Қолданбалы механика саласындағы ғалым Джон У. Хатчинсон

Кіріспе

Қолданбалы механика саласындағы ғалым Джон В. Хатчинсон (10 сәуір 1939 жылы туған) – Гарвард университетінің Инженерлік және қолданбалы ғылымдар мектебінің инженерлік ғылымдар жөніндегі Abbott and James Lawrence зерттеу профессоры. Ол құрылымдар мен инженерлік материалдардағы кең ауқымды мәселелермен айналысатын қатты дене механикасы саласында жұмыс істейді. Хатчинсон 1983 жылы Ұлттық инженерлік академиясының мүшесі болып сайланды, конструкциялардың серпімді және пластикалық бүктелуін, сондай-ақ инженерлік материалдардың механикалық қасиеттерін және сынуын түсінуге қосқан маңызды үлесі үшін.

Ерте өмір және білім

Джон Хатчинсон 1939 жылы Коннектикут штатының Хартфорд қаласында Джон У. Хатчинсон мен Эвелин Истберн Хатчинсонның үлкен баласы ретінде дүниеге келді. Ол туғаннан кейін шамамен бір ай өткен соң, отбасы Нью-Джерси штатының Бриджетон қаласына көшіп келді. Хатчинсонның әкесі, жаңадан диплом алған пресвитериан пасторы, Бірінші Пресвитериан шіркеуінің басшылығын қабылдады. Хатчинсон Бриджетон қаласында өсті және жергілікті орта мектепке қатысты. Ол бакалавриат білімін алу үшін Лихай университетіне түсті және жаңа құрылған Инженерлік механика кафедрасын таңдады. 1956-1960 жылдар аралығында Лихай университетінде оқыған кезде кеңістікке қатысты жетістіктер, әсіресе Совет Одағының жетістіктері, болашақ жас инженерлерге зор әсер етті. 1959 жылғы жазда Сиэтлдегі Boeing компаниясындағы жазғы жұмысы оны осы бағытта одан әрі ынталандырды. Хатчинсон Гарвард университетінде механикалық инженерия бойынша магистратураны жалғастыруды шешті, онда ол қатты механика және құрылымдар саласындағы сарапшы, NACA-дан (кейін NASA-ға айналған) келген Бернард Будианскийдің жетекшілігімен докторлық диссертациясын қорғады. Хатчинсонның диссертациясы поликристалдық пластикалық теорияға қатысты, бұл поликристалды құрайтын жеке кристалдық түйірлердің микроскопиялық қасиеттеріне негізделген инженерлік масштабтағы құрылымдық металдардың сызықтық емес пластикалық қасиеттерін сипаттауға жасалған алғашқы әрекет болды. 1963 жылдың көктемінде диссертациясын қорғағаннан кейін Хатчинсон Данияның Копенгагендегі Техникалық университетінде алты айлық докторантурадан өтті, оны қатты механика бөлімінің меңгерушісі Фритоф Ниордсон қабылдады. Даниямен байланыс ұзаққа созылатын болады. Данияда жүргенде, ол Гарвардқа оқытушы болып қайта оралуға шақырылды. Бұл байланыс та ұзаққа созылды. Ол Гарвардтағы мансап бағамымен өсті және 50 жыл бойы факультетте қызмет етті, қазіргі таңдағы зерттеу профессоры (эмеритус мәртебесі) болып жұмыс істеп жатыр. Сонымен қатар, Данияның Техникалық университетінде адъюнкт-профессор және Санта-Барбарадағы Калифорния университетінде қонақ профессоры болып табылады. Хатчинсон 1964 жылы Гарвардтағы оқытушылық қызметін бастаған кезде, бірнеше көрнекті аға әріптестері оған үлкен әсер етті. Будианскийден басқа, Джордж Карриер (сұйықтықтар және қолданбалы математика), Брюс Чалмерс (металлургия) және Лайелл Сандерс (қатты денелер) және тағы да басқалары болды. 1960 жылдары американдық университеттерде инженерлік және қолданбалы ғылымдар едәуір өсті, ал Гарвард елдегі ең көне университет ретінде бастама берген және зерттеулерге арналған мықты дәстүрі болғандықтан, жас оқытушы үшін өте тартымды орын болды. Хатчинсонға оқытушы болып жұмысқа орналасқанда, деканы оған тұрақты лауазым ашылмауы мүмкін екенін және ол өзінің орнын уақытша бес жылдық жұмыс ретінде қарауы керектігін айтты. Сол кездегі оптимизмді көрсететін бұл болжам маңызды емес, өйткені жас оқытушы басқа жерде көптеген жұмыс орындары болады деп болжауға болады. Дегенмен, декан қателесті, лауазым ашылды және 1969 жылы Хатчинсон Гордон Маккей қолданбалы механика профессоры атанды және біраз уақыт бойы өнер және ғылым факультетінің ең жас профессоры болды. Дипломдық жұмысынан кейін Хатчинсон Будианскиймен бірнеше жыл бойы қабырға құрылымдарының бүктелуі бойынша кеңінен жұмыс істеді. Ғарыш-авиация саласында қолданылатын негізгі құрылымдар ретінде қабықтар инженерлік қиындық тудырады, өйткені кейбір маңызды конфигурациялар үшін тіпті мұқият жасалған қабық теориялық түрде "мүсіндей" нұсқасы үшін болжалданған жүктеменің шағын бөлігінде апатты түрде бүгілуі мүмкін. Барлық нақты қабықтарда белгілі бір деңгейде кемшіліктер болады. Будианский мен Хатчинсонның жұмысы маңызды қабықша құрылымдарының бүктелу кемшілігіне сезімталдығын сипаттады және мөлшерледі. Бұл үшін олар Голландияның Делфт техникалық университетінің Уорнер Койтердің эластикалық тұрақтылық туралы жұмысына үлкен мән берді, оның жұмысы сол кезде Ph.D. голланд тілінде жарияланған диссертацияда ғана қолжетімді болды. Хатчинсонның Койтермен байланысы шетелдік және американдық әріптестермен жемісті және қызықты ынтымақтастықтың бастамасы болды. 1960 жылдар механика және материалдар ғылымдарының зерттеушілері өзара іс-қимылын күшейткен кезең болды. Қатты механика материалдарда туындайтын проблемаларға көбірек назар аударды. Механика жағынан Гарвардтағы Будианский және МТИ-дегі Фрэнк Макклинток осы басымдықтың өзгеруіне бастама көтерді және екеуі де Хатчинсонның материалдардың микромеханикасы деп белгілі болған салаға қызығушылығын арттырды. 1960 жылдардың соңында және 1980 жылдардың басында Хатчинсон материалдардың сыну механикасы және әсіресе, берік құрылымдық металл қорытпаларының жарылуына қолданылатын сызықсыз сыну механикасын әзірлеумен айналысты. Сол кездегі сызықтық сыну механикасы пластикалық деформация кеңінен жүрген жағдайда қолданылмайтын, көптеген инженерлік қорытпалар үшін әдетте болатын жағдай. 1968 жылы жарияланған бір мақала пластикалық деформацияға ұшыраған материалдардағы жарық тірегінің жанындағы кернеу мен деформацияны сипаттады. Осы журналдағы басқа да мақалалар Райс және Розенгреннің ұқсас жарық талдауларын жариялады. HRR жарық тірегінің өрістері, олар содан бері белгілі болды, сызықсыз сыну механикасының теориялық негізін құрайды. Сол кезде Браун университетінде болған Джеймс Райс 1981 жылы Гарвард факультетіне қосылып, Хатчинсонның жақын әріптесі болды. 1970 жылдардың соңында DARPA демеушілігімен өткізілген Материалдарды зерттеу кеңесінде (кейіннен Қорғаныс ғылымы зерттеу кеңесі деп аталды) Хатчинсон материалдар ғалымы және инженері А.Г. (Тони) Эванспен ынтымақтастық бастады, ол Эванстың 2009 жылы қайтыс болғанға дейін трица жылдан астам уақытқа созылды. Эванс технологиялық проблемаларды тануда шебер болды және инженерлер, химиктер, физиктер мен материалдар ғалымдарынан тұратын командаларды құруда теңдесі жоқ шеберлікке ие болды. Хатчинсонның механикалық модельдеу және талдау дағдылары Эванстың материалдар мен олардың қасиеттері туралы кең біліміне толықтырды. Бірге олар керамикадағы беріктік механизмдері, жоғары температурада қолданылатын керамикалық матрицалық композиттік материалдар, жұқа пленкалар механикасы, байланыстырылған материалдардың интерфейстік бұзылуының механикасы және ұшқыш қозғалтқыштар мен қуат өндіруші турбиналарда қолданылатын керамикалық жылу тосқауылды жабындардың қабаттануы және жарылуы сияқты көптеген технологиялық салалардың инженерлік ғылымына үлес қосты. Барлығы екеуі бірге 74 мақала жазды. 1990 жылдары және одан кейін Хатчинсон қолданбалы проблемалардың кең ауқымы бойынша зерттеулерін жалғастырды. Сонымен қатар, ол бұрынғы зерттеулерін толығымен тоқтатпады, осылайша зерттеу мүдделері мен техникалық білімінің әртүрлі спектрін бірте-бірте жинады. Жаңа салаларға қабатталған материалдардың, мысалы, жұқа пленкалар мен жабындардың және электроника мен оптикада қолданылатын көп қабатты материалдардың сынуы мен қабаттануының толық механикасын әзірлеуге бағытталған күшті күш-жігер жұмсалды, сондай-ақ металдардың классикалық пластикалық теориясын кішкентай масштабқа кеңейту, онда көлемге байланысты күшті әсерлер басым болады. Соңғы кезде Хатчинсон эластомерлер және гельдер сияқты жұмсақ материалдардың деформациясының тұрақтылығына назар аударды, олардың маңыздылығы артып келеді, әсіресе биомедициналық қолданыстарға байланысты. Хатчинсон көптеген жағынан бақытты болғанын айтуға болады, ғалым ретінде өсу үшін зерттеулерге күшті қолдау көрсететін және керемет әріптестер мен студенттерге ие болатын ортада жұмыс істеу мүмкіндігіне ие болды, сонымен қатар ел инженерлік және қолданбалы ғылымдарға үлкен инвестиция жасаған кезде өсті. Ол 36 докторлық диссертацияның ғылыми жетекшісі болды. Бұл статистика, әсіресе ... болғандықтан, ерекше емес.

John Hutchinson was born in Hartford, Connecticut, in 1939, the eldest child of John W. Hutchinson and Evelyn Eastburn Hutchinson. A month or so after he was born, the family moved to Bridgeton, New Jersey, where Hutchinson's father, a newly ordained Presbyterian minister, assumed the pastorship of the First Presbyterian Church. Hutchinson grew up in Bridgeton and attended the local high school. He matriculated at Lehigh University for his undergraduate studies eventually electing to major in the newly created Department of Engineering Mechanics. He attended Lehigh during the period 1956 to 1960 when space achievements, particularly those of the Soviet Union, had considerable influence on aspiring young engineers. He was further motivated in this direction in the summer of 1959 by a summer job at Boeing in Seattle. Hutchinson decided to pursue graduate work in mechanical engineering at Harvard University where he conducted his Ph. D. research under Bernard Budiansky, an expert in solid mechanics and structures who had come to Harvard from NACA (the predecessor to NASA). Hutchinson's thesis was on the theory of polycrystalline plasticity, an early effort to characterize the nonlinear plastic behavior of structural metals at the engineering scale based on the microscopic behavior of the single crystal grains comprising the polycrystal. After finishing his thesis in the spring of 1963, Hutchinson spent a six month post doctoral period at the Technical University of Denmark in Copenhagen hosted by Frithof Niordson, the head of the solid mechanics department. The connection with Denmark would prove to be an enduring one. While in Denmark, he was invited to return to Harvard to join the faculty as an assistant professor. This would also prove to be an enduring connection. He worked his way through the ranks at Harvard and served on the faculty for fifty years and continues at the university as a Research Professor (emeritus status). He also holds the position of Adjunct Professor at the Technical University of Denmark and a Visiting Professorship at the University of California at Santa Barbara. When Hutchinson assumed his faculty position at Harvard in 1964, he was greatly influenced by a number of remarkable senior colleagues. In addition to Budiansky, there were George Carrier (fluids and applied mathematics), Bruce Chalmers (metallurgy) and Lyell Sanders (solids), to name just a few. The 1960s saw significant growth in engineering and applied science in American universities, and Harvard, given its head start as the country's oldest university and its strong tradition for research, was an exciting place for a young faculty member. When hired as an assistant professor, Hutchinson was told forthrightly by his Dean that there would be no possibility of a tenure slot opening up and he should view his position as a temporary five year job. As a reflection of the optimism of those times, this prognosis hardly mattered because a young faculty member could realistically assume plenty of jobs would be available elsewhere when the time came to move on. In any case, the Dean was wrong, a tenure slot did open up, and in 1969 Hutchinson became the Gordon McKay Professor of Applied Mechanics and for a period of time the youngest professor in the Faculty of Arts and Sciences. After his thesis work, Hutchinson collaborated extensively for several years with Budiansky on the buckling of shell structures. As the basic structures used in aerospace applications, shells are an engineering challenge because for some critically important configurations even a carefully manufactured shell may buckle catastrophically at a load which is a small fraction of what is predicted theoretically for a “perfect” version. All real shells have some level of imperfection. The work of Budiansky and Hutchinson characterized and quantified the buckling imperfection sensitivity of important shell structures. In doing so, they made heavy use of the fundamental work on elastic stability of Warner Koiter of the Technical University of Delft in Holland, whose work at the time was only available in his Ph. D. thesis published in Dutch. Hutchinson's interactions with Koiter were the beginning of much productive and enjoyable collaboration with foreign colleagues as well as those in America. The 1960s was a period in which researchers in mechanics and materials science greatly increased their interactions. Solid mechanics became increasingly focused on problems arising in materials. On the mechanics side, Budiansky at Harvard and Frank McClintock at MIT were pioneers in this shift in emphasis and both contributed to Hutchinson's interest in what became known as the micro mechanics of materials. In the late 1960s and well into the 1980s Hutchinson worked on the fracture mechanics of materials and, in particular, on the development of nonlinear fracture mechanics applicable to cracking of tough structural metal alloys. The linear fracture mechanics existing at the time was not applicable when extensive plastic deformation occurred prior to cracking, which is typically the case for many engineering alloys. One paper published in 1968, characterized the stress and strains near the tip of a crack in materials undergoing plastic deformation. In the same journal issue a similar crack analysis was published by Rice and Rosengren. The HRR crack tip fields, as they came to be known, provide a theoretical underpinning of nonlinear fracture mechanics. James Rice, who was at Brown University at that time, would join the faculty at Harvard in 1981 and become Hutchinson's close colleague. In the late 1970s while serving on the Materials Research Council (later called the Defense Science Research Council) sponsored by DARPA, Hutchinson began a collaboration with the materials scientist and engineer A. G. (Tony) Evans which lasted over thirty years until Evans' death in 2009. Evans was an excellent judge of technological problems with an unmatched flair for forming teams of engineers, chemists, physicists and materials scientists to tackle challenging problems. Hutchinson's skills in mechanics modeling and analysis complemented Evans' broad knowledge of materials and their behavior. Together they contributed to the engineering science of many technological areas, including toughening mechanisms in ceramics, ceramic matrix composite materials for high temperature applications, thin film mechanics, the mechanics of interface failure for bonded materials, and the delamination and spalling of ceramic thermal barrier coatings used in aircraft engines and power generating turbines. In all, the two co authored 74 papers together. In the 1990s, and thereafter, Hutchinson's continued research on a wide variety of applied problems. Moreover, he never fully abandoned subjects he had earlier pursued thereby gradually accumulating a fairly large array of research interests and technical expertise. New areas included a major effort to develop a comprehensive mechanics of the fracture and delamination of layered materials, such as thin films and coatings and the multilayers used in electronics and optics, and the extension of the classical plasticity theory of metals to small scales where strong effects related to size become dominant. Most recently Hutchinson has focused his attention on the stability of deformation of soft materials such as elastomers and gels, which have emerged as being of major interest, especially because of potential bio medical applications. It is fair to say that Hutchinson has been fortunate in many respects, not only in having the privilege to work in an environment which provides strong support to research with stellar colleagues and students, but also to have ripened as an engineering scientist at a time when the nation was heavily investing in engineering and applied science. He has been the thesis adviser to 36 Ph. D. students. A telling statistic, which is not as unusual as it might sound for an active researcher these days, at least one who has been working for over fifty years, is that Hutchinson has published almost 350 technical papers and the number of different co authors (i. e., distinct individuals) is nearly 200. Of these co authors about 65% were in America, at least at the time the work was conducted, and 35% worked in other countries. Approximately 25% of his co authors were Harvard students, post docs or faculty. A further statistic which might interest younger colleagues contending with today's academic pressures is that in the first decade after publishing his first paper, Hutchinson published an average of only 2.3 papers/year, in the second decade 3.8 papers/year, in the third decade 5.6 papers/year, in the fourth decade 9.5 papers/year, and in the fifth decade 6.6 papers/year. Hutchinson has received various honors, including the Timoshenko Medal of the American Society of Mechanical Engineers awarded in 2002. In 2015 the science society, Sigma Xi, awarded Hutchinson the Ferst Award in recognition of his contributions to mentoring students. Many of his former Ph. D. students were present at a festive ceremony at Georgia Tech. Hutchinson was elected to the American Academy of Arts and Sciences in 1976, the U. S. National Academy of Engineering in 1983 and the National Academy of Sciences in 1990. In 2013 he was elected as a foreign member to the Royal Society of London. He has been awarded honorary doctoral degrees by the Royal Institute of Technology, Stockholm (1985), The Technical University of Denmark (1992), Northwestern University (2002), Lehigh University (2004) and The University of Illinois (2005). Hutchinson was awarded the Ludwig Prandtl Ring from the Deutsche Gesellschaft für Luft und Raumfahrt (German Society for Aeronautics and Astronautics) for "outstanding contribution in the field of aerospace engineering" in 2012.