水力學發(fā)展史

關于水力學的發(fā)展史我到各國旅行的目的之一是為了了解那里人們的歷史。幾年以前在一次有十多個國家的代表的國際會議上，我講了水力學歷史。他們都了解自己國家這方面的發(fā)展史。我希望這種交往能繼續(xù)。林博士說你們出版了一本“中國水利史”。我希望在座的有人把它翻譯成英文或其他文字。今天我要講的第一個人是著名的希臘人。亞里士多德（公元前384-322）。他比阿基米德（公元前287-212）早。對后人的影響了大。博學，是個百科全書式的人物。他把存在的一切都寫了下來。那時代（公元前四世紀）人們對事物不試驗。不分析，而是猜測。亞里士多德書中所談，按現(xiàn)在的觀點都是不對的。后來有人說他使歷史至少倒退了一千年。甚至2千年。那時，希臘人認為物質(zhì)由四種元素組成：土、水、空氣和火。這里的“元素”不是現(xiàn)代概念的元素。后來又加了第五種：以太。他們認為沒有真空。這個真空必有某種東西填入其中。這一概念是由亞里士多德時代傳下來的，并延續(xù)很久。亞里士多德解釋物體在空中飛行是說，沖進物體后面的空間的空氣推動物體前進。人們都相信他。他還談到科學不是靜止的，必須前進，這一觀點很有道理，至今還影響我們。他死了很長時間后人們開始崇拜他，把他的話固定化。大約有一千多年。在公元后一、二百時，曾有一人說亞不對，兩塊石頭相擦而過，它們后面的空氣往兩個相反方向推動各自的石頭，那就亂套了。他說石頭能在空氣中飛行，是因為離手時得到了一個推動力，但他的學說沒有被接受。大家說，推動力是看不到的。黑暗時代（指中世紀，公元600年至1500年一一記錄者注），沒有什么科學的發(fā)展，反而后退了。只有風車、水車等。那時代，阿拉伯人把希臘文著作譯成阿拉伯文。公元一千多年后又從阿拉伯傳入歐洲。經(jīng)院哲學家認為自己受到良好教育，他們宗教信仰堅定。喜歡亞里士多德的一些書，奇妙地把亞的學說宗教化。他們建立了第一所大學。部分學者開始試著分析事物，如自由落體、重力等等。第一個開始考察事物的人是達?芬奇（1452—1519）意大利人，是博學的人。他是杰出的畫家、解剖學家。他的畫今天價值幾百萬美元；他是工程師，制造了許多東西：船閘上的人家門，降落傘，他第一個建立了邊續(xù)性定律，解釋了速度與流動斷面成反比。他沒進過學校，全靠自學，經(jīng)常觀察各種自然現(xiàn)象，他研究水面波動與風吹的麥浪的關系，他觀察飛鳥的翅膀，畫出了第一張飛機圖樣。當時學術上互相剽竊很厲害，因此他寫了很多筆記，都是用左手寫的，只有用鏡子才能閱讀。他的筆記散失在世界各地，去世后陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。前不久，在英國有一本他的筆記，沒人理解，被一個美國人賣去了。1813年美國有人寫書說水躍是達?芬奇發(fā)現(xiàn)的。實際上達?芬奇死后幾百年內(nèi)并沒有人發(fā)現(xiàn)他的筆記。這位饒舌者的根據(jù)僅是一幅圖畫。達?芬奇仍在繼續(xù)被發(fā)現(xiàn)。他曾畫過橋墩后面的旋渦，一個接一個的自動脫開。使人遺憾的是他的知識沒有及時被人們了解，沒產(chǎn)生應有的影響。愛奧華大學有位學者把他的關于水力學方面的文章，搜集整理，很多，但不會是完全的。第一個實驗者是伽利略(1564—1642)。他比達?芬奇晚一百年左右，進過學校。他的學生做過射流的研究，另一位學生要新發(fā)現(xiàn)了連續(xù)定律因為當時還沒有發(fā)現(xiàn)達.芬奇的筆記。伽利略不但觀查還做試驗。他研究了自由落體和斜面上物體的下落.他計算了斜面度.下落距離與速度之間的關系。有一位意大利工程師想截直河灣。去問伽利略。伽說不要這樣做因為河流通過一定的垂直距離不愛走那條路須要一定的速度，工程師按自己意思干。結果很好。所以科學家可以是好的科學家，但不可能完美無缺。伽利略和學生搞活塞泵，發(fā)現(xiàn)吸水高度太大泵就不靈了。牛頓是爵士，在劍橋大學工作.與一個名叫比尼的。水力學家有交往他提出了動量原理發(fā)明了微積分法國人笛卡爾。(1596?1650)比牛頓-(1642?1727)早他發(fā)明了笛卡爾座標系。一方面篤信教會。另方面又有懷疑，極力想弄清自己的研究是對的。他說宇宙中充滿了一系列旋渦亞里士多德所說的以太必定在旋渦中看到。星球再以太旋渦中繞太陽運動。牛頓說這種看法是愚蠢的。牛頓做了很多阻力方面的實驗：粘性阻力。形狀阻力和彈性阻力。他說由于阻力。使落體以一定的速度下落。他說如果笛卡爾是對的。星球在以太陽飛行必定碰到阻力而減速。但實際上沒減速.那里無粘性姐力。無彈性阻力?他說物體在介質(zhì)中運動時的阻力.取決于物體的斷面積。運動速度和介質(zhì)的密度?但與形狀無關。他不理解形狀阻力.也不知道流線型化。關于彈性阻力.他幾乎理解了聲波的產(chǎn)生和聲速的計算。他受笛卡爾影響很大。德國科學家萊布尼茲(1640?1716)與牛頻同時代那時人們一方面通信交流工作成果.另方面要防止自己成果被偷。牛與萊交換情報特別關于數(shù)學。兩人同時提出了微積分。牛頓之為theoryoffluxion，萊稱之為calculus。牛提出了動量原理，萊提出了能量原理，但由于動能差了一個數(shù)1/2,所以根據(jù)兩個原理得出的計算結果不同。大陸上的人說萊布尼茲對，英國人說牛頓對。后來爭論激烈起來，變成互相攻擊，說對方偷了自己的成果。事實上，兩人都獨立工作，共同發(fā)明了微積分。伯努利是瑞士的一大家族，家庭成員都很活躍。第一代活躍的是約翰?伯努力(1667—1748)和他的哥哥稚可比?伯努利。稚可比教弟弟數(shù)學，造就了比他自己更偉大的數(shù)學字。約翰教兒子但尼爾(1700—1782)數(shù)學。還有一個學生歐拉(1707—1783)。約翰是個大數(shù)學家，被邀到各地工作。在巴黎他為貴族羅斯比塔(1661—1704)工作，作出了很多發(fā)現(xiàn)，如羅斯比塔法則。但成果歸貴族所有，貴族付錢。后來約翰回到瑞士巴索，羅比塔出版了一本書。書中東西全是約翰的，但卻沒有約約翰以適當?shù)臉s譽。所以約翰變成很敏感，年紀老了更敏感。但尼爾和歐拉一起的彼德堡工作，但尼爾用拉丁文寫了一本“水動力學”。歐拉也寫了很多文章，大部分是數(shù)學的，也有水力學方面的，他設計了第一個水力渦輪機，提出了許多方程，包括運動方程即歐拉方程，他對管流的不恒定流、加速度、壓力分布作了研究。但尼爾把自己的書，送了一本給父親，一本給歐拉。約翰認為兒子不比他做的工作多。他也寫了一本書“水力學”。書稍薄一些，但內(nèi)容要深一些，但尼爾的書是1738年出版，約翰的書是1743年出版，但父親把日期提前幾十年，表示他的工作早于兒子。但尼爾的彼德堡做了很多工作，提出關于氣流的動能的理論，提出射流的比率，做了很多實驗，如關于水箱、管流的收縮等。約翰首先應用萊布尼茲的微積分，創(chuàng)造了一些符號，有些符號如積分號至今仍在應用。但尼爾把萊布尼茲的能量原理應用于射流。他的關系式中只有兩項，但沒包括壓力項。他關于測壓管水頭的概念是成熟的，但它不理解壓力，只想到在管壁與流體之間有壓力，他的父親把流體想像成許多薄片，在這些片之間，同管壁流體之間一樣有壓力。但約翰也不理解壓力梯度。歐拉的運動方程中，不但有速度梯度，還有壓力梯度。1752年歐拉將他的方程在兩個特殊條件下積分：一是存在重力勢，二是存在速度勢，由此得到現(xiàn)在的伯努利方程。歐拉沒得到應有的榮譽。在別的方面也有這種情況。如研究流體運動的兩種方法；歐拉法與拉格朗日法。都是歐拉提出的，拉格朗只是把后者發(fā)表了。歐拉對速度勢以及流函數(shù)也作了貢獻。歐拉是個天才，寫了很多書，在柏林一只眼瞎了，后來到彼得堡另一只眼也瞎了，但他繼續(xù)口授寫作。在瑞士巴索，前幾年有人把歐拉、約翰及但尼爾的所有著作、文件整理出版。在受奧華以前有人選擇水力學史作博士論文題目，要用三種文字寫成。有個南斯拉夫人寫了一篇俄國水力學史、雖然俄國人不喜歡，這是本好書。還有一個德國人，一個愛爾蘭人也作了這樣的工作，把但尼爾的“水動力學”，約翰的“水力學”從拉丁文翻譯成英文。在1770年法國大革命前，波素(Bossut1730-1841)提出了“流體力學”(MechanicsofFluids)這一名詞，他一直教水力學，寫了本教科書，把它稱為"水動力學”(Hydrodynamics)。另一個法國人杜?波阿(DuBuat1734T809)。他寫了幾本書，說他的書能回答一切水力學問題。書是好書，回答了許多問題，但并沒有回答所有問題，其中有些問題，至今還沒有得到回家，杜?波阿確實發(fā)現(xiàn)了一事，就是運動物體的阻力，不是在物體的前面，而是在后面，尾跡中有吸力而造成阻力。當時還沒有人理解這點，他還提出這一吸力與物體形狀有關。亞里士多德說物體后面的真空使空氣沖入而推動物體前進，而杜?波阿的觀點卻相反，是阻止物體前進。我在講歷史中提到這些人物，并不是說他們的事是最重要的，還有很多人物在這個領域作出其不意重要貢獻。法國人謝才(Chezy1718-1798)。他是法國工程師團的一員，他的任務是開一條運河通到巴黎解決吃水、用水。他不知渠道要開多大，因此他在法國境內(nèi)進行一系列考察，他發(fā)現(xiàn)，如果兩條河流的情況相似(斷面、河床的土質(zhì)等)，那么，它們的流速之比等于它們的水力半徑之比乘以坡度之比的平方根。這就是謝才定律，他的工作存了檔，未被運用，直到150年以后，一個美國人在法國的檔案中發(fā)現(xiàn)謝才的手稿，將它發(fā)表了。謝才公式現(xiàn)在大量應用，謝才系數(shù)不為常數(shù)，除非對相類似的流道，相類似的河流。到十九世紀中葉，德國工程師哈根(Hagen1797-1884)研究通過一定斷面的管子的流量，他做了許多微細管流的實驗，計算流量與管的直徑及溫度的關系。他并沒提及粘性，但他得到的關系，其精確性不亞于現(xiàn)代的水平。他用玻璃管從水箱通出，射入空氣之中，他把固體微粒放入水中以觀察，射流有時很清楚，有時因速度太快，根本看不清，他發(fā)現(xiàn)阻力與速度的關系也是不確定的地這一實驗比雷諾發(fā)現(xiàn)層流轉變?yōu)槲闪髟?0年，哈根把他的試驗結果發(fā)表在一本知名的德國雜志上，未被發(fā)現(xiàn)。與哈根同時代的法國人泊蕭葉(poiseuille)醫(yī)生，他想知道血液受到的阻力，他也做了許多微細管流的實驗，不僅水還有油、泵，他得到的方程(與溫度有關)比哈根的更精確，他發(fā)表了，很多人讀了他的文章，雖然他的實驗比哈根晚，但被認為是阻力關系的發(fā)現(xiàn)者。差不多同一時代，法國人瑞茨(Reech1805-1880)，造船技師(instructor)對船舶阻力的模型規(guī)律感興趣，他發(fā)現(xiàn)速度平方與長度之間的分析關系，現(xiàn)在稱之為弗勞德定律。弗勞德建立這一定律在50年以后，至今德國把這一定律叫做瑞茨——弗勞德定律，瑞茨首先是在課堂上講授這一相似定律，到1850年左右才寫出有關的論文。弗汝德(1810-1819)與雷諾(1842-1912)之間有關特殊的關系。弗勞德在英國南部，稱為弗汝德，英國北部稱為弗勞德，兩種叫法在世界各地都這樣，澳洲稱為佛勞德，我有一次去糾正他們，他們說我們可以稱佛汝德，而你的名字叫汝斯而不是饒期。弗汝德想造一個拖池來研究船舶阻力問題，他向英國海軍部申請經(jīng)費，只給了5000英磅，錢太少，他用自己的財產(chǎn)造了一個拖池，當時是最大的。(最早的拖池是英美國革命時期，富蘭克林造的，他觀察到，英國、美國渠道上馬拉行船，淺水時馬費力大，他建了一個木制小拖池，確實看到水淺時阻力就大)弗汝德發(fā)現(xiàn)了50年前的弗汝德相似律，他觀察到船只行進中的擾動，向后逐漸增寬，這是邊界層，實際上是弗汝德第一個觀察到的。弗汝德用二塊很薄的平行板組成船體，他測出阻力與速度平方和某一特性長度有關。建立了弗汝德定律，當時還沒有考慮到g。他還發(fā)現(xiàn)，即使按弗汝德定律建造的船只，其阻力也隨大小而不同，這是由于粘性影響。雷諾(1842-1912)第一個在水力學模型試驗中應用了弗汝德數(shù)，法國人首先做了海港試驗。弗汝德跟著在英國搞了受潮汐作用的海港模型，用弗汝德相似準則，研究潮汐作用。忽略了粘性影響。雷諾是個天才，他用顏色來觀察紊動，而不像哈根用木屑。他是蘇格蘭一位教授，他研究熱的平衡，空化問題，用玻璃管燒成文杜里管形狀來觀察空化現(xiàn)象。他進一步演變歐拉方程和納維一斯托克方程，把速度用平均值及瞬時脈動值代入，演化而得雷諾方程。上世紀初，法國科學家納維(1785-1836)橋梁工程師，第一次把歐拉方程轉化為今天的納維一斯托克司方程，他引入了速度梯度表示的切應力項。但他并不了解粘性。他自己并沒用這一方程。另外柏松、泊蕭葉，柯西(1789-1857)都同樣推導出納維一斯托克司方程，后來斯托克司引用了粘性系數(shù)，雙推得此方程。但當他第一次用這些方程時，為了與管流試驗相符，認為在管壁有一個“滑動”，速度不連續(xù)，這是因為他的試驗是紊流，靠邊壁處速度梯度很大，而方程是解層流的，如果他試驗得到的層流和拋物線速度分布，就用不著有“滑動”了。后來斯托克斯研究光滑小園球的沉降即在我們現(xiàn)在稱之為斯托克司定律中改正了自己錯誤。第一個對建立納維一斯托克司方程作出貢獻的圣維南(1797-1886)他是個貴族，很早退休了，退休后搞科學研究，寫了很多文章，關于流體力學和關于固體力學的。他提出剪切應力的概念，但沒細分粘性切應力和紊動切應力。上面談的四個建立納維一斯托克司方程的人都是工程師，只有斯托克司是科學家。普朗特(1875-1953)是流體力學的老前輩。他是工程師，在法國念過書，他組織學生進行工作，把問題引向深入，他的第一個學生勃拉休斯(Blasius1883-1970)德國人，第一個將普朗特的層流邊界層進行積分，第一個將美國康乃爾大學做的管流阻力系數(shù)的試驗結果和雷諾數(shù)建立關系，繪成管流雷諾數(shù)圖，得到很好的結果，光滑管一條線，粗糙管有幾條線。后來他在一個工程學校教書，直至退休。我恰巧在退休前見到他。我問他，你為什么不搞流體力學了，他說：“我再沒有什么給予流體力學了，我的所有想法都是普朗特的”。尼古拉茲(1894-1979)俄國喬治亞人，我的老師白克米切夫(著名水力學家，曾是克倫斯基的駐美大使，十月革命后沒回蘇聯(lián)。是饒斯教授的三位主要導師之一)也是喬治亞人，斯大林也是喬治亞人。白說他不相信尼古拉茲。尼到德國國跟普朗特工作，是個很好的實驗家，他的管流試驗很出色，普朗特勸他不要做管流，但尼仍繼續(xù)做，到了納粹時代，納粹黨分成兩派，黑衫黨，前者比后者高級一些。尼古拉茲參加了褐衫黨，慢慢有了權力。普朗特不問政治，只埋頭于學問。尼利用權