对流体力学做出巨大贡献的杰出历史人物

2017-02-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

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伯努利(Daniel I Bernoulli ,1700~1782年)

瑞士著名科学世家伯努利家族的重要成员之一。1700年1月29日出生于荷兰的格罗宁根。1782年3月17日卒于格罗宁根,终生独身。1726~1733年在俄国圣彼堡科学院主持数学部。伯努利具有坚实的数学基础和敏锐的洞察力,解决问题往往表现出他的独创性。1725~1749年间,他曾十次获得法国科学院的奖金。第一次获奖时仅24岁,当时他设计了一架用于海上测定时间的漏壶。他的研究领域包括数学、力学、磁学、潮汐、洋流、行星轨道等。他曾与瑞士数学家L欧拉和苏格兰数学家C马克劳林合作撰写关于潮汐的论文并获奖。

1738年他在施特拉斯堡出版了《水动力学》一书,奠定了这一学科的基础,并因此获得了极高的声望。他提出理想流体的能量守恒定律,即单位重量液体的位置势能、压力势能和动能的总和保持恒定,后即称为“伯努利定理”。在此基础上,他又阐述了水的压力、速度之间的关系,提出了流体速度增加则压力减小这一重要结论。伯努利在固体力学方面亦有很多论著,如1735年提出悬臂梁振动方程,1742年提出弹性振动理论中的叠加原理。

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欧拉 (Leohard Euler,1707~1783年)

瑞士数学家、力学家。1707年4月15日生于瑞士巴塞尔,1783年9月13日卒于俄国彼得堡。1727年,欧拉接受伯努利的建议,到俄国彼得堡科学院工作,1733年起继伯努利担任该院数学部主任。1735年因劳累导致右目失明。1741年应邀到德国任柏林科学院院士,在柏林的25年间撰写了大量著作,其中大部分送彼得堡科学院发表。1766年回俄国,不久全盲,但仍继续从事科学研究,如对当时的难题—月球运动理论进行的综合研究。研究成果由他口述,在大石板上书写数学式,再由其子笔录。欧拉一生虽历尽挫折,但仍勤奋工作终身。逝世当天下午,他还在石板上进行演算,黄昏进餐时讨论计算新发现的天王星轨道的方案,夜晚中风去世。

欧拉是18世纪著述最多的数学家,他的著述涉及当时数学的各个领域,许多数学名词都是以欧拉命名的,如“欧拉积分”、“欧拉数”、各种“欧拉公式”等。他同他的后继者J.-L.拉格朗日一起完成了数学由用综合方法到用分析方法的过渡。但是,两人在风格上迥然不同,欧拉以具体、细致著称,拉格朗日则以善于抽象、概括见长。

欧拉将数学方法用于力学,在力学各个领域中都有突出贡献:他是刚体动力学和流体力学的奠基者,弹性系统稳定性理论的开创人。在1736年出版的两卷集《力学或运动科学的分析解说》中,他考虑了自由质点和受约束质点的运动微分方程。欧拉在书中把力学解释为“运动的科学”不包括“平衡的科学”(即静力学)。

在研究刚体运动学和刚体动力学中,他得出了最基本的结果,其中有:刚体定点有限运动等价于绕过定点某一轴的转动;刚体定点运动可用三个角度(称为“欧拉角”)的变化来描述;刚体定点转动时角速度变化和外力矩的关系;定点刚体在不受外力矩时的运动规律,以及自由刚体的运动微分方程等。

这些成果均载于他的专著《刚体运动理论》(1765年)一书中。欧拉认为,质点动力学微分方程可以应用于液体(1750年)。他曾用两种方法来描述流体的运动,即分别根据空间固定点(1755年)和根据确定流体质点(1759年)描述流体速度场。这两种方法通常分别称为“欧拉表示方法”和“拉格朗日表示法”。欧拉奠定了理想流体(假设流体不可压缩,且其粘性可忽略)的运动理论基础,给出反映质量守恒的连续性方程(1752年)和反映动量变化规律的流体动力学方程(1755年)。欧拉研究过弦、杆等弹性系统的振动。他和伯努利一起分析过上端悬挂着的重链的振动以及相应的离散模型(挂有一串质量的线)的振动。他在伯努利的帮助下,得到弹性受压细杆在失稳后的挠曲线(elastica)的精确解。能使细杆产生这种挠曲的最小压力后被称为细杆的“欧拉临界负载荷”。欧拉在应用力学如弹道学、船舶理论、月球运动理论等方面也有研究。

欧拉写有专著和论文800多种。1911年起出版《欧拉全集》计划出74卷,已出72卷。他的著作大部分是用拉丁文写的。

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

法国力学家、数学家。1736年1月25日生于意大利都灵,1813年4月10日卒于巴黎。

拉格朗日20岁以前在都灵炮兵学校教数学课。1756年被选为柏林科学院外籍院士。1766年赴柏林科学院接替L欧拉,担任物理数学部主任,直到1787年离开柏林到巴黎定居为止。1789年法国革命后,他从事度量衡米制改革,担任法国经度局*委员,并讲授课程。1795年巴黎综合工科学校成立,他和该校创立者G蒙日(1746~1818年)一起担任主要的数学教员。他被拿破仑任命为参议员,封为伯爵,死后葬于巴黎先贤祠。

拉格朗日是分析力学的奠基人。他在所著《分析力学》(1788年)中,吸收并发展了欧拉、达朗贝尔等人的研究成果,应用数学分析来解决质点和质点系(包括刚体、流体)的力学问题。

拉格朗日继欧拉之后研究过理想流体的运动方程,并最先提出速度势和流函数的概念,成为流体无旋运动理论的基础。他在《分析力学》中从动力学普遍方程导出流体运动方程,着眼于流体质点,描述每个流体质点自始至终的运动过程,这种方法现在称为“拉格朗日方法”,以区别着眼于空间点的“欧拉方法”,但实际上这种方法欧拉也应用过。1764~1778年,他因研究月球平动等天体力学问题曾五次获法国科学院奖。在数学方面,拉格朗日是变分方法的奠基人之一;他对代数方程的研究为伽罗瓦群论的建立起了先导作用。

* 注:自从人类知道地球是圆球之后,就提出了经度和纬度这个概念。纬度测量相对简单些,天上的星星随着地球的自转自东向西运动着,海员们就可以在夜晚通过测量北极星和其他一些星体的位置来判断自己所处的纬度。但经度测量则相当麻烦,人们无法像测量纬度那样来测量经度。18世纪初叶,英国国会成立了经度委员会,法国成立了经度局,分别负责解决经度测量这难题。

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

英国力学家、数学家。1819年8月13日生于斯克林,1903年2月1日卒于剑桥。

斯托克斯从1849年起在剑桥大学任卢卡斯数学教授,1851年当选皇家学会会员,1854年起任学会书记,30年后被选为皇家学会会长。斯托克斯为继牛顿之后任卢卡斯数学教授、皇家学会书记、皇家学会会长这三项职务的第二个人。

斯托克斯的主要贡献是对粘性流体运动规律的研究。纳维尔从分子假设出发,将欧拉关于流体运动方程推广,1821年获得带有一个反映粘性的常数的运动方程。1845年斯托克斯从改用连续系统的力学模型和牛顿关于粘性流体的物理规律出发,在《论运动中流体的内摩擦理论和弹性体平衡和运动的理论》中给出粘性流体运动的基本方程组,其中含有两个常数,这组方程后称“纳维尔-斯托克斯方程”,它是流体力学中最基本的方程组。1851年,斯托克斯在《流体内摩擦对摆运动的影响》的研究报告中提出球体在粘性流体中作较慢运动时受到的阻力的计算公式,指明阻力与流速和粘滞系数成比例,这是关于阻力的“斯托克斯公式”。斯托克斯发现流体表面波的非线性特征,其波速依赖于波幅,并首次用摄动方法处理了非线性波问题(1847年)。

斯托克斯对弹性力学也有研究,他指出各向同性弹性体中存在两种基本抗力,即体积压缩的抗力和对剪切的抗力,明确引入压缩刚度的剪切刚度(1845年),证明弹性纵波是无旋容胀波(?),弹性横波是等容畸变波(1849年)。

斯托克斯还在数学方面以场论中关于线积分和面积分之间的一个转换公式(斯托克斯公式)而闻名。

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马赫(Ernst Mach,1838~1916年)

奥地利物理学家和哲学家。1838年12月18日生于摩拉维亚(今捷克斯洛伐克境内),1916年2月19日卒于德国哈尔。马赫早年就读于维也纳大学,1860年以放电和电感应方面的论文获得博士学位,六年后任该校物理教授,以后转入布拉格大学并长期在那里工作。他在力学、声学、热力学、实验心理学以及哲学方面都有贡献。

马赫用纹影技术研究飞行抛射体的工作最为人们所熟知,他在1887年起的几篇论文中指出,在空气中运动的物体发出以声速c传播的球面扰动波,当物体的速度v大于 c时,扰动波的波前形成以物体为顶点的锥形包络面(即所谓的“马赫锥”),锥面母线与物体运动方向所形成的角度α与v、c的关系是sinα = c / v。1907年,L普朗特首次称该锥角为“马赫角”。1929年J阿克莱特鉴于比值v/c在空气动力学研究中日益显示出重要性,建议用术语“马赫数”表示这一比值。上世纪30年代末,“马赫数”被引入英语文献,至今已成为表征流体运动状态的重要参数。

作为一个哲学家,马赫对当时物理学的许多基本观点持怀疑态度。他在其重要著作《力学》中对经典力学的时空观、运动观、物质观作了深刻的批判。他的思想对A爱因斯坦创立广义相对论起了一定的作用。广义相对论是对经典力学基本观念的彻底革新。马赫在《力学》中对力学史的研究也做出了贡献。此外,他在该书中阐明了他的哲学观点,认为物体只是许多感觉"要素"的复合。但列宁在《唯物主义和经验批判主义》(1909年)中对马赫的哲学观点作了批判。

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雷诺(O. Reynolds,1842-1912年)

英国力学家、物理学家和工程师。1842年8月23日生于北爱尔兰。1867年毕业于剑桥大学王后学院。1868年出任曼彻斯特欧文学院(后改名为维多利亚大学)的首席工程学教授。1877年当选为皇家学会会员。1888年获皇家勋章。雷诺是一位杰出的实验科学家。他于1883年发表了一篇经典性论文——《决定水流为直线或曲线运动的条件以及在平行水槽中的阻力定律的探讨》。这篇文章以实验结果说明水流分为层流与紊流两种形态,并提出以无量纲数Re(后被称为“雷诺数”)作为判别两种流态的标准。

雷诺于1886年提出轴承的润滑理论,1895年在湍流中引入有关应力的概念。雷诺兴趣广泛,一生著作很多,其中近70篇论文都有很深远的影响。这些论文研究的内容包括力学、热力学、电学、航空学、蒸汽机特性等。他的成果曾汇编成《雷诺力学和物理学课题论文集》两卷。

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普朗特(Ludwig Prandtl,1875~1953年)

德国物理学家,近代力学奠基人之一。1875年2月4日生于弗赖辛。于1913~1918年间提出了举力线理论和最小诱导阻力理论,后又提出举力面理论等。1925年以后建立威廉皇家流体力学研究所,并兼任所长。以后改所改名为普朗特流体力学研究所。

普朗特的母亲常年患病,因此普朗特的少年时期更多的时间是与父亲一起度过的。普朗特的父亲是个工学教授,与父亲在一起的生活经历使普朗特养成了观察自然、仔细体味的习惯。1894年普朗特进入慕尼黑技术学院(Technische Hochschule Munich)学习,6年后获得博士学位。普朗特在慕尼黑的工作是在固体力学范畴内,主要是设计一种工厂中使用的设备。在那里他第一次介入流体力学领域——当时他要设计一种吸出装置,在经过一系列试验对比后,他设计出一种流量更高、能耗更小的装置。

他在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、紊流理论等方面都做出了重要的贡献,被称作空气动力学之父。普朗特与蒂琼合著的《应用水动力学和空气动力学》于1931年出版。他的专著《流体力学概论》于1942年出版,中文译本在1974年出版。他的力学论文汇编为3卷本《全集》,于1961年出版。

他创立了边界层理论、薄翼理论、升力线理论,研究了超声速流动,提出“普朗特-葛劳渥法则”,并与他的学生梅耶(Meyer)一起研究了膨胀波现象(即“普朗特-梅耶流动”),并首次提出超声速喷管设计方法。普朗特的开创性工作,将19世纪末期的水力学和水动力学研究统一起来,因而被称为“现代流体力学之父”。除了在流体力学中的研究工作,他还培养了很多著名科学家,其中包括冯•卡门、梅耶等著名流体力学家,对我国流体力学研究做出奠基工作的陆士嘉教授也曾是普朗特的学生。

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冯•卡门 (Theodore von Kármán,1881~1963年)

冯•卡门出生在奥匈帝国布达佩斯一个犹太家庭,他曾在布达佩斯的时称皇家技术大学(即现在的布达佩斯技术经济大学)学习工程。1902年毕业后,他师从于哥廷根大学的路德维希•普朗特。1911年他归纳出钝体阻力理论,即著名的“卡门涡街”理论。这个理论大大改变了当时公认的气动力原则。这一研究后来很好的解释了1940年华盛顿州塔科马海峡桥在大风中倒塌的原因。1912年,冯•卡门成为亚琛工业大学气动力研究所所长。1915~1918年,在奥匈帝国军队的服役中止了他在亚琛工业大学设计早期直升机的生活。

1930年,冯•卡门移居美国,指导古根海姆气动力实验室和加州理工大学第一个风洞的设计和建设。在担任该实验室主任期间,他还提出了附面层控制的理论,1935年又提出了未来的超声速阻力的原则。1938年,冯•卡门指导美国进行第一次超声速风洞试验,发明了喷气助推起飞技术,使美国成为第一个在飞机上使用火箭助推器的国家。

科学成就的大小往往与科学家本人的个性品质相联系。卡门的成功一部分得益于他那开朗幽默、独立民主的性情。作为一名伟人,显贵、阔佬、军政领袖都竭力想与他交朋友,卡门也乐意与他们交往,他是属于上流社会的。然而,卡门并不是个势利小人,他会毫不迟疑地把一个花匠介绍给达官显贵们,并且一视同仁。他曾说过,爱因斯坦诚恳而善良的灵魂正是他所毕生追求的。卡门幽默风趣,爽朗而又健谈。他乐于谈论风流韵事,且会出其不意地说些稀奇古怪的片断。他那诙谐的腔调常常逗得那些严肃古板的人都捧腹大笑。卡门还善于把享乐和事业结合起来。他有一种特殊能力,表面上从事某种活动,脑海里却进行着自己的科学思考。他常会在聚会中溜走一两个小时,去推导一个方程或拟写一篇论文,然后再若无其事地回来,重拾他的话题。卡门这种开朗奔放、无拘无束的性格也反映在他的教书育人上。他认为,师生之间没有贵贱之分,只是贡献和学历上的差别,而且教与学是相长的。在教学方法上,他主张采用简单直观的方式,略去次要细节,抓住本质,采用形象的比拟和直观的图解,并要根据学生的平均水平进行讲解。

1939年,冯•卡门要求他的学生钱学森把两大命题作为他的博士论文的研究课题,从而建立崭新的“亚音速”空气动力学和“超音速”空气动力学。而其中一个命题就是著名的“卡门-钱公式”。这个公式是由冯•卡门提出命题,钱学森做出结果的。它是对亚声速气流中空气压缩性对翼型压强分布情况的计算,是“一种计算高速飞行着的飞机机翼表面压力分布情况”的科学公式。这个公式第一次发现了在可压缩的气流中,机翼在亚音速飞行时的压强和速度之间的定量关系。通俗地说来,就是要回答当飞机的飞行速度接近每秒为340米的音速时,空气的可压缩性对机翼和机身的升力的影响究竟有多大?“卡门-钱公式”回答了这个问题,准确的表达了这种量的关系,并且为实验所证明。

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泰勒(Geoffrey Ingram Taylor,1886~1975年)

英国力学家。1886年3月7日生于伦敦,1975年6月27日卒于剑桥。泰勒1905年进入剑桥大学三一学院学习,1907年通过第一部分学位考试(数学),1908年通过第二部分学位考试(物理)。毕业后在剑桥大学工作。他青年时爱好划船、滑翔、跳伞等活动,对其中不少涉及流体力学的问题深感兴趣。他曾于第一次世界大战期间入伍,在英国皇家飞机厂任气象员。1919年回到剑桥三一学院任讲师,在E卢瑟福领导的卡文迪什实验室工作,同年被选为皇家学会会员,1923年被任命为皇家学会两名研究教授之一,直到1951年退休时为止。1944年因科学工作成绩卓著被授予爵位。1945年参与美国曼哈顿工程的工作,参与在新墨西哥州进行的第一颗原子弹爆炸试验。泰勒长期在剑桥大学从事力学研究工作,其中有不少同国防科学有关,直到1972年4月因患中风失去工作能力为止。

泰勒对力学的贡献是多方面的。在流体力学方面,他阐明了激波内部结构(1910年);对大气湍流和湍流扩散作了研究(1915年,1921年,1932年);得出了同轴两转动圆筒间流动的失稳条件(1923年),在研究原子弹爆炸中提出强爆炸的自模拟理论(1946年,1950年);指出了在液滴中起主要作用的是表面张力而不是粘性力(1959年)等。在固体力学方面,他对晶体中的位错理论(1934年),薄板穿孔中的塑性流动(1940年)和高速加载材料试验(1946年)也做出了贡献。

泰勒科学工作的特点是擅长巧妙地把深刻的物理洞察力和高深的数学方法结合起来,并善于设计出简单而又完善的专门实验。1970年,他对流体力学中这种理论和实际相结合的方法作了总结性发言,后发表于1974年的《流体力学综述年刊》。泰勒自1909年到1974年间共发表科学论文200多篇, 编成《泰勒科学文集》, 共4卷,其中一卷为固体力学,三卷为流体力学。

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朗道 (L.D. Landau,1908—1968年 )

前苏联伟大的理论物理学家,郎道生平共发表一百多篇学术论文,涉及固体物理、原子核物理、等离子体物理、流体力学、天文学、量子力学和量子场论等各个领域。他与另一个物理学家栗弗席兹合著的《理论物理》全集九本书,实质上是理论物理方面最基本最完善的论著。该书论述的独创性和所包罗材料的广博性,在世界各国都是极为罕见的。因此,这部全集获得了巨大声誉,郎道本人则被誉为理论物理大师。他还团结了一大批科学家和青年学生,形成了举世闻名的苏联理论物理学派。

1950年,当时只有34岁的京茨堡和朗道一同提出了一个描述超导体特性的理论 —— “京茨堡—朗道理论”。这个理论可以准确地预测诸如超导体能负荷的最大电流等特性。

1957年,朗道的学生,阿布里科索夫却用这个理论得到了一个堪称超导理论和材料史上的经典结果,这个结果就是一个金茨伯格-朗道理论的解析解。阿布里科索夫的研究表明,还存在第二类超导体,这种超导体允许磁场穿过。如果没有阿布里科索夫的发现,或许今年的诺贝尔医学或生理学奖就不会授予劳特布尔和曼斯菲尔德:今天几乎所有产生强大磁场的超导磁铁都是由第二类超导体制造的。而没有强大的磁场,就没有磁共振成像技术。

1962年,朗道因为对液氦超流动性的研究而获得诺贝尔物理学奖。超流动性在常人看来是非常奇异的现象:如果你把液氦注入一个敞口的容器,那么液氦会“自动地”溢出容器。

朗道是典型的浪漫科学家,其特点是对多种多样的科学领域都有百科全书式的知识,特别是他对边缘科学表现出强烈的兴趣,思维和概念纷至沓来,但他通常不深究其细节。特别是,其创见和逻辑思维的过程富有直觉性,常常由奇妙的联想引申而来,思维相当发散、自由。除了科学工作之外,在生活的许多方面,朗道也喜欢标新立异,以其独特的风格别树一帜。

1958年,为了庆贺朗道50寿辰,苏联原子能研究所送给他一块大理石平板,平板上刻着朗道一生工作中的10项最重要的科学成果。人们借用宗教上的名次,把这些成果称为“朗道十诫”。这10项成果是:

量子力学中的密度矩阵和统计物理学(1927年);
自由电子抗磁性的理论(1930年);
二级相变的研究(1936~1937年);
铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释(1935年);
超导体的混合态理论(1934年);
原子核的几率理论(1937年);
氦Ⅱ超流性的量子理论(1940~1941年);
基本粒子的电荷约束理论(1954年);
费米液体的量子理论(1956年);
弱相互作用的CP不变性(1957年)。

1932年,朗道来到哈尔科夫,担任了理论物理研究部门的领导,稍后又兼任了新建的哈尔科夫技术物理学院理论系主任,但为时不久又因工作问题触犯了院长的尊严而被学院违规免职。1937年初,朗道来到专为大物理学家、科学院院士卡皮察建立的莫斯科物理问题研究所工作。

1938年春天,朗道因有德国间谍嫌疑而被逮捕。一年之后,物理学家卡皮察以人格作担保,并且以辞职相要挟,朗道才于1940年获释。其实,介入营救朗道活动的远不止卡皮察一个人,玻尔曾为此给斯大林写过言辞至为恳切的求情信,要求斯大林运用自己的权力和个人影响来赦免朗道。朗道被释放的确是幸运之事,在那些年月里,许多其他的人就没有这种幸运,包括朗道的许多同事,有的失踪了,有的不得不在集中营里渡过许多不堪忍受的时光。

1962年,朗道因“研究凝聚态物质的理论,特别是液氦的研究”而获得诺贝尔物理学奖。据说。朗道是犹太人。

按照朗道原来的计划,他的《理论物理学教程》应为九卷: