《熱應(yīng)力百科全書》簡評[1]

杰拉爾德 毛嘉恩[2]

（皮埃爾和瑪麗居里大學(xué)達朗貝爾研究所，巴黎75252，法國）

文？ 摘：由國際著名熱應(yīng)力專家R. B. Hetnarski教授主編的共11分卷、6643頁（含3268個圖，其中彩色圖1141個）的熱應(yīng)力百科全書^[1]于2014年由荷蘭Dordrecht的Springer公司出版，書號為 978-94-007-2738-0。國際著名力學(xué)家G. A. Maugin教授為此撰寫了一個書評^[2]，原文發(fā)表在熱應(yīng)力雜志上（2015年第38卷271-275頁）。在征得G. A. Maugin教授和R. B. Hetnarski教授的同意后，現(xiàn)將該書評翻譯成中文發(fā)表，以期讓更多從事熱應(yīng)力研究的學(xué)者和技術(shù)人員以及熱衷于學(xué)習(xí)熱應(yīng)力知識的學(xué)生了解該百科全書，從而為他們后續(xù)的學(xué)習(xí)和研究提供方便。
關(guān)鍵詞：熱應(yīng)力，百科全書，書評

Book Review of Encyclopedia of Thermal Stresses

G rard A. Maugin

Sorbonne Universit s

Universit Pierre et Marie Curie

Institut Jean Le Rond d’Alembert

Paris75252, France

Abstract: Encyclopedia of Thermal Stresses (ISBN: 978-94-007-2738-0), edited by Professor R. B. Hetnarski, the distinguished scholar in the area, was published in 2014 by Springer at Dordrecht, The Netherland. This masterpiece consists of 11 volumes, with 6643 pages and 3268 figures, among which 1141 figures are in color. Professor G. A. Maugin, the internationally known mechanician, wrote a nice review for the Encyclopedia, which was published in Journal of Thermal Stresses (2015, vol. 38, pages 271-275). With permissions both from Professors G. A. Maugin and R. B. Hetnarski, we translate the review, originally in English, into Chinese, which follows immediately. We hope that this will help the academic and technical researchers in the area of thermal stresses and the students who want to study the subject learn more about the Encyclopedia, and hence they will benefit greatly from it in their future study and research.
Key words: thermal stress; encyclopedia; book review

1 歷史的緣起

1834年，杜哈梅（Jean-Marie-Constant Duhamel，1797-1872）在巴黎大學(xué)完成了其在數(shù)學(xué)方面的博士學(xué)位論文：“熱的數(shù)學(xué)理論”（Th orie math matique de la chaleur）。該論文包括了自十九世紀二十年代晚期以來他在這一課題上所作的一系列工作。這是一項真正先驅(qū)性的工作，因為他將泊松（S. D. Poisson，1781-1840）和納維（L. Navier，1785-1836）在彈性理論方面的最新工作與傅立葉（I. Fourier，1768-1830）在熱方面的最新工作統(tǒng)合到同一個理論框架之中。從這個意義上說，這是第一個有關(guān)多場耦合的理論，其包括了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱效應(yīng)。該理論是杜哈梅從一個純數(shù)學(xué)家的角度建立起來的，幾乎沒有實驗方面的考量。

杜哈梅的兩篇劃時代的論文分別于1932年和1937年正式發(fā)表在Journal de l’Ecole Polytechnique上。與杜哈梅不同，德國的諾依曼（Franz E. Neumann，1798-1895）既是一個理論家，也是一個天才的實驗家。尤其是，諾依曼于1885年應(yīng)用他的熱彈性理論考察了應(yīng)力作用下透明固體的雙折射現(xiàn)象。這項工作也使他成為光彈性的創(chuàng)始人之一。他也比杜哈梅具有更直接的影響，因為他指導(dǎo)了眾多學(xué)生，其中就包括沃伊特（Woldemar Voigt，1850-1919）。

沃伊特同他的老師一樣對熱彈性理論作出了重要的貢獻，特別是明確地區(qū)分了晶體的等溫變形和等熵變形。對迪昂（Pierre Duhem，1861-1916）這個充滿熱情的熱力學(xué)研究者來說，將有限應(yīng)變時彈性固體是否為熱導(dǎo)體的不同可能條件進行清晰地界定是非常自然的。他將此結(jié)果應(yīng)用于對熱彈性材料中按照阿達馬（Jacques Hadmard，1865-1963）的波前分類法定義的任意階非連續(xù)波傳播的獨創(chuàng)性研究中。上個世紀六十年代，特魯斯德爾（Clifford A. Truesdell，1919-2000）和其他作者，如科勒曼（Bernard D. Coleman，1929-）及其合作者，重新審視了這一問題。同時，布里淵（L on Brillouin，1889-1969）在上世紀二十年代也考察過這個問題，西格諾利尼（A. Signorini，1888-1963）則在上世紀四十年代對有限應(yīng)變熱彈性理論作了大量有意義的工作。

熱彈性理論在十九世紀后期和二十世紀得到迅猛的發(fā)展既源于實際需求的推動，也得益于大量有用數(shù)學(xué)手段的涌現(xiàn)。就前者而言，鐵路和航空工業(yè)中有很多承受高溫的金屬部件，在其使用時必須考慮熱力耦合因素。這可以解釋二十世紀四十年代以來獲得了大量有關(guān)結(jié)構(gòu)部件的特殊問題的（熱彈性）解這一事實。而就后者而言，新發(fā)展的彈性理論的數(shù)學(xué)方法和數(shù)值求解技術(shù)在獲取更一般情形下的熱彈性理論解方面得到了直接而成功的應(yīng)用。在最近的進展中，必須提及相變過程中的熱力耦合的重要性，例如，金屬熱力學(xué)——該術(shù)語由井上達夫（Tatsuo Inoue）于1997年提出——已成為一個標準的應(yīng)用領(lǐng)域。同樣必須考察熱效應(yīng)與更為復(fù)雜的力學(xué)行為（如粘彈性、塑性、損傷）之間的耦合。另外，隨著熱效應(yīng)在微機電（磁）系統(tǒng)（MEMS）的微型構(gòu)件中的作用越來越重要，也需要在熱彈性多場耦合理論中進一步包括電場和磁場的作用。最后，能預(yù)測熱以有限速度傳播的廣義熱傳導(dǎo)和熱彈性模型的出現(xiàn)也激發(fā)了針對這一多場耦合理論的更多的研究興趣。

熱彈性理論的上述動態(tài)及其在諸多方面的擴展，為《熱應(yīng)力百科全書》的出版提供了最堅實的基礎(chǔ)。盡管完成這一宏大計劃的時機已經(jīng)成熟，但由誰牽頭負責(zé)合適呢？為了回答這個問題，必須簡單回顧一下二十世紀四十年代至二十世紀七十年代之間熱彈性理論的成功擴展。在此期間，美國、奧地利、羅馬尼亞、波蘭和前蘇聯(lián)的科學(xué)家在該研究領(lǐng)域非常活躍，出版了一些先驅(qū)性的論著，包括1953年梅蘭（Ernst Melan）和帕庫斯（Heinz Parkus）^[3]，1959年帕庫斯^[4]，1960年博利（Bruno A. Boley）和維納（Jerome H. Weiner）^[5]，1960年查德威克（Peter Chadwick）^[6]，1962年諾瓦斯基（Witold Nowacki）^[7]和1968年帕庫斯^[8]。其中，我們必須強調(diào)以諾瓦斯基為核心的波蘭學(xué)派的重要貢獻。

諾瓦斯基培養(yǎng)了一批杰出的學(xué)生，其中包括理查德 赫納斯基（Richard B. Hetnarski）。移居美國的理查德精力旺盛，為熱彈性力學(xué)領(lǐng)域作出了全方位的貢獻，包括創(chuàng)立了一個專門的學(xué)術(shù)期刊Journal of Thermal Stresses，發(fā)起了一個系列國際學(xué)術(shù)大會，即International Congress on Thermal Stresses[3]，以及同樣重要的是，在他個人出版了長篇幅的熱彈性理論的書籍（包括一系列于1986-1999年間編輯出版的有關(guān)熱應(yīng)力的系列手冊和百科全書式文集^[9-13]，以及分別于2004、2009、2011和2013年[4]出版的專著^[14-17]）之后，決定投身于編輯出版這一全新的令人敬畏的百科全書。這無疑是一個極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，我們中的絕大多數(shù)人將承擔(dān)不起，因為我們沒有和理查德一樣的激情與能力。他獨具對該領(lǐng)域的高屋建瓴的把握能力。該宏大計劃僅從體量上講就非同尋常和令人稱奇。其結(jié)果是，這一精裝的可供參考的巨作超過了6600頁，有3300張圖和370個表，分布于總共11分卷之中。

即使僅簡單描述這一巨作的目的和內(nèi)容也存在著困難，因為目前還沒有人能夠掌握熱應(yīng)力科學(xué)的所有方面，包括從嚴密的物理基礎(chǔ)到非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)技巧，實驗手段和計算方法。評閱人承認自己有很多的局限性，只能向讀者保證自己研讀了由Springer慷慨贈送的所有分卷，當(dāng)然閱讀時的注意力和理解力難免有所變化。事實上，我在2014年的最后三個月內(nèi)利用部分閑暇時間或仔細或者粗略地閱讀了這一百科全書中的很多條目或章節(jié)，確實學(xué)到了該領(lǐng)域的以前未曾知曉的很多知識點。

2 百科全書的概念

首先必須弄明白什么是百科全書（Encyclopaedia）。第一個廣為人知的百科全書是法國十八世紀中葉（1746－1772）由狄德羅（Denis Diderot，1713-1784）和達朗貝爾（Jean Le Rond d’Alembert，1717-1783）主編的大百科全書（Grand Encyclop die），一共有25分卷文本和11分卷插圖。大百科全書匯總了當(dāng)時所有的知識，包括所有藝術(shù)、科學(xué)、工業(yè)、專業(yè)技術(shù)和哲學(xué)等，并以較為合理的方式呈現(xiàn)給讀者，以起到啟迪的作用。所有條目都是被允許發(fā)表的，甚至包括那些質(zhì)疑已得到承認的政治理論和流行的宗教觀點。此大百科全書效法了早些時候在英國出版的由錢伯斯（Ephraim Chambers，1680-1740）主編的較小規(guī)模的百科全書。

從科學(xué)的嚴格觀點看，德國人才是出版此類巨作的專家。其中最為突出的成就當(dāng)屬德國數(shù)學(xué)百科全書（Encyklop？die der mathematischen Wissenschaften mit Einschluss ihrer Anwendungen，簡稱Enz. Math. Wiss.或者EmW），由萊比錫的B. G. Teubner于1907－1914年間出版，主編為克萊因（Felix Klein，1849-1925）和穆勒（Conrad H. M ller）。其中的許多長篇論述質(zhì)量非凡，包括第四卷力學(xué)中的許多優(yōu)美論文，尤其是由海林格（Ernst Hellinger，1883-1950）撰寫的關(guān)于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的文章。物理學(xué)方面，由蓋革（Hans Geiger，1882-1945）和謝爾（Karl Scheel，1866-1936）作主編的物理學(xué)手冊（Handbuch der Physik）于1926-1933年間由Julius Springer出版。

德國人發(fā)揚了這一傳統(tǒng)：Springer于1955-1988年間出版了由弗呂格（Siegfried Fl gge，1912-1997）為主編的新系列的物理學(xué)手冊。力學(xué)方面的文章特別璀璨奪目和廣博全面，襯托出特魯斯德爾、托賓（Richard Toupin, 1926-）、諾爾（Walter Noll，1925-）等撰寫者的鮮明大師氣質(zhì)。這些論文都比較長，甚至可以說是巨大——特魯斯德爾和托賓的論文大約有630頁，而貝爾（J. F. Bell）關(guān)于實驗力學(xué)的一文則有778頁?？瓷先ズ占{斯基在主編本熱應(yīng)力百科全書（簡稱為ETS）時采用了一個不同的策略。在29個分項編輯的幫助下，超過600個作者共貢獻了700多個條目。作者可自由地確定條目的主題、題目和學(xué)術(shù)標準[5]，從教科書似的類型和較初等數(shù)學(xué)演示到方法上的詳細闡述，直至領(lǐng)域中最前沿的發(fā)人深省的研究方案。這或許構(gòu)成了這一皇皇巨著除了其廣度之外的特殊品位。

3 此百科全書的內(nèi)容

讀者喜歡龐大和豐富的內(nèi)容的關(guān)鍵在何處？讓我們稍微偏離此主題，關(guān)注一下如下故事。在評閱人年輕的時候，他特別喜歡巴黎的一個巨大的百貨商店莎馬麗丹（Samaritaine），它擁有塞納河和著名的里沃利街（Rue de Rivoli）之間的一個六層大樓。它比紐約市的梅西百貨公司（Macy’s）大得多，盡管后者聲稱是世界上最大的商店。Samaritaine這一名稱讓人想起福音書（Gospel）中的人物[6]，但事實上其精確來源于如下事實，即早期該地區(qū)有一個水廠，將塞納河中的水經(jīng)過處理后，為巴黎人提供飲用水。

就像好心人（Good Samaritan）一樣，莎馬麗丹百貨商店貨物十分豐富，供給著家里或者花園中所需的任何物品，包括任一商標的所有器具，產(chǎn)品，備件，織品，飾物配料，男人、女人和小孩服裝，所有年齡段的玩具，等等。對我這樣的小孩來說，所有雇員看上去都很老。這不純粹是一個基于視覺外表的判定。他們就是老。其原因是，該商店以類似于合作企業(yè)的方式運營，因此每一雇員都關(guān)注商店的良好運作，參與利潤的分享，并一直工作至退休。

現(xiàn)在，就像巴黎的莎馬麗丹百貨一樣，熱應(yīng)力百科全書為其讀者和作者提供了他們專業(yè)上所需的所有知識和內(nèi)容，以及有一份為學(xué)術(shù)共同體履行職責(zé)后的偉大感覺。真的，你可以從中發(fā)現(xiàn)有關(guān)熱彈性理論，熱非彈性理論和更為復(fù)雜的多場耦合（包括已被廣泛研究的具有有限熱傳播速度的廣義熱彈性理論）方面的所有理論、實驗和計算方面的知識。這是對讀者的報答和對所有人的恩施。事實上，很難在本書中找不到令你感興趣的東西。

全書包括基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)演示和改進的高等數(shù)學(xué)方法，熱力學(xué)定律的簡單表達和連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)[7]復(fù)雜而抽象的介紹，對應(yīng)特定熱彈性結(jié)構(gòu)（桿、板、殼）問題的數(shù)量驚人的解答，對應(yīng)不同尺度的材料和實用裝置（微觀的，納觀的）的各種現(xiàn)代應(yīng)用，各種類型的實驗設(shè)備，以及發(fā)展至最近幾年的大量數(shù)值應(yīng)用軟件等。盡管百科全書涵蓋了歷史的發(fā)展、概括的綜述性觀點和現(xiàn)在已是經(jīng)典的方法，但我們也注意到其中也包含了相關(guān)方面的最新發(fā)展，如智能結(jié)構(gòu)的熱彈性理論、包裝工程中的問題，激光致熱引起的熱應(yīng)力，以及熱非彈性理論和損傷等。這些內(nèi)容是極為有價值的。

但與莎馬麗丹百貨的雇員不同的是，本百科全書的作者代表了幾乎所有年齡段。另外，我們從來沒有見到來自世界上各個國家如此廣泛參與的現(xiàn)象。與一些相似類型的巨作不同的是，該書的作者來自不同的學(xué)科和地理區(qū)域。懷著普世主義價值觀，主編為這一巨作召集了不僅來自美國、加拿大、西歐和其對熱彈性理論貢獻巨大的祖國——波蘭，而且來自巴爾干國家、東歐、前蘇聯(lián)各加盟共和國、中東、印度、日本、韓國和中國，以及來自非洲，南美和澳大利亞等國家的作者們。這是一項壯舉，具有相當(dāng)?shù)氖痉缎?yīng)。顯然，沒有東西可以十全十美，我們也沒有必要隱藏我們的一些看法。例如，有些作者未能完全抓住百科全書的本質(zhì)，而給出了非必要的數(shù)學(xué)求解細節(jié)，特別是在考慮各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用或者處理不同情形下的失穩(wěn)和屈曲時。另外，一些作者以正式雜志論文的形式來撰寫他們的條目，而且不少工作過分密切地依賴于發(fā)表在Journal of Thermal Stresses上的論文。但這些不足與整套百科全書帶給學(xué)術(shù)共同體的好處相比應(yīng)是可予以忽略的。

龐大的印刷版百科全書值得所有與應(yīng)用物理和工程科學(xué)有關(guān)的圖書館收藏，為此需準備好堅固的書架！而個人和更現(xiàn)代的學(xué)生也許更喜歡電子查閱經(jīng)慎重選擇過的部分。該書適合于任何人——包括本科生和研究生、學(xué)者、工程師和其他專業(yè)技術(shù)人員都能發(fā)現(xiàn)其所需要的東西。這一百科全書具有無以倫比的充足信息，一定能夠成為我們在熱應(yīng)力領(lǐng)域一個重要的參考工具。

參考文獻[8]：

[1]？？ Hetnarski RB. Encyclopedia of Thermal Stresses. Dordrecht: Springer, 2014
[2]？？ Maugin G A. Book review. Journal of Thermal Stresses, 38: 271-275, 2015.
[3]？？ Melan E, Parkus H. W？rmespannungen: Infolge Station？rer Temperaturfelder. Wien: Springer, 1953.
[4]？？ Parkus H. Instation？re W？rmespannungen. Wien: Springer, 1959.
[5]？？ Boley BA, Weiner JH. Theory of Thermal Stresses. New York: Wiley. 1960.
[6]？？ Chadwick P. Thermoelasticity - the dynamic theory. In: Sneddon I N, Hill R. (eds) Progress in Solid Mechanics, Vol. I. Amsterdam: North-Holland, 1960. 263-328.
[7]？？ Nowacki W. Thermoelasticity. Massachusetts: Addison-Wesley, 1962.
[8]？？ Parkus H. Thermoelasticity. Wien: Springer, 1968.
[9]？？ Hetnarski RB. (eds) Thermal Stresses I. Amsterdam: North-Holland, 1986.
[10] Hetnarski RB. (eds) Ther