颁奖仪式、party等照片,一些流变学上的小想法,学会会员信息和统计报告等。像“猫的流变学”这种幽默在这个圈内人自娱自乐的版面里其实并不违和。这个期刊也不能小看,虽然连影响因子都没有,但是很多重要的论文最初就发表在Rheol. Bull.上。例如著名的van Gurp-Palmen图的提出,被引用三百多次了(Google Scholar的记录)。Rheol. Bull.上还有很多有意思的文章。例如,研究Orbitz饮料里的凝胶珠为什么能悬浮起来(触变性);流变学漫游指南(里面那幅图堪称经典)。

流变学本身也是个小众研究。知道的人也许不少,但是研究者圈子很小。可能是因为它对物理背景要求比较高,又主要研究化学和材料学家关心的问题,造成了错位。