小流体大学问:探寻“流动”的世界(三)

作者:豪利真人游戏 | 2021-02-10 15:49

  什么是流体力学?在讲座上李家春通过解答流体和固体的差别、流体的相态以及流体运动的表现形式等问题,说明了流体力学是研究流体介质的对流、扩散,以及相伴的物理、化学、生物过程,导致质量、动量、能量输送的现象。

  流体力学既是一门经典学科又是一门现代学科。在17世纪,牛顿基于前人的天文观测和力学实验,发明了微积分,并总结出机械运动三大定律和万有引力定律,发表了著名的《自然哲学的数学原理》一书。由于原理是普适自然与工程各个领域的规律,从而使力学成为自然科学的先导。

  自20世纪60年代以来,由于超级计算机、先进测试技术的发展和应用,力学进一步凸显宏微观结合和学科交叉的特征,并进入现代力学发展新阶段。李家春说:“现代流体力学在航空航天、海洋海岸、环境能源、生物医学、材料信息等诸多工程领域都发挥着不可或缺的作用。因此,现代流体力学不仅是一门重要的基础学科,而且在同国家经济、社会发展相关的各个工程技术领域仍具先导作用。”

  流体力学历史悠久,它发展的过程可以分成四个阶段:基于实践经验的古代流体力学,基于严密数学理论的经典流体力学,基于物理洞察力的近代流体力学,以及基于现代高新技术的现代流体力学。

  西方的古代力学,最早的有阿基米德的浮力原理和提水机,达·芬奇的扑翼机和降落伞,以及哈根·泊肖叶的管流实验。这些也都是流体力学,而且西方关于定量化的研究做得好,并上升为规律和理论。经典力学则以牛顿力学体系的建立为代表,主要推广到连续介质——就是像水、空气这样的介质。李家春说, 经典力学可以得到很多理论公式,但是也面临困难,比如说解决不了飞机的问题。而近代力学靠的是物理思想,在1904年,普朗特在海德堡数学会上提出了边界层理论,解决了阻力和飞机设计问题。如果没有这个理论,到现在为止,我们不可能坐飞机在十几个小时到达纽约。

  “中国古代的流体力学有很多好成就和贡献,最重要的一个贡献,就是2000多年前的都江堰水利工程。”李家春说,“鱼嘴分水堤严格控制内外江的水沙量,飞沙堰溢洪道控制洪水量,宝瓶口起着一个水库的作用,这些都是流体力学原理。”


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