История механики жидкости

Пионеры гидромеханики

Архимед

Евангелиста Торричелли

Блез Паскаль

Даниэль Бернулли

История механики жидкости — фундаментальное направление истории физики и техники . Изучение движения жидкостей (жидкостей и газов) и сил , действующих на них, восходит к доисторическим временам. Эта область претерпела непрерывную эволюцию, вызванную зависимостью человека от воды, метеорологических условий и внутренних биологических процессов.

Успех ранних цивилизаций можно объяснить развитием понимания динамики воды, что позволило строить каналы и акведуки для распределения воды и орошения ферм, а также морской транспорт. Из-за своей концептуальной сложности большинство открытий в этой области почти полностью основывались на экспериментах, по крайней мере, до тех пор, пока не было достигнуто более глубокое понимание дифференциальных уравнений и вычислительных методов. Значительный теоретический вклад внесли такие выдающиеся личности, как Архимед , Иоганн Бернулли и его сын Даниэль Бернулли , Леонард Эйлер , Клод-Луи Навье и Стоукс , которые разработали фундаментальные уравнения для описания механики жидкости. Достижения в области экспериментов и вычислительных методов еще больше продвинули эту область, что привело к практическому применению в более специализированных отраслях, от аэрокосмической до экологической инженерии. Механика жидкости также сыграла важную роль в изучении астрономических тел и динамики галактик.

Античность

Предыстория

Прагматическое, если не научное, знание потока жидкости было продемонстрировано древними цивилизациями, например, при проектировании стрел, копий, лодок и, в частности, в гидротехнических проектах для защиты от наводнений, ирригации, дренажа и водоснабжения. Самые ранние человеческие цивилизации зародились у берегов рек и, следовательно, совпали с зарождением гидрологии , гидравлики и гидротехники .

Древний Китай

Наблюдения за удельным весом и плавучестью были зафиксированы древними китайскими философами. В IV веке до нашей эры Мэн-цзы описал, что вес золота эквивалентен перьям. В III веке нашей эры Цао Чун описывает историю взвешивания слона, наблюдая за перемещением лодок, нагруженных разным весом.

Архимед

Силы плавучести, открытые Архимедом. Обратите внимание, что объект плывет, поскольку восходящая сила плавучести равна направленной вниз силе тяжести .

Фундаментальные принципы гидростатики и динамики были даны Архимедом в его работе «О плавучих телах» ( древнегреческий : Περὶ τῶν ὀχουμένων ), около 250 г. до н.э. В ней Архимед развивает закон плавучести, также известный как принцип Архимеда . Этот принцип гласит, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, которую оно вытесняет. Архимед утверждал, что каждая частица жидкой массы, находясь в равновесии, одинаково сжимается во всех направлениях; и он исследовал условия, при которых твердое тело, плавающее в жидкости, должно принимать и сохранять положение равновесия.

Александрийская школа

В греческой школе в Александрии , которая процветала под эгидой Птолемеев , были предприняты попытки создания гидравлических машин, и около 120 г. до н.э. фонтан сжатия, сифон и нагнетательный насос изобрели Ктесибий и Герой . Сифон — простой инструмент; но нагнетательный насос — сложное изобретение, которого вряд ли можно было ожидать в зачаточном состоянии гидравлики. Вероятно, Ктесибию подсказало распространенное в то время египетское колесо или Нория , представлявшее собой своего рода цепной насос, состоявший из множества глиняных горшков, перемещаемых вокруг колеса. В некоторых из этих машин горшки имеют клапан в нижней части, который позволяет им опускаться без особого сопротивления и значительно уменьшает нагрузку на колесо; и если предположить, что этот клапан был введен еще во времена Ктесибия, то нетрудно понять, как такая машина могла привести к изобретению нагнетательного насоса.

Секст Юлий Фронтин

Несмотря на эти изобретения александрийской школы, ее внимание, по-видимому, не было обращено на движение жидкостей; и первая попытка исследовать этот предмет была сделана Секстом Юлием Фронтином , инспектором общественных фонтанов в Риме во времена правления Нервы и Траяна . В своей работе De aquaeductibus urbis Romae commentarius он рассматривает методы, применявшиеся в то время для определения количества воды, сбрасываемой из аютажей (трубок), и способы распределения воды в акведуке или фонтане . Он заметил, что расход воды из отверстия зависит не только от величины самого отверстия, но и от высоты воды в водоеме; и что труба, используемая для отвода части воды из акведука, должна, в зависимости от обстоятельств, иметь положение, более или менее наклоненное к первоначальному направлению течения. Но поскольку он не был знаком с законом зависимости скоростей текущей воды от глубины отверстия, отсутствие точности, проявляющееся в его результатах, неудивительно.

Средний возраст

Исламистские физики

Смотрите также: Физика в средневековом исламском мире.

Исламские учёные , особенно Абу Райхан Бируни (973–1048) и позже Аль-Хазини (1115–1130), были первыми, кто применил экспериментальные научные методы к механике жидкости, особенно в области статики жидкости , например, для определения конкретных весы . Они применили математические теории отношений и методы бесконечно малых , а также ввели алгебраические методы и методы точных вычислений в область статики жидкости.

Бируни ввел метод проверки проб в ходе опытов и измерил вес различных жидкостей. Он также зафиксировал разницу в весе пресной и соленой воды , а также между горячей и холодной водой. В ходе своих экспериментов по механике жидкости Бируни изобрел коническую меру . для того, чтобы найти соотношение между массой вещества в воздухе и массой вытесненной воды.

Аль-Хазини в «Книге весов мудрости» (1121 г.) изобрел гидростатические весы .

Исламские инженеры

Смотрите также: Список изобретений в средневековом исламском мире

В 9 веке Бану Муса » братьев в «Книге гениальных устройств описан ряд первых автоматических средств управления в механике жидкости. Двухступенчатый контроль уровня жидкостей, ранняя форма прерывистого контроля переменной структуры , был разработан братьями Бану Муса. Они также описали один из первых контроллеров с обратной связью для жидкостей. По словам Дональда Рутледжа Хилла , братья Бану Муса были «мастерами в использовании небольших изменений» гидростатического давления и в использовании конических клапанов в качестве «линейных» компонентов в системах потока, «первом известном использовании конических клапанов в качестве автоматических контроллеров». ." Они также описали использование других клапанов, в том числе пробкового клапана , поплавковый клапан и нажмите . Бану Муса также разработали раннюю отказоустойчивую систему, в которой «можно неоднократно извлекать небольшие количества жидкости, но если забрать большое количество, дальнейшая добыча невозможна». Двойной концентрический сифон и воронка с загнутым концом для заливки различных жидкостей, ни один из которых не встречается ни в каких более ранних греческих произведениях, также были оригинальными изобретениями братьев Бану Муса. Некоторые из других механизмов, которые они описали, включают поплавковую камеру. и ранний перепад давления .

В 1206 году в « Аль-Джазари было Книге знаний об изобретательных механических устройствах» описано множество гидравлических машин. Особое значение имели его водоподъёмные насосы . Первое известное использование коленчатого вала в цепном насосе аль-Джазари было в одной из машин сакия . Концепция минимизации прерывистой работы также впервые применяется в одном из цепных насосов сакия аль-Джазари, целью которого было максимизировать эффективность цепного насоса сакия. Аль-Джазари также изобрел двухцилиндровый всасывающий насос с возвратно-поступательным движением поршневой , который включал в себя первые всасывающие трубы, всасывающую накачку, накачку двойного действия , а также впервые использовал клапаны и вал - механизм коленчатый шатун . Этот насос примечателен по трем причинам: первое известное использование настоящей всасывающей трубы (которая всасывает жидкости в частичный вакуум ) в насосе, первое применение принципа двойного действия и преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное за счет коленвал-шатунный механизм.

Шестнадцатый и семнадцатый века

Леонардо да Винчи

эпоху Возрождения В Леонардо да Винчи был хорошо известен своими экспериментальными способностями. Его заметки дают точное описание различных явлений, включая суда, струи, гидравлические прыжки, вихревые образования, приливы, а также конструкции для конфигураций как с низким сопротивлением (обтекаемые), так и с высоким сопротивлением (парашют). Да Винчи также приписывают формулировку закона сохранения массы в одномерном устойчивом потоке.

Кастелли и Торричелли

Бенедетто Кастелли и Евангелиста Торричелли , двое учеников Галилея , применили открытия своего учителя к науке гидродинамике. В 1628 году Кастелли опубликовал небольшую работу Della misura dell'acque correnti , в которой удовлетворительно объяснил некоторые явления движения жидкостей в реках и каналах ; но он допустил большой паралогизм , предположив, что скорость воды пропорциональна глубине отверстия под поверхностью сосуда. Торричелли, заметив, что в струе, где вода, прорываясь через небольшой выступ, поднималась почти на ту же высоту, что и резервуар, из которого она подавалась, вообразил, что она должна двигаться с такой же скоростью, как если бы она провалилась через эту высоту силу гравитации , и отсюда он вывел предположение, что скорости жидкостей равняются квадратному корню из напора , не считая сопротивления воздуха и трения отверстия. Эта теорема была опубликована в 1643 году в конце его трактата De motu gradium projectorum. , и это было подтверждено опытами Рафаэлло Маджотти о количествах воды, вытекающей из разных ажутажей под разным давлением (1648).

Блез Паскаль

В руках Блеза Паскаля гидростатика обрела достоинство науки, а в трактате о равновесии жидкостей ( Sur l'équilibre des liqueurs ), найденном среди его рукописей после его смерти и опубликованном в 1663 году, были изложены законы равновесия жидкостей. жидкостей были продемонстрированы самым простым образом и полностью подтверждены экспериментами.

Мариотт и Гульельмини

Теорему Торричелли использовали многие последующие авторы, но особенно Эдме Мариотт (1620–1684), чей «Трактат о движении воды» , опубликованный после его смерти в 1686 году, основан на множестве хорошо проведенных экспериментов с водой. движение жидкостей, выполненное в Версале и Шантийи . При обсуждении некоторых моментов он допустил значительные ошибки. К другим он относился очень поверхностно и ни в одном из своих экспериментов, по-видимому, не обратил внимания на уменьшение истечения, возникающее из-за сокращения жидкой вены, когда отверстие представляет собой просто перфорацию в тонкой пластинке; но он, по-видимому, был первым, кто попытался приписать расхождение между теорией и экспериментом замедлением скорости воды из-за трения. Его современник Доменико Гульельмини (1655–1710), который был инспектором рек и каналов в Болонье , приписывал это уменьшение скорости рек поперечным движениям, возникающим из-за неравенства в их дне. Но поскольку Мариотт наблюдал подобные препятствия даже в стеклянных трубах, где не могло существовать поперечных токов, причина, указанная Гульельмини, казалась необоснованной. Поэтому французский философ рассматривал эти препятствия как последствия трения. Он предположил, что нити воды, скользящие по стенкам трубы, теряют часть своей скорости; что смежные нити, имея по этой причине большую скорость, трутся о первые, и их скорость уменьшается; и что на другие нити действуют аналогичные замедления, пропорциональные их расстоянию от оси трубы. Таким образом, средняя скорость течения может быть уменьшена, и, следовательно, количество воды, выбрасываемой за данное время, из-за эффектов трения должно быть значительно меньше того, которое вычислено по теории.

восемнадцатый век

Исследования Исаака Ньютона

Трение и вязкость

Влияние трения и вязкости на уменьшение скорости текущей воды было замечено в « Началах» сэра Исаака Ньютона , который пролил много света на некоторые разделы гидромеханики. В то время, когда повсеместно господствовала картезианская система вихрей , он счёл необходимым исследовать эту гипотезу и в ходе своих исследований показал, что скорость любого слоя вихря есть среднее арифметическое между скоростями слоев, которые заключите его; из этого, очевидно, следует, что скорость нити воды, движущейся в трубе, есть среднее арифметическое между скоростями окружающих ее нитей. Воспользовавшись этими результатами, французский инженер Анри Пито впоследствии показал, что замедления, возникающие из-за трения, обратно пропорциональны диаметрам труб, по которым движется жидкость.

отверстия

Внимание Ньютона было обращено также на истечение воды из отверстий в днище сосудов. Он предположил, что цилиндрический сосуд, полный воды, должен быть продырявлен в дне небольшим отверстием, через которое вода вытекала, и что сосуд снабжается водой таким образом, чтобы он всегда оставался полным на одной и той же высоте. Затем он предположил, что этот цилиндрический столб воды разделен на две части: первая, которую он назвал «катарактой», представляет собой гиперболоид, образованный вращением гиперболы пятой степени вокруг оси цилиндра, которая должна пройти через отверстие, а второе — остаток воды в цилиндрическом сосуде. Горизонтальные пласты этого гиперболоида он считал всегда находящимися в движении, тогда как остальная вода находилась в состоянии покоя, и вообразил, что посреди жидкости имеется своего рода водопад.

Когда результаты этой теории сравнились с количеством фактически выпущенной воды, Ньютон пришел к выводу, что скорость, с которой вода вытекает из отверстия, равна той, которую получило бы падающее тело, спустившись на половину высоты воды в резервуаре. . Однако этот вывод совершенно несовместим с известным фактом, что струи воды поднимаются почти на ту же высоту, что и их резервуары, и Ньютон, по-видимому, осознавал это возражение. Соответственно, во втором издании своих «Начал» , вышедшем в 1713 году, он пересмотрел свою теорию. Он обнаружил сокращение вены с жидкостью ( vena Contracta ), выходящей из отверстия, и обнаружил, что на расстоянии примерно диаметра отверстия участок вены сокращался в субдублированном соотношении два к одному. . Поэтому он считал участок суженной вены истинным отверстием, из которого следует вывести расход воды, а скорость вытекающей воды определялась всей высотой воды в резервуаре; и благодаря этому его теория стала более согласующейся с результатами опыта, хотя и все еще вызывала серьезные возражения.

Волны

Ньютон был также первым, кто исследовал сложную тему движения волн .

Даниэль Бернулли

В 1738 году Даниэль Бернулли опубликовал свою работу «Гидродинамика seu de viribus et motibus Liquidorum Commentarii» . Его теория движения жидкостей, зачатки которой были впервые опубликованы в его мемуарах под названием Theoria nova de motu aquarum per canales quocunque fluentes академию , переданных в Петербургскую еще в 1726 году, была основана на двух предположениях, которые, по-видимому, ему созвучно с опытом. Он предположил, что поверхность жидкости, содержащейся в сосуде, опорожняющемся через отверстие, всегда остается горизонтальной; и если предположить, что жидкая масса разделена на бесконечное число горизонтальных слоев одинакового объема, то эти слои остаются смежными друг с другом и что все их точки опускаются вертикально со скоростями, обратно пропорциональными их ширине, или горизонтальные участки водоема. Чтобы определить движение каждого слоя, он применил принцип conservatio virium vivarum и получил очень изящные решения. Но в отсутствие общей демонстрации этого принципа его результаты не пользовались доверием, которого они в противном случае заслуживали бы, и стало желательным иметь более надежную теорию, зависящую исключительно от фундаментальных законов механики. Колен Маклорен и Джон Бернулли , придерживавшиеся этого мнения, решили проблему более прямыми методами, один в его «Флюксиях» , опубликованном в 1742 году, а другой в его «Гидравлике nunc primum детектора , и демонстрата директ экс фундаментис чистый механикис» , который образует четвертый том его сочинений. Метод, использованный Маклореном, был сочтен недостаточно строгим; а теория Джона Бернулли, по мнению Лагранжа , лишена ясности и точности.

Жан ле Рон д'Аламбер

Против теории Даниэля Бернулли выступал также Жан ле Рон д'Аламбер . Обобщая теорию маятников Якоба Бернулли, он открыл принцип динамики настолько простой и общий, что свел законы движения тел к законам их равновесия . Он применил этот принцип к движению жидкостей и привел образец его применения в конце своей «Динамики» в 1743 году. Более полно он был развит в его «Трактате о жидкостях» , опубликованном в 1744 году, в котором он дал простые и элегантные решения проблемы, связанные с равновесием и движением жидкостей. Он использовал те же предположения, что и Даниил Бернулли, хотя его исчисление было построено совсем по-другому. Он рассматривал в каждый момент фактическое движение слоя как состоящее из движения, которое он имел в предыдущий момент, и движения, которое он потерял; а законы равновесия между утраченными движениями дали ему уравнения, представляющие движение жидкости. Оставалось желание выразить уравнениями движение частицы жидкости в любом заданном направлении. Эти уравнения были найдены Даламбером на основе двух принципов: прямоугольный канал, взятый в массе жидкости, находящейся в равновесии, сам находится в равновесии и что часть жидкости, переходя из одного места в другое, сохраняет то же самое. объем, когда жидкость несжимаема, или расширяется по заданному закону, когда жидкость упруга. Его гениальный метод, опубликованный в 1752 г. Очерк о сопротивлении жидкостей был доведен до совершенства в его «Математических сочинениях» и принят на вооружение Леонардом Эйлером .

Леонард Эйлер

Решение вопросов, касающихся движения жидкостей, осуществлялось с помощью частных дифференциальных коэффициентов Леонарда Эйлера . Это исчисление было впервые применено к движению воды Даламбером и позволило ему и Эйлеру представить теорию жидкостей в формулах, не ограниченных какой-либо конкретной гипотезой.

Пьер Луи Жорж Дюбюа

Одним из наиболее успешных работников науки гидродинамики в этот период был Пьер-Луи-Жорж дю Бюа . Следуя по стопам аббата Шарля Боссю ( Nouvelles Experiences sur la Résistance des Fludes , 1777), он опубликовал в 1786 году переработанное издание своих «Принципов гидравлики» , которое содержит удовлетворительную теорию движения жидкостей, основанную исключительно по экспериментам. Дюбюа считал, что если бы вода была совершенной жидкостью, а каналы, по которым она текла, бесконечно гладкими, то ее движение постоянно ускорялось бы, подобно движению тел, спускающихся по наклонной плоскости. Но так как движение рек не ускоряется постоянно и вскоре достигает состояния однородности, то очевидно, что вязкость воды и трение русла, по которому она стекает, должны равняться ускоряющей силе. Поэтому Дюбуа считал фундаментально важным положение, согласно которому, когда вода течет в каком-либо канале или русле, ускоряющая сила, которая заставляет ее двигаться, равна сумме всех сопротивлений, с которыми она сталкивается, независимо от того, возникают ли они из-за ее движения. собственный вязкости или от трения его ложа. Этот принцип был использован им в первом издании своей работы, вышедшем в 1779 году. Теория, содержащаяся в этом издании, была основана на экспериментах других, но вскоре он увидел, что теория столь новая и ведущая к результатам, столь отличным от обычная теория должна быть основана на новых экспериментах, более прямых, чем прежняя, и он участвовал в их проведении с 1780 по 1783 год. Опыты Боссю проводились только на трубках умеренного наклона, но Дюбуа использовал уклоны любого уровня. вид, и проводил свои эксперименты на каналах разных размеров.

Девятнадцатый век

Клод-Луи Навье и Джордж Габриэль Стоукс

Основная статья: уравнения Навье – Стокса

Герман фон Гельмгольц

В 1858 году Герман фон Гельмгольц опубликовал свою основополагающую статью «Über Integrale der Hydrodynamischen Gleichungen, welche den Wirbelbewegungen entsprechen» в Journal für die reine und angewandte Mathematik , vol. 55, стр. 25–55. Статья была настолько важной, что несколько лет спустя П.Г. Тейт опубликовал английский перевод «Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение» в Philosophical Magazine , vol. 33, стр. 485–512 (1867). В своей статье Гельмгольц установил три «закона вихревого движения» почти так же, как их можно найти в любом современном учебнике по механике жидкости . Эта работа установила значение завихренности для механики жидкости и науки в целом.

В течение следующего столетия или около того вихревая динамика превратилась в раздел механики жидкости, которому всегда отводилась по крайней мере большая глава в трактатах на эту тему. Так, Х. Ламба в известной книге «Гидродинамика» и вихревой динамике посвящена целая глава (6-е изд., 1932 г.) завихренности , как и Г. К. Бэтчелора во «Введении в гидродинамику» (1967 г.). Со временем вихревому движению были посвящены целые трактаты. А. Пуанкаре «Теорию турбийонов» (1893 г.), Х. Виллата «Уроки теории турбийонов» (1930 г.), К. Трусделла «Кинематику вихря» (1954 г.) и П. Г. Саффмана «Динамику вихря» Можно упомянуть (1992 г.). Раньше отдельные заседания на научных конференциях были посвящены вихрям , вихревому движению, вихревой динамике и вихревым течениям. Позже этой теме были посвящены целые встречи.

Область применимости работ Гельмгольца расширилась и охватила атмосферные и океанографические потоки, все отрасли техники и прикладной науки и, в конечном итоге, сверхтекучие жидкости (сегодня включая конденсаты Бозе-Эйнштейна ). В современной механике жидкости твердо установлена ​​роль вихревой динамики в объяснении явлений течения. Хорошо известные вихри получили названия и регулярно изображаются в популярных средствах массовой информации: ураганы , торнадо , водяные смерчи , вихри, сопровождающие самолеты (например, вихри на законцовках крыльев ), вихри дренажных отверстий (включая вихри в ванне), кольца дыма , воздушные кольца из подводных пузырьков, кавитационные вихри. за корабельными гребными винтами и так далее. В технической литературе ряд вихрей, возникающих в особых условиях, также имеет названия: вихревой уличный след Кармана за обтекаемым телом, вихри Тейлора между вращающимися цилиндрами, вихри Гёртлера при течении вдоль искривленной стенки и др.

Гаспар Риш де Прони

Теория текущей воды получила большое развитие благодаря исследованиям Гаспара Риша де Прони (1755–1839). Из коллекции лучших экспериментов предыдущих исследователей он выбрал восемьдесят два (пятьдесят один по скорости воды в водопроводных трубах и тридцать один по ее скорости в открытых каналах); и, обсуждая их с точки зрения физических и механических принципов, ему удалось составить общие формулы, которые давали простое выражение скорости текущей воды.

Иоганн Альберт Эйтельвейн

Я. А. Эйтельвейн из Берлина , опубликовавший в 1801 ценный сборник по гидравлике под названием Handbuch der Mechanik und der Hydraulik , исследовал вопрос истечения воды по сложным трубам, движения струй и их импульсов на плоских и наклонных поверхностях; и он теоретически показал, что водяное колесо будет иметь максимальный эффект, когда его окружность движется со скоростью, равной половине скорости потока.

Жан Николя Пьер Ашетт и другие

JNP Hachette в 1816–1817 гг. опубликовал мемуары, содержащие результаты опытов по фонтанированию жидкостей и опорожнению сосудов. Его целью было измерить сжатую часть жидкостной вены, изучить явления, сопровождающие дополнительные трубки, а также исследовать форму жидкостной вены и результаты, полученные при использовании различных форм отверстий. Обширные опыты по сливу воды из отверстий ( ExpériencesHydraulics , Париж, 1832) были проведены под руководством французского правительства Ж. В. Понселе (1788–1867) и Ж. А. Лесбро (1790–1860).

П. П. Буало (1811–1891) обсудил их результаты и добавил собственные эксперименты ( «Трактат о измерении курантской воды» , Париж, 1854). К. Р. Борнеман с большой тщательностью пересмотрел все эти результаты и дал формулы, выражающие изменение коэффициентов расхода в различных условиях ( Civil Ingénieur, 1880). Юлиус Вейсбах (1806–1871) также провел множество экспериментальных исследований истечения жидкостей.

Эксперименты Дж. Б. Фрэнсиса ( «Гидравлические эксперименты Лоуэлла» , Бостон, Массачусетс, 1855 г.) привели его к предложению вариаций общепринятых формул для расхода воды через плотины, а поколение спустя очень полное исследование этого вопроса было проведено Анри-Эмилем. Базен . Подробное исследование течения воды в трубах и каналах было проведено Генри Г. П. Дарси (1803–1858) и продолжено Базеном за счет французского правительства ( Recherches гидравлики , Париж, 1866).

Андреас Рудольф Харлахер и другие

Немецкие инженеры также уделили особое внимание измерению расхода рек; Книга Beiträge zur Hydrographie des Königreiches Böhmen (Прага, 1872–1875) Андреаса Рудольфа Харлахера содержала ценные измерения такого рода, а также сравнение экспериментальных результатов с формулами потока, которые были предложены до даты ее публикации, важные данные были получены в результате замеров реки Миссисипи , выполненных для правительства Соединенных Штатов Эндрю Аткинсоном Хамфрисом и Генри Ларкомом Эбботом Робертом Гордоном , замеров реки Иравади и экспериментов Аллена Дж. К. Каннингема на канале Ганг . Трение воды, исследованное на малых скоростях Кулоном , было измерено на более высоких скоростях Уильямом Фрудом (1810–1879), работы которого имеют большую ценность в теории сопротивления кораблей ( Brit. Assoc. Report. , 1869), и Движение линии тока изучалось профессором Осборном Рейнольдсом и профессором Генри С. Хеле-Шоу .

Двадцатый век

Людвиг Прандтль

В 1904 году немецкий учёный Людвиг Прандтль разработал теорию пограничного слоя. Он указал, что жидкости с малой вязкостью можно разделить на тонкий вязкий слой (пограничный слой) вблизи твердых поверхностей и границ раздела и внешний слой, к которому применяются принцип Бернулли и уравнения Эйлера .

Развитие вихревой динамики

Вихревая динамика — это яркая область гидродинамики, привлекающая внимание на крупных научных конференциях и стимулирующая семинары и симпозиумы, полностью посвященные этому предмету.

Любопытным отклонением в истории вихревой динамики стала вихревая теория атома Уильяма Томсона , позднее лорда Кельвина . Его основная идея заключалась в том, что атомы следует представлять как вихревые движения в эфире. Эта теория на несколько десятилетий предшествовала квантовой теории и благодаря научному положению ее создателя привлекла значительное внимание. В ходе разработки этой теории было получено множество глубоких знаний о динамике вихрей. Другим интересным следствием стал первый подсчет простых узлов П.Г. Тейтом , который сегодня считается новаторским достижением в теории графов , топологии и теории узлов . В конечном счете, вихревой атом Кельвина оказался ошибочным, но многие результаты в динамике вихрей, которые он вызвал, выдержали испытание временем. Сам Кельвин ввел понятие циркуляции и доказал, что в невязкой жидкости сохраняется циркуляция вокруг материального контура. Этот результат, выделенный Эйнштейном в «Zum hundertjährigen Gedenktag von Lord Kelvins Geburt, Naturwissenschaften, 12 (1924), 601–602» (перевод названия: «К 100-летию со дня рождения лорда Кельвина»), как один из наиболее значительные результаты работы Кельвина обеспечили раннюю связь между гидродинамикой и топологией.

История вихревой динамики кажется особенно богатой открытиями и повторными открытиями важных результатов, поскольку полученные результаты были полностью забыты после их открытия, а затем были заново открыты десятилетия спустя. Так, интегрируемость проблемы трёх точечных вихрей на плоскости была решена в диссертации 1877 года молодого швейцарского математика-прикладника по имени Вальтер Грёбли . Несмотря на то, что это решение было написано в Гёттингене в широком кругу учёных, окружавших Гельмгольца и Кирхгофа , и несмотря на то, что оно упоминалось в известных лекциях Кирхгофа по теоретической физике Ламба и в других важных трудах, таких как «Гидродинамика» , это решение было в значительной степени забыто. Статья 1949 года, написанная известным математиком-прикладником Дж. Л. Сингом, вызвала кратковременное возрождение, но статья Синга, в свою очередь, была забыта. Четверть века спустя статья Е.А. Новикова 1975 г. и статья Х. Арефа о хаотической адвекции 1979 г. наконец пролили свет на эту важную раннюю работу. Последующее выяснение хаоса в проблеме четырех вихрей и в адвекции пассивной частицы тремя вихрями сделало работу Грёбли частью «современной науки».

Другим примером такого рода является так называемое «приближение локализованной индукции» (LIA) для трехмерного движения вихревой нити, которое получило распространение в середине 1960-х годов благодаря работам Армса, Хамы, Бетхова и других, но оказалось относятся к началу XX века в работах Да Риоса, одаренного ученика известного итальянского математика Т. Леви-Чивита . Да Риос опубликовал свои результаты в нескольких формах, но они так и не были включены в литературу по механике жидкости его времени. В 1972 году Х. Хасимото использовал «внутренние уравнения» Да Риоса (позже повторно открытые независимо Р. Бетчовым), чтобы показать, как движение вихревой нити под действием ЛИА может быть связано с нелинейным уравнением Шрёдингера . Это немедленно сделало проблему частью «современной науки», поскольку тогда стало понятно, что вихревые нити могут поддерживать одиночные крутящие волны большой амплитуды.

См. также

• Хронология механики жидкости и сплошных сред

Дальнейшее чтение

• Джей Ди Андерсон младший (1997). История аэродинамики (издательство Кембриджского университета). ISBN   0-521-45435-2
• Джей Ди Андерсон младший (1998). Некоторые размышления об истории гидродинамики, в «Справочнике по гидродинамике» (под редакцией Р.В. Джонсона, CRC Press), гл. 2.
• Дж. С. Калеро (2008). Генезис механики жидкости, 1640–1780 (Спрингер). ISBN   978-1-4020-6414-2
• О. Дарригол (2005). Миры потока: история гидродинамики от Бернулли до Прандтля (издательство Оксфордского университета). ISBN   0-19-856843-6
• П.А. Дэвидсон, Ю. Канеда, К. Моффат и К.Р. Шринивасан (редакторы, 2011 г.). Путешествие сквозь турбулентность (издательство Кембриджского университета). ISBN   978-0-521-19868-4
• М. Эккерт (2006). Рассвет гидродинамики: дисциплина между наукой и технологией (Wiley-VCH). ISBN   978-3-527-40513-8
• Г. Гарбрехт (ред., 1987). Гидравлика и гидравлические исследования: исторический обзор (А. А. Балкема). ISBN   90-6191-621-6
• Эм Джей Лайтхилл (1995). Механика жидкости , в изд. Физики двадцатого века . Л.М. Браун, А. Пайс и Б. Пиппард (IOP/AIP), Vol. 2, стр. 795–912.
• Х. Роуз и С. Инс (1957). История гидравлики (Институт гидравлических исследований Айовы, Государственный университет Айовы).
• Г.А. Токаты (1994). История и философия механики жидкости (Дувр). ISBN   0-486-68103-3

Ссылки

• Рашед, Рошди; Морелон, Режис, ред. (1996). Энциклопедия истории арабской науки .