【正文】 即：動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)。伯努利在1726年提出的“伯努利原理”。當然，這里是談不上按照牛頓的萬有引力定律而出現(xiàn)的引力，這種引力太小了。可是在還不能建造很大的船的時候，這種現(xiàn)象也顯得并不嚴重。其實這里發(fā)生了一個完全不能預料的情況：船在大海里發(fā)生了互相吸引的事故。結果就發(fā)生了撞船事故?！皧W林匹克”號在大海上航行著，同時在離它一百米遠的地方，有一艘比它小得多的鐵甲巡洋艦“豪克”號幾乎跟它平行地行駛著。雖然張開的滑雪板的空氣阻力大于平行的滑雪板，但因為滑雪板錯開漏出了身體使飛行面積增大，從而增加了升力，是“升阻比”更接近合理的值。氣流在平直的滑雪板下流速度較低，在頭肩隆起的人體背部流速較高，從而形成向上的升力。早期的跳臺滑雪空中動作讓身體和滑雪板盡量平行，雙臂伸向前方，后來改進為雙臂向后緊靠臀部，使空氣阻力進一步減小。比如人們在泳衣上下了很大功夫，最近的實驗表明，穿著適當?shù)挠疽卤嚷泱w游泳阻力小，進而人們又模仿鯊魚的皮質制造出仿鯊魚泳衣，使游泳成績有所提高。水的密度比空氣大很多，在水中的運動受到的阻力更大。自行車運動的頭盔的水滴狀外形取代運動員頭部的自然外形，讓高速前進中的渦流效應最小化，降低了騎行中的空氣阻力。尤其是在當今，體育成績已經(jīng)接近運動極限，競爭更加激烈，運動成績在十分之一秒、百分之一秒間較量，阻力的影響就變得至關重要了。比如布滿麻坑的高爾夫球要比光滑的高爾夫球飛行的更遠，這是因為粗糙的表面能使邊界層空氣更好地附著在球面，延遲了邊界層與球體的分離，分離點的后移使尾流區(qū)變小，尾流區(qū)壓力增大，使得壓差阻力變?。槐M管麻坑是摩擦阻力增加了，但總的阻力減小了。在正常情況下，物體表面越光滑，在邊界層越不容易產(chǎn)生湍流，摩擦阻力越小。一般來說，形成的尾流區(qū)較小，產(chǎn)生的阻力就??；平穩(wěn)流動的層流邊界層比形成旋渦的湍流邊界層阻力小。牛頓曾認為阻力與速度的平方成正比，這只是在某些場合下大致符合。進一步分析，物體在流體中運動的阻力主要來自于物質分子或原子之間的電磁作用力，如壓力來自于物體與流體分子或原子的碰撞；摩擦力主要來自于界面層中不同速度的分子或原子間的動量交換。90年代以后，研究人員研制開發(fā)的未來型汽車，阻力系數(shù)僅為0。3。45。6。實際上汽車阻力主要來自后部形成的尾流，稱為形狀阻力。而在19世紀末，當時人們認為汽車阻力主要來自前部對空氣的撞擊，因此早期的汽車尾部是陡峭的，稱為箱型車，阻力系數(shù)很大，約為0。如汽車在空氣中，運動的前方總要擠壓和排開空氣，空氣的分子密度較大，相向速度較快，碰撞導致前方壓力較大。運動物體在流體中所受的阻力大體可以分為壓差阻力和摩擦阻力。風洞就是研究靜止物體在氣流中受力情況的設備，人們在一個固定管道內制造出可控制的氣流，模擬物體在空氣中運動時周圍的流場，通過傳感器測出各種形狀的物體在風中所受的阻力、升力、壓力等。在高速情況下，阻力變得至關重要，為了研究空氣阻力，人們發(fā)明了風洞。只是到了20世紀，由于航空事業(yè)的發(fā)展和需要，人們才比較清楚的理解了這個現(xiàn)象。但阻力的原因非常復雜，人們已經(jīng)研究了2000多年也不能從根本上解決了這個問題。日常生活中我們都有體會，當你在高速行駛的汽車上把手伸出窗外時會明顯感覺到阻力的作用。此外，實際流動往往異常復雜(例如湍流)，理論分析和數(shù)值計算會遇到巨大的數(shù)學和計算方面的困難，得不到具體結果，只能通過現(xiàn)場觀測和實驗室模擬進行研究。實驗需要理論指導，才能從分散的、表面上無聯(lián)系的現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)中得出規(guī)律性的結論。數(shù)值計算方法最近發(fā)展很快，其重要性與日俱增。從20世紀60年代起，在飛行器和其他涉及流體運動的課題中，經(jīng)常采用電子計算機做數(shù)值模擬，這可以和物理實驗相輔相成。20世紀30～40年代，對于復雜而又特別重要的流體力學問題，曾組織過人力用幾個月甚至幾年的時間做數(shù)值計算，比如圓錐做超聲速飛行時周圍的無粘流場就從1943年一直算到1947年。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化后得出的規(guī)律或結論，全面并充分認識簡化模型的適用范圍，正確估計它帶來的同實際的偏離，正是流體力學理論工作和實驗工作的精華?！　∶糠N合理的簡化都有其力學成果，但也總有其局限性。聲學中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態(tài)(壓力、密度、流體質點速度)同聲音未傳到時的差別很小?！　〈送猓黧w力學中還經(jīng)常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。　　對于一個特定領域，考慮具體的物理性質和運動的具體環(huán)境后，抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學理論模型，便可以克服數(shù)學上的困難，進一步深入地研究流體的平衡和運動性質。按目前數(shù)學發(fā)展的水平看，有不少題目將是在今后幾十年以內難于從純數(shù)學角度完善解決的?！　幕靖拍畹交痉匠痰囊幌盗卸垦芯?，都涉及到很深的數(shù)學問題，所以流體力學的發(fā)展是以數(shù)學的發(fā)展為前提?！　∏蟪龇匠探M的解后，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。此外，還要加上某些聯(lián)系流動參量的關系式(例如狀態(tài)方程)，或者其他方程。流體力學中最常用的基本模型有：連續(xù)介質、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。理論分析　　理論分析是根據(jù)流體運動的普遍規(guī)律如質量守恒、動量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現(xiàn)象，預測可能發(fā)生的結果?，F(xiàn)場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現(xiàn)的事物、沒有發(fā)生的現(xiàn)象(如待設計的工程、機械等)進行觀察，使之得到改進。有些流動現(xiàn)象難于靠理論計算解決，有的則不可能做原型實驗(成本太高或規(guī)模太大)?！　∧Ｐ蛯嶒炘诹黧w力學中占有重要地位。實驗能顯示運動特點及其主要趨勢，有助于形成概念，檢驗理論的正確性。因此，人們建立實驗室，使這些現(xiàn)象能在可以控制的條件下出現(xiàn)，以便于觀察和研究。過去對天氣的觀測和預報，基本上就是這樣進行的。三、流體力學的研究方法作為一門技術科學，流體力學的研究方法也遵循“實踐——理論——實踐”的基本規(guī)律。因此，流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術科學方面的應用?！　∩锪髯儗W研究人體或其他動植物中有關的流體力學問題，例如血液在血管中的流動，心、肺、腎中的生理流體運動和植物中營養(yǎng)液的輸送?！　★L對建筑物、橋梁、電纜等的作用使它們承受載荷和激發(fā)振動；廢氣和廢水的排放造成環(huán)境污染；河床沖刷遷移和海岸遭受侵蝕；研究這些流體本身的運動及其同人類、動植物間的相互作用的學科稱為環(huán)境流體力學 (其中包括環(huán)境空氣動力學、建筑空氣動力學)。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規(guī)律?！　∩衬w移、河流泥沙運動、管道中煤粉輸送、化工中氣體催化劑的運動等，都涉及流體中帶有固體顆?；蛞后w中帶有氣泡等問題，這類問題是多相流體力學研究的范圍?！　∪紵x不開氣體，這是有化學反應和熱能變化的流體力學問題，是物理化學流體動力學的內容之一。在機械工業(yè)中，如水輪機、燃氣輪機、噴氣發(fā)動機、蒸汽輪機、液體燃料火箭、內燃機等，都是以流體能量為原動力的動力機械；水壓機、水泵、油泵、風扇、通風機、壓縮機等，都是以流體為工作對象的流體機械。石油和天然氣的開采，地下水的開發(fā)利用，要求人們了解流體在多孔或縫隙介質中的運動，這是流體力學分支之——滲流力學研究的主要對象。航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展是同流體力學的分支學科——空氣動力學和氣體動力學的發(fā)展緊密相連的?！　?0世紀初，世界上第一架飛機出現(xiàn)以后，飛機和其他各種飛行器得到迅速發(fā)展。二、流體力學的研究內容 大氣和水是最常見的兩種流體，大氣包圍著整個地球，地球表面的70%是水面。氣體常常可視為非粘性流體。液體可以算是不可壓縮流體，氣體則不是。動量守恒　　　　流體力學假設所有流體滿足以下的假設：　　例如，在三維的不可壓縮流體中，質量守恒的假設的方程如下：在任意封閉曲面（例如球體）中，由曲面進入封閉曲面內的質量速率，需和由曲面離開封閉曲面內的質量速率相等。從20世紀60年代起，流體力學開始了流體力學和其他學科的互相交叉滲透，形成新的交叉學科或邊緣學科，如物理化學流體動力學、磁流體力學等；原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學就是一個例子。經(jīng)過十多年的發(fā)展，有限元分析這項新的計算方法又開始在流體力學中應用，尤其是在低速流和流體邊界形狀甚為復雜問題中，優(yōu)越性更加顯著。與此同時，由于民用和軍用生產(chǎn)的需要，液體動力學等學科也有很大進展。這些巨大進展是和采用各種數(shù)學分析方法和建立大型、精密的實驗設備和儀器等研究手段分不開的。以上述這些理論為基礎，20世紀40年代，關于炸藥或天然氣等介質中發(fā)生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆后，激波在空氣或水中的傳播，發(fā)展了爆炸波理論。我國杰出的代表錢學森早在1938年便提出了平板可壓縮層流邊界層的解法——卡門錢學森解法。莫迪在1944年給出了他繪制的實用管道的當量糙粒阻力系數(shù)圖——莫迪圖。后來，謝維列夫對實際鋼管做了同樣的試驗，得出鋼管的摩阻系數(shù)實驗曲線。尼古拉茲在1933年公布了他對砂粒粗糙管內水流阻力系數(shù)的實測結果——尼古拉茲曲線。布拉修斯在1913年提出了計算紊流光滑管阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式，1908年得出均勻流動下平板邊界層的相似解。提出了計算紊流粗糙管阻力系數(shù)的理論公式。由雷諾方程積分得到紊流的動量積分方程，但需要建立紊流切應力項的模型。美國導彈專家卡門提出了分析帶旋渦尾流及其所生產(chǎn)的阻力的理論，這種尾渦的排列被稱為“卡門渦街”。他還研究過螺旋槳的渦流理論，以及低速翼型和螺旋槳槳葉剖面等。使上述兩種情況得到了統(tǒng)一。同時普朗克又提出了許多新概念，并廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。并且在1918——1919年間論述了大展弦比的有限翼展機翼理論，對現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。德國科學家普朗特建立了邊界層理論，解釋了阻力產(chǎn)生的機制，這簡直是一項劃時代的貢獻。機翼理論和邊界層理論的建立和發(fā)展是流體力學的一次重大進展，它使無粘流體理論同粘性流體的邊界層理論很好地結合起來。20世紀初，以茹科夫斯基、普朗特等為代表的科學家，開創(chuàng)了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明了機翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機托上天空?！? 20世紀初，飛機的出現(xiàn)極大地促進了空氣動力學的發(fā)展。飛行器研究需要大量流體力學的理論?，F(xiàn)代發(fā)展階段二十世紀，世界進入第三次工業(yè)革命，各種新科學、新技術不斷涌現(xiàn)。瑞利在相似原理的基礎上，提出了實驗研究的量綱分析法中的瑞利分析法。德國工程師魏斯巴赫和法國工程師達西分別通過實驗總結了管道流動阻力計算公式：達西——魏斯巴赫公式。法國人皮托制出測量流動壓強的儀器皮托測壓管。于是他們部分地運用流體力學，部分地采用歸納實驗結果的半經(jīng)驗公式進行研究，這就形成了水力學，至今它仍與流體力學并行地發(fā)展。1895年，他提出了平均紊流切應力NS方程——雷諾方程。英國的雷諾在1883年用實驗證實了黏性流體的兩種流動狀態(tài)——層流和紊流的客觀存在，找到了實驗研究黏性流體流動規(guī)律的相似準則數(shù)——雷諾數(shù)，以及判別層流和紊流的臨界雷諾數(shù)，為流動阻止的研究奠定了基礎。它是流體動力學的理論基礎。英國的斯托克斯將流體質點的運動分解為平動、轉動、均勻膨脹或壓縮及剪切所引起的變形運動。法國工程師納維于1826年最先導出黏性液體運動方程。亥姆霍茲和基爾霍夫對渦旋運動和分離流動進行了大量的理論分析和實驗研究，提出了表征渦旋基本性質的渦旋定理、帶射流的物體繞流阻力等成果。同樣是法國的拉普拉斯提出著名的拉普拉斯方程。在無旋流問題上，法國的柯西嚴密論證了拉格朗日的無旋流理論。至此理論流體力學形成，它主要是從數(shù)學解析的方法來試圖解決流體力學問題。法國數(shù)學家達朗貝爾提出“理想流動沒有運動阻力”的假說，而拉格朗日提出了新的流體動力學微分方程，使流體動力學的解析方法有了進一步發(fā)展。在上述的研究中，流體的粘性并不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。歐拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標志，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。另一位經(jīng)典流體力學的奠基人數(shù)學家歐拉，提出了流體的連續(xù)介質模型，建立了流體平衡微分方程、連續(xù)性微分方程和理想流體的運動微分方程，并且論證了伯努利積分，給出了不可壓縮理想流體運動的一般解析方法。在這一時期瑞士數(shù)學家伯努利對古典流體力學做出巨大貢獻，被稱為流體力學的奠基人，建立了流體位勢能、壓強勢能和動能之間的能量轉換關系——伯努利方程。但是，牛頓還沒有建立起流體動力學的理論基礎，他提出的許多力學模型和結論同實際情形還有較大的差別。法國科學家托里拆利提出孔口泄流定律和著名的大氣壓強實驗，而帕斯卡也在1643年提出壓強傳遞定理。意大利偉大的物理學家伽利略研究了流體的穩(wěn)定性，通過著名的比薩斜塔實驗論證了自由落體運動。進入十七世紀，隨著產(chǎn)業(yè)革命的爆發(fā)，流體力學也得到了長足的發(fā)展。他設計并建造了第一座大型水閘，從而進入了水利工程時代。 在古希臘衰退之后，歐洲出現(xiàn)一段科學的停