盤點對流體力學做出巨大貢獻的杰出歷史人物

伯努利(Daniel I Bernoulli ,1700~1782年)

瑞士著名科學世家伯努利家族的重要成員之一。1700年1月29日出生于荷蘭的格羅寧根。1782年3月17日卒于格羅寧根,終生獨身。1726~1733年在俄國圣彼堡科學院主持數(shù)學部。伯努利具有堅實的數(shù)學基礎和敏銳的洞察力,解決問題往往表現(xiàn)出他的獨創(chuàng)性。1725~1749年間,他曾十次獲得法國科學院的獎金。第一次獲獎時僅24歲,當時他設計了一架用于海上測定時間的漏壺。他的研究領域包括數(shù)學、力學、磁學、潮汐、洋流、行星軌道等。他曾與瑞士數(shù)學家L歐拉和蘇格蘭數(shù)學家C馬克勞林合作撰寫關于潮汐的論文并獲獎。

1738年他在施特拉斯堡出版了《水動力學》一書,奠定了這一學科的基礎,并因此獲得了極高的聲望。他提出理想流體的能量守恒定律,即單位重量液體的位置勢能、壓力勢能和動能的總和保持恒定,后即稱為“伯努利定理”。在此基礎上,他又闡述了水的壓力、速度之間的關系,提出了流體速度增加則壓力減小這一重要結論。伯努利在固體力學方面亦有很多論著,如1735年提出懸臂梁振動方程,1742年提出彈性振動理論中的疊加原理。

歐拉 (Leohard Euler,1707~1783年)

瑞士數(shù)學家、力學家。1707年4月15日生于瑞士巴塞爾,1783年9月13日卒于俄國彼得堡。1727年,歐拉接受伯努利的建議,到俄國彼得堡科學院工作,1733年起繼伯努利擔任該院數(shù)學部主任。1735年因勞累導致右目失明。1741年應邀到德國任柏林科學院院士,在柏林的25年間撰寫了大量著作,其中大部分送彼得堡科學院發(fā)表。1766年回俄國,不久全盲,但仍繼續(xù)從事科學研究,如對當時的難題—月球運動理論進行的綜合研究。研究成果由他口述,在大石板上書寫數(shù)學式,再由其子筆錄。歐拉一生雖歷盡挫折,但仍勤奮工作終身。逝世當天下午,他還在石板上進行演算,黃昏進餐時討論計算新發(fā)現(xiàn)的天王星軌道的方案,夜晚中風去世。

歐拉是18世紀著述最多的數(shù)學家,他的著述涉及當時數(shù)學的各個領域,許多數(shù)學名詞都是以歐拉命名的,如“歐拉積分”、“歐拉數(shù)”、各種“歐拉公式”等。他同他的后繼者J.-L.拉格朗日一起完成了數(shù)學由用綜合方法到用分析方法的過渡。但是,兩人在風格上迥然不同,歐拉以具體、細致著稱,拉格朗日則以善于抽象、概括見長。

歐拉將數(shù)學方法用于力學,在力學各個領域中都有突出貢獻:他是剛體動力學和流體力學的奠基者,彈性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論的開創(chuàng)人。在1736年出版的兩卷集《力學或運動科學的分析解說》中,他考慮了自由質點和受約束質點的運動微分方程。歐拉在書中把力學解釋為“運動的科學”不包括“平衡的科學”(即靜力學)。

在研究剛體運動學和剛體動力學中,他得出了最基本的結果,其中有:剛體定點有限運動等價于繞過定點某一軸的轉動;剛體定點運動可用三個角度(稱為“歐拉角”)的變化來描述;剛體定點轉動時角速度變化和外力矩的關系;定點剛體在不受外力矩時的運動規(guī)律,以及自由剛體的運動微分方程等。

這些成果均載于他的專著《剛體運動理論》(1765年)一書中。歐拉認為,質點動力學微分方程可以應用于液體(1750年)。他曾用兩種方法來描述流體的運動,即分別根據(jù)空間固定點(1755年)和根據(jù)確定流體質點(1759年)描述流體速度場。這兩種方法通常分別稱為“歐拉表示方法”和“拉格朗日表示法”。歐拉奠定了理想流體(假設流體不可壓縮,且其粘性可忽略)的運動理論基礎,給出反映質量守恒的連續(xù)性方程(1752年)和反映動量變化規(guī)律的流體動力學方程(1755年)。歐拉研究過弦、桿等彈性系統(tǒng)的振動。他和伯努利一起分析過上端懸掛著的重鏈的振動以及相應的離散模型(掛有一串質量的線)的振動。他在伯努利的幫助下,得到彈性受壓細桿在失穩(wěn)后的撓曲線(elastica)的精確解。能使細桿產(chǎn)生這種撓曲的最小壓力后被稱為細桿的“歐拉臨界負載荷”。歐拉在應用力學如彈道學、船舶理論、月球運動理論等方面也有研究。

歐拉寫有專著和論文800多種。1911年起出版《歐拉全集》計劃出74卷,已出72卷。他的著作大部分是用拉丁文寫的。

拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange ,1735~1813年)

法國力學家、數(shù)學家。1736年1月25日生于意大利都靈,1813年4月10日卒于巴黎。

拉格朗日20歲以前在都靈炮兵學校教數(shù)學課。1756年被選為柏林科學院外籍院士。1766年赴柏林科學院接替L歐拉,擔任物理數(shù)學部主任,直到1787年離開柏林到巴黎定居為止。1789年法國革命后,他從事度量衡米制改革,擔任法國經(jīng)度局*委員,并講授課程。1795年巴黎綜合工科學校成立,他和該校創(chuàng)立者G蒙日(1746~1818年)一起擔任主要的數(shù)學教員。他被拿破侖任命為參議員,封為伯爵,死后葬于巴黎先賢祠。

拉格朗日是分析力學的奠基人。他在所著《分析力學》(1788年)中,吸收并發(fā)展了歐拉、達朗貝爾等人的研究成果,應用數(shù)學分析來解決質點和質點系(包括剛體、流體)的力學問題。

拉格朗日繼歐拉之后研究過理想流體的運動方程,并最先提出速度勢和流函數(shù)的概念,成為流體無旋運動理論的基礎。他在《分析力學》中從動力學普遍方程導出流體運動方程,著眼于流體質點,描述每個流體質點自始至終的運動過程,這種方法現(xiàn)在稱為“拉格朗日方法”,以區(qū)別著眼于空間點的“歐拉方法”,但實際上這種方法歐拉也應用過。1764~1778年,他因研究月球平動等天體力學問題曾五次獲法國科學院獎。在數(shù)學方面,拉格朗日是變分方法的奠基人之一;他對代數(shù)方程的研究為伽羅瓦群論的建立起了先導作用。

* 注:自從人類知道地球是圓球之后,就提出了經(jīng)度和緯度這個概念。緯度測量相對簡單些,天上的星星隨著地球的自轉自東向西運動著,海員們就可以在夜晚通過測量北極星和其他一些星體的位置來判斷自己所處的緯度。但經(jīng)度測量則相當麻煩,人們無法像測量緯度那樣來測量經(jīng)度。18世紀初葉,英國國會成立了經(jīng)度委員會,法國成立了經(jīng)度局,分別負責解決經(jīng)度測量這難題。

斯托克斯(George Gabriel stokes,1819~1903年)

英國力學家、數(shù)學家。1819年8月13日生于斯克林,1903年2月1日卒于劍橋。

斯托克斯從1849年起在劍橋大學任盧卡斯數(shù)學教授,1851年當選皇家學會會員,1854年起任學會書記,30年后被選為皇家學會會長。斯托克斯為繼牛頓之后任盧卡斯數(shù)學教授、皇家學會書記、皇家學會會長這三項職務的第二個人。

斯托克斯的主要貢獻是對粘性流體運動規(guī)律的研究。納維爾從分子假設出發(fā),將歐拉關于流體運動方程推廣,1821年獲得帶有一個反映粘性的常數(shù)的運動方程。1845年斯托克斯從改用連續(xù)系統(tǒng)的力學模型和牛頓關于粘性流體的物理規(guī)律出發(fā),在《論運動中流體的內摩擦理論和彈性體平衡和運動的理論》中給出粘性流體運動的基本方程組,其中含有兩個常數(shù),這組方程后稱“納維爾-斯托克斯方程”,它是流體力學中最基本的方程組。1851年,斯托克斯在《流體內摩擦對擺運動的影響》的研究報告中提出球體在粘性流體中作較慢運動時受到的阻力的計算公式,指明阻力與流速和粘滯系數(shù)成比例,這是關于阻力的“斯托克斯公式”。斯托克斯發(fā)現(xiàn)流體表面波的非線性特征,其波速依賴于波幅,并首次用攝動方法處理了非線性波問題(1847年)。

斯托克斯對彈性力學也有研究,他指出各向同性彈性體中存在兩種基本抗力,即體積壓縮的抗力和對剪切的抗力,明確引入壓縮剛度的剪切剛度(1845年),證明彈性縱波是無旋容脹波(?),彈性橫波是等容畸變波(1849年)。

斯托克斯還在數(shù)學方面以場論中關于線積分和面積分之間的一個轉換公式(斯托克斯公式)而聞名。

馬赫(Ernst Mach,1838~1916年)

奧地利物理學家和哲學家。1838年12月18日生于摩拉維亞(今捷克斯洛伐克境內),1916年2月19日卒于德國哈爾。馬赫早年就讀于維也納大學,1860年以放電和電感應方面的論文獲得博士學位,六年后任該校物理教授,以后轉入布拉格大學并長期在那里工作。他在力學、聲學、熱力學、實驗心理學以及哲學方面都有貢獻。

馬赫用紋影技術研究飛行拋射體的工作最為人們所熟知,他在1887年起的幾篇論文中指出,在空氣中運動的物體發(fā)出以聲速c傳播的球面擾動波,當物體的速度v大于 c時,擾動波的波前形成以物體為頂點的錐形包絡面(即所謂的“馬赫錐”),錐面母線與物體運動方向所形成的角度α與v、c的關系是sinα = c / v。1907年,L普朗特首次稱該錐角為“馬赫角”。1929年J阿克萊特鑒于比值v/c在空氣動力學研究中日益顯示出重要性,建議用術語“馬赫數(shù)”表示這一比值。上世紀30年代末,“馬赫數(shù)”被引入英語文獻,至今已成為表征流體運動狀態(tài)的重要參數(shù)。

作為一個哲學家,馬赫對當時物理學的許多基本觀點持懷疑態(tài)度。他在其重要著作《力學》中對經(jīng)典力學的時空觀、運動觀、物質觀作了深刻的批判。他的思想對A愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論起了一定的作用。廣義相對論是對經(jīng)典力學基本觀念的徹底革新。馬赫在《力學》中對力學史的研究也做出了貢獻。此外,他在該書中闡明了他的哲學觀點,認為物體只是許多感覺"要素"的復合。但列寧在《唯物主義和經(jīng)驗批判主義》(1909年)中對馬赫的哲學觀點作了批判。

雷諾(O. Reynolds,1842-1912年)

英國力學家、物理學家和工程師。1842年8月23日生于北愛爾蘭。1867年畢業(yè)于劍橋大學王后學院。1868年出任曼徹斯特歐文學院(后改名為維多利亞大學)的首席工程學教授。1877年當選為皇家學會會員。1888年獲皇家勛章。雷諾是一位杰出的實驗科學家。他于1883年發(fā)表了一篇經(jīng)典性論文——《決定水流為直線或曲線運動的條件以及在平行水槽中的阻力定律的探討》。這篇文章以實驗結果說明水流分為層流與紊流兩種形態(tài),并提出以無量綱數(shù)Re(后被稱為“雷諾數(shù)”)作為判別兩種流態(tài)的標準。

雷諾于1886年提出軸承的潤滑理論,1895年在湍流中引入有關應力的概念。雷諾興趣廣泛,一生著作很多,其中近70篇論文都有很深遠的影響。這些論文研究的內容包括力學、熱力學、電學、航空學、蒸汽機特性等。他的成果曾匯編成《雷諾力學和物理學課題論文集》兩卷。

普朗特(Ludwig Prandtl,1875~1953年)

德國物理學家,近代力學奠基人之一。1875年2月4日生于弗賴辛。于1913~1918年間提出了舉力線理論和最小誘導阻力理論,后又提出舉力面理論等。1925年以后建立威廉皇家流體力學研究所,并兼任所長。以后改所改名為普朗特流體力學研究所。

普朗特的母親常年患病,因此普朗特的少年時期更多的時間是與父親一起度過的。普朗特的父親是個工學教授,與父親在一起的生活經(jīng)歷使普朗特養(yǎng)成了觀察自然、仔細體味的習慣。1894年普朗特進入慕尼黑技術學院(Technische Hochschule Munich)學習,6年后獲得博士學位。普朗特在慕尼黑的工作是在固體力學范疇內,主要是設計一種工廠中使用的設備。在那里他第一次介入流體力學領域——當時他要設計一種吸出裝置,在經(jīng)過一系列試驗對比后,他設計出一種流量更高、能耗更小的裝置。

他在邊界層理論、風洞實驗技術、機翼理論、紊流理論等方面都做出了重要的貢獻,被稱作空氣動力學之父。普朗特與蒂瓊合著的《應用水動力學和空氣動力學》于1931年出版。他的專著《流體力學概論》于1942年出版,中文譯本在1974年出版。他的力學論文匯編為3卷本《全集》,于1961年出版。

他創(chuàng)立了邊界層理論、薄翼理論、升力線理論,研究了超聲速流動,提出“普朗特-葛勞渥法則”,并與他的學生梅耶(Meyer)一起研究了膨脹波現(xiàn)象(即“普朗特-梅耶流動”),并首次提出超聲速噴管設計方法。普朗特的開創(chuàng)性工作,將19世紀末期的水力學和水動力學研究統(tǒng)一起來,因而被稱為“現(xiàn)代流體力學之父”。除了在流體力學中的研究工作,他還培養(yǎng)了很多著名科學家,其中包括馮?卡門、梅耶等著名流體力學家,對我國流體力學研究做出奠基工作的陸士嘉教授也曾是普朗特的學生。

馮?卡門 (Theodore von Kármán,1881~1963年)

馮?卡門出生在奧匈帝國布達佩斯一個猶太家庭,他曾在布達佩斯的時稱皇家技術大學(即現(xiàn)在的布達佩斯技術經(jīng)濟大學)學習工程。1902年畢業(yè)后,他師從于哥廷根大學的路德維希?普朗特。1911年他歸納出鈍體阻力理論,即著名的“卡門渦街”理論。這個理論大大改變了當時公認的氣動力原則。這一研究后來很好的解釋了1940年華盛頓州塔科馬海峽橋在大風中倒塌的原因。1912年,馮?卡門成為亞琛工業(yè)大學氣動力研究所所長。1915~1918年,在奧匈帝國軍隊的服役中止了他在亞琛工業(yè)大學設計早期直升機的生活。

1930年,馮?卡門移居美國,指導古根海姆氣動力實驗室和加州理工大學第一個風洞的設計和建設。在擔任該實驗室主任期間,他還提出了附面層控制的理論,1935年又提出了未來的超聲速阻力的原則。1938年,馮?卡門指導美國進行第一次超聲速風洞試驗,發(fā)明了噴氣助推起飛技術,使美國成為第一個在飛機上使用火箭助推器的國家。

科學成就的大小往往與科學家本人的個性品質相聯(lián)系?？ㄩT的成功一部分得益于他那開朗幽默、獨立民主的性情。 作為一名偉人,顯貴、闊佬、軍政領袖都竭力想與他交朋友,卡門也樂意與他們交往,他是屬于上流社會的。然而,卡門并不是個勢利小人,他會毫不遲疑地把一個花匠介紹給達官顯貴們,并且一視同仁。他曾說過,愛因斯坦誠懇而善良的靈魂正是他所畢生追求的?？ㄩT幽默風趣,爽朗而又健談。他樂于談論風流韻事,且會出其不意地說些稀奇古怪的片斷。他那詼諧的腔調常常逗得那些嚴肅古板的人都捧腹大笑?？ㄩT還善于把享樂和事業(yè)結合起來。他有一種特殊能力,表面上從事某種活動,腦海里卻進行著自己的科學思考。他常會在聚會中溜走一兩個小時,去推導一個方程或擬寫一篇論文,然后再若無其事地回來,重拾他的話題。卡門這種開朗奔放、無拘無束的性格也反映在他的教書育人上。他認為,師生之間沒有貴賤之分,只是貢獻和學歷上的差別,而且教與學是相長的。在教學方法上,他主張采用簡單直觀的方式,略去次要細節(jié),抓住本質,采用形象的比擬和直觀的圖解,并要根據(jù)學生的平均水平進行講解。

1939年,馮?卡門要求他的學生錢學森把兩大命題作為他的博士論文的研究課題,從而建立嶄新的“亞音速”空氣動力學和“超音速”空氣動力學。而其中一個命題就是著名的“卡門-錢公式”。這個公式是由馮?卡門提出命題,錢學森做出結果的。它是對亞聲速氣流中空氣壓縮性對翼型壓強分布情況的計算,是“一種計算高速飛行著的飛機機翼表面壓力分布情況”的科學公式。這個公式第一次發(fā)現(xiàn)了在可壓縮的氣流中,機翼在亞音速飛行時的壓強和速度之間的定量關系。通俗地說來,就是要回答當飛機的飛行速度接近每秒為340米的音速時,空氣的可壓縮性對機翼和機身的升力的影響究竟有多大?“卡門-錢公式”回答了這個問題,準確的表達了這種量的關系,并且為實驗所證明。

泰勒(Geoffrey Ingram Taylor,1886~1975年)

英國力學家。1886年3月7日生于倫敦,1975年6月27日卒于劍橋。泰勒1905年進入劍橋大學三一學院學習,1907年通過第一部分學位考試(數(shù)學),1908年通過第二部分學位考試(物理)。畢業(yè)后在劍橋大學工作。他青年時愛好劃船、滑翔、跳傘等活動,對其中不少涉及流體力學的問題深感興趣。他曾于第一次世界大戰(zhàn)期間入伍,在英國皇家飛機廠任氣象員。1919年回到劍橋三一學院任講師,在E盧瑟福領導的卡文迪什實驗室工作,同年被選為皇家學會會員,1923年被任命為皇家學會兩名研究教授之一,直到1951年退休時為止。1944年因科學工作成績卓著被授予爵位。1945年參與美國曼哈頓工程的工作,參與在新墨西哥州進行的第一顆原子彈爆炸試驗。泰勒長期在劍橋大學從事力學研究工作,其中有不少同國防科學有關,直到1972年4月因患中風失去工作能力為止。

泰勒對力學的貢獻是多方面的。在流體力學方面,他闡明了激波內部結構(1910年);對大氣湍流和湍流擴散作了研究(1915年,1921年,1932年);得出了同軸兩轉動圓筒間流動的失穩(wěn)條件(1923年),在研究原子彈爆炸中提出強爆炸的自模擬理論(1946年,1950年);指出了在液滴中起主要作用的是表面張力而不是粘性力(1959年)等。在固體力學方面,他對晶體中的位錯理論(1934年),薄板穿孔中的塑性流動(1940年)和高速加載材料試驗(1946年)也做出了貢獻。

泰勒科學工作的特點是擅長巧妙地把深刻的物理洞察力和高深的數(shù)學方法結合起來,并善于設計出簡單而又完善的專門實驗。1970年,他對流體力學中這種理論和實際相結合的方法作了總結性發(fā)言,后發(fā)表于1974年的《流體力學綜述年刊》。泰勒自1909年到1974年間共發(fā)表科學論文200多篇, 編成《泰勒科學文集》, 共4卷,其中一卷為固體力學,三卷為流體力學。

朗道 (L.D. Landau,1908—1968年 )

前蘇聯(lián)偉大的理論物理學家,郎道生平共發(fā)表一百多篇學術論文,涉及固體物理、原子核物理、等離子體物理、流體力學、天文學、量子力學和量子場論等各個領域。他與另一個物理學家栗弗席茲合著的《理論物理》全集九本書,實質上是理論物理方面最基本最完善的論著。該書論述的獨創(chuàng)性和所包羅材料的廣博性,在世界各國都是極為罕見的。因此,這部全集獲得了巨大聲譽,郎道本人則被譽為理論物理大師。他還團結了一大批科學家和青年學生,形成了舉世聞名的蘇聯(lián)理論物理學派。

1950年,當時只有34歲的京茨堡和朗道一同提出了一個描述超導體特性的理論 —— “京茨堡—朗道理論”。這個理論可以準確地預測諸如超導體能負荷的最大電流等特性。

1957年,朗道的學生,阿布里科索夫卻用這個理論得到了一個堪稱超導理論和材料史上的經(jīng)典結果,這個結果就是一個金茨伯格-朗道理論的解析解。阿布里科索夫的研究表明,還存在第二類超導體,這種超導體允許磁場穿過。如果沒有阿布里科索夫的發(fā)現(xiàn),或許今年的諾貝爾醫(yī)學或生理學獎就不會授予勞特布爾和曼斯菲爾德:今天幾乎所有產(chǎn)生強大磁場的超導磁鐵都是由第二類超導體制造的。而沒有強大的磁場,就沒有磁共振成像技術。

1962年,朗道因為對液氦超流動性的研究而獲得諾貝爾物理學獎。超流動性在常人看來是非常奇異的現(xiàn)象:如果你把液氦注入一個敞口的容器,那么液氦會“自動地”溢出容器。

朗道是典型的浪漫科學家,其特點是對多種多樣的科學領域都有百科全書式的知識,特別是他對邊緣科學表現(xiàn)出強烈的興趣,思維和概念紛至沓來,但他通常不深究其細節(jié)。特別是,其創(chuàng)見和邏輯思維的過程富有直覺性,常常由奇妙的聯(lián)想引申而來,思維相當發(fā)散、自由。除了科學工作之外,在生活的許多方面,朗道也喜歡標新立異,以其獨特的風格別樹一幟。

1958年,為了慶賀朗道50壽辰,蘇聯(lián)原子能研究所送給他一塊大理石平板,平板上刻著朗道一生工作中的10項最重要的科學成果。人們借用宗教上的名次,把這些成果稱為“朗道十誡”。這10項成果是:

• 量子力學中的密度矩陣和統(tǒng)計物理學(1927年);

• 自由電子抗磁性的理論(1930年);

• 二級相變的研究(1936~1937年);

• 鐵磁性的磁疇理論和反鐵磁性的理論解釋(1935年);

• 超導體的混合態(tài)理論(1934年);

• 原子核的幾率理論(1937年);

• 氦Ⅱ超流性的量子理論(1940~1941年);

• 基本粒子的電荷約束理論(1954年);

• 費米液體的量子理論(1956年);

• 弱相互作用的CP不變性(1957年)。

1932年,朗道來到哈爾科夫,擔任了理論物理研究部門的領導,稍后又兼任了新建的哈爾科夫技術物理學院理論系主任,但為時不久又因工作問題觸犯了院長的尊嚴而被學院違規(guī)免職。1937年初,朗道來到專為大物理學家、科學院院士卡皮察建立的莫斯科物理問題研究所工作。

1938年春天,朗道因有德國間諜嫌疑而被逮捕。一年之后,物理學家卡皮察以人格作擔保,并且以辭職相要挾,朗道才于1940年獲釋。其實,介入營救朗道活動的遠不止卡皮察一個人,玻爾曾為此給斯大林寫過言辭至為懇切的求情信,要求斯大林運用自己的權力和個人影響來赦免朗道。朗道被釋放的確是幸運之事,在那些年月里,許多其他的人就沒有這種幸運,包括朗道的許多同事,有的失蹤了,有的不得不在集中營里渡過許多不堪忍受的時光。

1962年,朗道因“研究凝聚態(tài)物質的理論,特別是液氦的研究”而獲得諾貝爾物理學獎。據(jù)說。朗道是猶太人。

按照朗道原來的計劃,他的《理論物理學教程》應為九卷:

1. 力學;

2. 場論;

3. 量子力學;

4. 相對論性量子理論(量子電動力學);

5. 統(tǒng)計物理學;

6. 流體力學;

7. 彈性理論;

8. 連續(xù)媒質電動力學;

9. 物理動力學。

不幸,朗道本人因為車禍,第四和第九兩卷來不及完成。他的合作者栗弗席茲教授按照當年他的原意和大綱,和其他人一起完成了這套巨著,據(jù)說還增加了第十卷。在這套教科書中,朗道贊譽相對論是“最優(yōu)美的物理理論”。不管怎樣,這大概是專業(yè)教材的一個頂峰了。

來源:微信公眾號-CAE集中營

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