伯努利方程到底是什么,伯努利方程是怎么得到的

首页 > 教育培训 > 作者:YD1662023-06-26 05:19:37

丹尼尔·伯努利,物理学家、数学家、医学家。约翰·伯努利的儿子,伯努利家族博学广识的代表,家族中的成就最大者,他的全部数学和力学著作、论文超过80种,数学物理方法的奠基人。1738年《流体动力学》的出版使其登上科学的高峰,成为流体力学的开山鼻祖,后人称“流体力学之父”。

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“流体漩涡”中的家族纷争

夺目的科学光辉相对应的,还有这个数学家族内部从未平息的纷争

这个家族抛弃了世俗的财富,但对数学荣誉的追求,却成为另一种诅咒

雅各布·伯努利和弟弟约翰·伯努利兄弟阋墙,两人在“双曲余弦函数”“降速曲线”的证明上互相攻讦,成为一生对手

雅各布临死之时仍然不忘诋毁自己的弟弟:“如果我不久后将过世,我弟弟肯定会回到巴塞尔。他不会接受其他职位,他只想接替我的位子。

比兄弟阋墙更可怕的是,约翰·伯努利与丹尼尔·伯努利父子之间同样演绎着刀光剑影的故事。

1734年,当丹尼尔·伯努利带着巴黎科学院的大奖回到家乡,父亲约翰只做了一个决定:把儿子赶出家门。即使是自己的儿子,约翰也无法容忍其日益展露的数学锋芒可能会威胁自己的学术地位,这种嫉妒的心理,亦如年轻时势要击败哥哥雅各布一样,或许更为甚之。

约翰·伯努利曾经在日记中傲然写道:“我的对手们都死在我前面,而且都比我年轻,这是一种命运。”他一人站在高峰纵然孤独,却不允许任何人夺去他的光芒,哪怕是自己的儿子

数学就是套在约翰·伯努利手指上的魔戒,他要一个人彻底占有它,谁都不能染指。

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丹尼尔有意回避父亲的研究领域,他开始研究流体力学的知识,尽量少与父亲熟悉的领域打交道。然而约翰却被丹尼尔研究的领域深深吸引,他在丹尼尔出版著作《流体力学》之后,紧随其后出版了一本《水力学》,且特意将写成时间注明为1732年,试图证明自己的优先权。可是很快,约翰的伎俩被人揭穿,由于丹尼尔写书过程中一直与其他科学家保持交流,约翰这本书的横空出世不能不让人惊诧。更糟的是,约翰实际上从儿子的书中盗用了素材,剽窃了儿子的学术成就

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伯努利方程:弧线的魅力

《流体力学》究竟具有什么魔力,使得父亲不惜抄袭儿子的成果?

伯努利方程到底有多伟大,丹尼尔能借助它在家族和科学界扬名立万?

1726年,通过生活中一个不起眼的奇怪现象:打开水龙头时,为什么流出的水会比水龙头的出口细一些?丹尼尔发现,从水流中流出的水流压力要低于周围静止的空气,所以水流会变成一条细细的水柱,比水龙头的出口细一些。

为了验证自己的猜想,丹尼尔反复实验,让水流经一个水平的透明的玻璃管,在玻璃管上垂直插入一根透明的毛细管,然后通过观察毛细管中液位的变化,就可以测量水流的压力。水压越高的话,毛细管中的液位就会被顶得越高,反之则会下降。果然不出所料,伯努利发现增加水平管中水流的速度,垂直管中的压力就会下降,而且下降的程度与水流速度的平方成正比。所以任何流动的水流都比静止时的压力低,并且流速越快,压力越低

这一推断即为后来著名的“伯努利原理”。

1738年,于《流体力学》一书中,丹尼尔根据伯努利原理给出了等价的数学表述“伯努利方程”:

伯努利方程到底是什么,伯努利方程是怎么得到的(6)

p,代表流体中某点的压强

ν,代表该流体中某点的流速

g,为重力加速度

h,该流体中某点所在的高度

ρ,为流体密度

c,为常数

在这里,我们来解释一下“奥林匹克”号轮船为什么与“豪克”号相撞。

两艘船并排航行,水面比较窄的流速就比两船外侧的水的流速高,压力比两船外侧的小。结果这两艘船就会被船外侧压力较高的水挤在一起,最后发生碰撞事件。

伯努利方程到底是什么,伯努利方程是怎么得到的(7)

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伯努利家族延伸线:流体无限

约翰虽然在晚年与儿子丹尼尔大打出手,但在丹尼尔年青的时候,他是个合格的父亲。

1725年,丹尼尔到彼得堡科学院工作,被任命为生理学院士数学院士时,父亲约翰担心儿子不能胜任,让自己的得意门生欧拉前去当丹尼尔的助手,是的,你没有看错,就是那位数学史上的顶尖大神,前去给丹尼尔当“助理”。

陪太子读书”的欧拉也没有吃什么亏,他在这个数学家族里得到很多回报,他使用丹尼尔·伯努利发明的无穷插值法,完美地得到了阶乘函数全实数表达式——即伽玛函数。当他看到伯努利方程时也是兴奋万分,不过丹尼尔的方程太过浅显直白,完全不能突显数学第一世家的格调。况且伯努利家族一向以擅长微积分闻名于世,欧拉是一个合格的助理,他自作主张把伯努利方程升级为伯努利方程2.0

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