早期研究流体力学的科学家故事

早期研究流体力学的科学家们

——浅谈流体力学的起源与早期发展 邓国海

（宁波大学海运学院，浙江 宁波 31500）

摘要：

说明了什么是流体力学，简述了流体力学的发展过程，说明了古时人们的梦想与探索对流体力学的重要性，讲述了早期流体力学的建立过程，介绍了十九、二十世纪流体力学的研究者们，讲述了早起流体力学先驱们的故事

Abstract:

Explains what is the fluid mechanics. the development course of fluid mechanics, the ancient people's dreams and to explore the importance of fluid mechanics, tells the establishment early in the process of fluid mechanics, the researchers in twentieth Century nineteen, fluid mechanics, fluid mechanics, tells the story of the early pioneers of the story

关键词：流体力学, 牛顿粘性定律 ,欧拉方程, 伯努利方程 ,动力学 ,空气动力学, 水动力学

Keywords: Fluid mechanics, Newton viscous law, Euler equation, Bernoulli equation, Dynamic, Aerodynamic, Water dynamics

中图分类号：O35 文献标志码：E 前言：

何谓流体力学？流体力学是主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律的一门力学的分支学科。1738年伯努利著书《水动力学》，并提出了“水动力学”，1880年前后出现了“空气动力学”，1935年以后，人们概括了两方面知识，建立统一的体系，即为“流体力学”主要研究水和空气。

流液体力学是一门很有实用性的科学，不管是在航空还是航海领域、医学以及其他很多领域也都离不开流体力学。没有流体力学的支撑，万吨级或者是万吨级轮船不可能安然航行于大海，飞机不可能飞行于蓝天，医生甚至无法测量我们的血压??笔者是一名正在修读航

海技术的在校大学生，深知流体力学在在航海领域是非常重要的，今天我们对流体力学的研究已经比较多了，然而早期的科学先驱者们对流体力学的研究，提起的人也不多，笔者觉得有必要对早期流体力学研究者们进行简单介绍，为此，笔者将通过网络、书籍等途径了解到的有关早期流体力学发展过程展示出来。：

1. 流体力学的发展过程

流体力学作为一门分支学科的出现，是在18世纪，但早在几千年前，科学家们（哲学家们，因为那时的科学和哲学还未分开）就开始对流体力学进行了探索，先驱们的梦想和实践，对后来的流体力学研究有着推动作用，17世纪，科学迅猛发展，力学领域的研究者们开始对流体进行深入研究，18世纪，欧拉、伯努利、克莱洛、达朗贝尔正式将流体力学作为一个分支学科， “欧拉方程”和“伯努利方程”的建立，成为流体力学作为一个分支学科的标识。通过19世纪和20世纪科学家们的不断研究，现在的流体力学已经是一门比较成熟的学科

1.1早期人类的梦想与探索

春秋时期，《墨子》就有了“墨子为木鸢，三年而成，蜚一日而败。”“公输子削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下。公输子以为至巧。子墨子谓公输子曰：子之为鹊也，不若翟之为车辖，须臾刘三寸之木而任五十石之重。故所谓巧，利于人谓之巧，不利于人谓之拙。”的说法，虽然其中所说的的“木鸢”或者“木鹊”可能并非真实出现过或者有夸大的成分，但至少这却也几千年后的今天完全实现了的，“木鸢”或者“木鹊”就是利用了流体力学，有了梦想，什么都有可能，这可能是历史上最早有关空气方面力学的著作。

我们熟知的“曹冲称象”亦是对流体的利用。

阿基米德是我们熟知的哲学家、数学家、物理学家、人们认为他是静态力学和流体静力学的奠基人，阿基米德是一个多才的科学家，在很多领域都颇有建树，他著了很多书其中《论浮体》可以认为是最早有关流体力学的文献，其中记载有包括我们熟知的“阿基米德原理”等，该书阐述了很多关于液体（流体）的理论，这些理论为以后研究流体力学提供了很大的帮助。

文艺复兴时期的列奥纳多·达·芬奇是一个奇才，他在很多领域如艺术、医学、建筑、地质、文学等都颇有建树，也是一个多产的发明家，他对飞行现象非常着迷，达·芬奇做了鸟类飞行的详细研究，同时策划了数部飞行机器，包括了以4个人力运作的直升机（但因机

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体本身亦会旋转故无法作用）以及轻型滑翔翼，1496年1月3日，他曾测试了一部自制飞行机器但以失败告终。

1.2早期流体力学的研究

早期流体力学从牛顿开始研究，从牛顿开始，到开始用微分方程和试验测量进行流体运动定量研究的阶段，此阶段一般称为早期流体力学研究。 18世纪的克莱诺、欧拉、伯努利、和达朗贝尔打下基础、欧拉方程和伯努利方程的建立，标志着流体力学作为一门分支学科建

立。牛顿提出了“牛顿粘性定律”开始，其他几个科学家运用数学公式研究流体，开启了流体力学的大门。

1.3 十九世纪流体力学研究

法国物理学家和工程师纳维，他建立了流体平衡和运动的基本方程，英国力学家、数学家斯托克斯，建立了粘性流体运动的基本方程组，他们两人的方程叫做N-S方程。 1858年德国物理学家、生理学家亥姆霍兹提出了“亥姆霍兹涡量定理”，1869年爱尔兰数学家、物理学家、工程师开尔文发现“开尔文环量定理”即“开尔文-亥姆霍兹定理”，很多重要流体现象都可以用此定理来解释。

1883年英国力学家、物理学家和工程师雷诺用实验证实了粘性流体的层流和紊流两种流态，并找到了雷诺数（实验研究粘性流体流动规律的相似准则数），同时提出雷诺平均N-S方程，该方程至今还是湍流计算中的主要数学模型。

１９世纪的科学家们，对流体力学的研究，使流体力学得到了很好的发展。 1.4 二十世纪流体力学

德国哥廷根学派创立人、德国物理学家、哥廷根大学教授、近代力学奠基人之一的普朗特将“水力学”和“水动力学”联系起来进行研究，因此，普朗特也被成为“现代流体力学之父”，提出了“失速”，笔者即将从事的领域里面有一个很重要的一个现象——滑失，滑失是在船上失速即是船舶主机理论推进距离与实际前进距离只差，看似失速对船舶推进有反作用，其实失速是船舶转向是必须用到的，失速越大，舵力就会越大，其实，滑失与失速也是有关系的。同时提出了边界层理论。中国第一个空气动力学专业奠基人陆士嘉教授即是普朗特的学生。

钱学森先生的导师——冯·卡门提出了“卡门涡街”理论，建立了“湍流”概念以及“可压缩空气动力学理论体系”，超声速的到来，也与冯·卡门息息相关。

英国人泰勒对大气湍流进行了研究，同时对原子弹爆炸的自模拟理论进行了研究，发现了失稳条件，指出了液滴中的里的作用等。

通过20世纪的科学家们研究，流体力学得到了很大的应用。 ２.早期研究流体力学的科学家们 ２.１ 牛顿

艾萨克·牛顿（1643年1月4日—1727年3月31日）爵士，英国皇家学会会员（后曾任会长），英国著名的全才科学家，著作有《自然哲学的数学原理》、《光学》。十万引力和牛顿三大定律的提出者.

伍尔索普庄园，在英格兰林肯郡乡下的伍尔索普村，是牛顿1643年1月4日出生的地方。牛顿从小喜欢读书，也爱做一些小东西，比如小学课本中提到的风车，以及其他如日晷等。小学时的牛顿学习成绩一般，但是因为爱思考，一次偶然的机会，让他的学习成绩突飞猛进，就是他和一个爱欺负他的学生打过一架。牛顿在中学时代学习成绩很出众，爱好读书，对自然现象有好奇心，例如颜色、日影四季的移动，尤其是几何学，哥白尼的日心说等。他

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还分门别类的记读书笔记，又喜欢别出心裁地做些小工具、小技巧、小发明，小试验。 大学时，牛顿最有影响力的研究——万有引力被他发现，同时，大学期间牛顿有很多方面研究，后来牛顿接替胡克成为英国皇家学会会长，之后成为议员，开始从政，1696年，牛顿通过了当时的财政大臣查尔斯·孟塔古的提携迁到了伦敦作皇家铸币厂的监管，一直到去世。他主持了英国的最大货币重铸工作，此职位一般都是闲职，但牛顿却非常认真的对待。身为皇家铸币厂的主管官员，牛顿估计大约有20%的硬币是伪造的。为那些恶名昭著的罪犯定罪是

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非常困难的；不过事实证明牛顿做得很好。牛顿为此当上了太平绅士。

牛顿是早期最早研究流体力学的科学家，他提出了“牛顿粘性定律”即“牛顿内摩擦定律 ”。

牛顿粘性定律是“对部分定常层流内摩擦力的定量计算式”。若流体满足该定律，则该流体称为牛顿流体。

顿粘性定律表达式为：F=μ(du/dy)A

其物理意义为速度按某种曲线规律连续变化。这种速度沿距离y 的变化称为速度分布。设某一流层速度为u，与其相邻流层速度为（ u+du），du为其流速变化值，设流层间沿 y轴距离差为 dy，若两板间的距离很小，则两板间的流速变化无限接近线性，即可化为流速

梯度 ：

设F为流体各层间的内摩擦力，流体间接触面积为 A

液体内摩擦力又称粘性力，液体流动时呈现的这种性质称为粘性，度量粘性大小的物理量称为粘度。液体的粘性是组成液体分子的内聚力要阻止分子相对运动产生的内摩擦力，液体只有在流动或者流动趋势时才会出现粘性。这种内摩擦力只能使液体流动减慢，不能阻止，

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这是与固体摩擦力不同的地方。

牛顿粘性定律开启了早起流体力学研究的大门，流体力学开始了公式式的研究。 2.2 伯努利

丹尼尔·伯努利，数学、物理学、医学家，1700年2月8日生于荷兰格罗宁根；1782年3月27日卒于瑞士巴塞尔．是的伯努利家族最出的一位，他领域极为广泛，几乎涉及到当时的数学和物理学的研究前沿的问题都有所研究，他被推崇为数学物理方法的奠基人。他726年出的伯努利方程对数学影响深远。

伯努利方程为P?12?v?PT,即静压+动压=总压=常数 2其被认为式流体的机械能守恒定律，即“动能+重力势能+压力势能=常数”，其实这是伯努利通过机械能守恒定律推导出的 著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。就是从这上面得到的。 伯努利方程得出的结论，笔者所学的专业里面就用到了，航海学中有一种现象叫做“船吸”，即两条船舶，相对速度大（较近）是，会发生相互靠拢的现象。 伯努利方程在航空、航海中利用广泛。 2.3 欧拉 欧拉，瑞士数学家和物理学家，是第一个使用“函数”，把微积分应用于物理学的先驱者之一，在流体力学上，欧拉方程做出了不可替代的贡献。 欧拉方程： ??V?t?(V?▽)V????1?▽? 欧拉方程至今仍应用于空气动力学和水波等理论，它是理想流液体的基本方程，欧拉方程玉帛努力方程的建立，是流体力学作为一门学科的标志。有了欧拉方程和伯努利方程，流体力学研究才得以进行。 2.4 拉普拉斯 拉普拉斯是法国分析学家、概率论学家和物理学家，法国科学院院士。拉普拉斯还是一个和拿破仑有着密切关系的官员，他拥护拿破仑，任过拿破仑的老师。在流体力学上，拉普拉斯方程至今仍在广泛运用。 拉普拉斯方程： ▽p=γ（1/R1+1/R2）

拉普拉斯程表示液面曲率与液体压力之间的关系的公式。一个弯曲的表面称为曲面，，通常用相应的两个曲率半径来描述曲面，即在曲面上某点作垂直于表面的直线，再通过此线作一平面，此平面与曲面的截线为曲线，在该点与曲线相切的圆半径称为该曲线的曲率半径R1。通过表面垂线并垂直于第一个平面再作第二个平面并与曲面相交，可得到第二条截线和它的曲率半径R2，用 R1与R2可表示出液体表面的弯曲情况。若液面是弯曲的，液体内部的压力p1与液体外的压力p2就会不同，在液面两边就会产生压力差△P= P1- P2，其数

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