流体力学的起源与发展

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......

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，但至少这却在几千年后的今天完全实现了，“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”。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》。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。

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，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。他是的伯努利家族最出的一位，研究领域极为广泛，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1726年出的伯努利方程对数学影响深远。

伯努利方程被认为是流体的机械能守恒定律，即“动能+重力势能+压力势能=常数”，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。

2.5 达朗贝尔

达朗贝尔是法国物理学家、数学家和天文学家。数学是达朗贝尔研究的主要课题，他是数学分析的主要开拓者和奠基人，达朗贝尔认为力学应该是数学家的主要兴趣，所以他一生对力学也作了大量研究。达朗贝尔是十八世纪为牛顿力学体系的建立作出卓越贡献的科学家之一。

达朗贝尔著有《动力学》一书，阐述了达朗贝尔原理（物体外力和动力的反作用力的和力为零），在没有约束时，与牛顿第二定律是一致的，但有约束时，一般都是用达朗贝尔原理。

2.6 克莱洛

克莱洛，法国数学家、天文学家和大地测量学家，1736年他参加了马保梯(P.L.M.Maupertuis)领导的弧度测量工作，在北欧拉普兰进行了历时两年(1736～1737)的考察。根据这次考察和对地球形状的研究，他编著了《根据流体静力学原理研究地球形状的理论》一书。此书奠定了经典大地测量学测定地球形状的基础。1738年，克莱洛根据离心力加速度、赤道重力和两极重力推算出地球扁率的关系式，即“克莱洛定理”。此外，克莱洛在数学方面，对空间曲线、微分方程理论以及代数和几何学有较深的研究。在天文学方面，也有重大成就。由于他的成绩显著，因此担任法国科学院院士达18年之久。克莱洛的主要著作还有：《世界坐标系研究》等，世界坐标系是笔者所学专业必须内容，坐标系决定了地图（笔者使用海图），对于一条航行中的船舶来说，一旦坐标系有所偏差，带来的后果就是可能上亿的损失。我们现在使用的坐标系是CGCS2000坐标系，和美国GPS所使用的WGS84坐标系基本一致，这归功于克莱洛的努力，没有他，航海上的精确海图将不知是什么样子。

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[漫画]《流体力学非典型手册》

作者：ziper，转载自科学松鼠会

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