Введение

История механики жидкостей является фундаментальной ветвью истории физики и инженерии. Изучение движения жидкостей (жидкостей и газов) и сил, которые на них действуют, восходит к доисторической эпохе. Эта область непрерывно развивается, благодаря зависимости человека от воды, метеорологических условий и внутренних биологических процессов. Успех ранних цивилизаций можно отнести к развитию понимания динамики воды, что позволило построить каналы и акведуки для распределения воды и орошения ферм, а также морского транспорта. Из-за концептуальной сложности большинство открытий в этой области почти полностью опирались на эксперименты, по крайней мере, до развития передового понимания дифференциальных уравнений и вычислительных методов. Значительный теоретический вклад в механику жидкости внесли такие известные личности, как Архимед, Иоганн Бернулли и его сын Даниэль Бернулли, Леонард Эйлер, Клод Луи Навье и Стокс, разработавшие фундаментальные уравнения для описания механики жидкостей. Достижения в области экспериментов и вычислительных методов еще больше продвинули эту область, что привело к практическим применениям в более специализированных отраслях промышленности, начиная от аэрокосмической до экологической инженерии. Механика жидкостей также важна для изучения астрономических тел и динамики галактик.

Доисторическая эпоха

Прагматическое, если не научное, знание о потоке жидкости было продемонстрировано древними цивилизациями, например, в проектировании стрел, копьев, лодок и особенно гидравлических инженерных проектов для защиты от наводнений, орошения, дренажа и водоснабжения. Самые ранние человеческие цивилизации начались у берегов рек и, следовательно, совпали с зарождением гидрологии, гидравлики и гидравлической техники.

Древний Китай

Наблюдения за специфической гравитацией и плавучестью были записаны древними китайскими философами. В IV веке до н.э. Менций описывает вес золота как эквивалент перьев. В III веке н.э. Цао Чонг описывает историю взвешивания слона, наблюдая за перемещением лодок, загруженных различными весами.

Архимед

Основные принципы гидростатики и динамики были даны Архимедом в его работе "О плавучих телах" (Περὶ τῶν χουμένων), около 250 г. до н. э. В ней Архимед разрабатывает закон плавучести, также известный как принцип Архимеда. Этот принцип гласит, что тело, погруженное в жидкость, испытывает на плаву силу, равную весу жидкости, которую оно смещает. Архимед утверждал, что каждая частица жидкой массы, находясь в равновесии, одинаково нажимается во всех направлениях; и он исследовал условия, в соответствии с которыми 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 по строительству гидравлических машин, и около 120 г. до н.э. фонтан сжатия, сифон и силовой насос были изобретены Ктезибием и Героем. Сифон - это простой инструмент, но силовой насос - сложное изобретение, которое вряд ли можно было ожидать в младенчестве гидравлики. Вероятно, Ктезибию было предложено египетское колесо или Нория, которое было распространено в то время, и которое было своего рода цепным насосом, состоящим из нескольких глиняных горшков, переносимых колесом. В некоторых из этих машин горшки имеют клапан в нижней части, которая позволяет им спускаться без особого сопротивления, и значительно уменьшает нагрузку на колесо, и, если мы предположим, что этот клапан был введен так рано, как время Ктезибиуса, это не трудно понять, как такая машина может привести к изобретению принудительного насоса. Бируни ввел метод проверки тестов во время экспериментов и измерял веса различных жидкостей. Он также записал различия в весе между пресной и соленой водой, а также между горячей и холодной водой. Во время своих экспериментов по механике жидкостей Бируни изобрёл коническую меру, чтобы найти соотношение между весом вещества в воздухе и весом вытесненной воды. Аль-Хазини в "Книге баланса мудрости" (1121) изобрел гидростатический баланс.

Исламизировать инженеров

В 9 веке в "Книге гениальных устройств" братьев Бану Муса был описан ряд ранних автоматических элементов управления в механике жидкостей. Двухступенчатый контроль уровня жидкостей, ранняя форма прерывистого переменного контроля структуры, была разработана братьями Бану Мусой. Они также описали ранний контроллер обратной связи для жидкостей. По словам Дональда Рутледжа Хилла, братья Бану-Муса были "мастерами в использовании небольших колебаний" гидростатического давления и в использовании конических клапанов в качестве "встроенных" компонентов в системах потока, "первое известное использование конических клапанов в качестве автоматических контроллеров". Бану-Муса также разработали раннюю систему безопасности, при которой "можно многократно вытягивать небольшое количество жидкости, но если вытянуть большое количество, дальнейшие извлечения невозможны". В 1206 году Аль Джазари в своей книге "Знание о гениальных механических устройствах" описал множество гидравлических машин. Особое значение имели его насосы для поднятия воды. Первое известное использование коленчатого вала в цепном насосе было в одной из машин сакия аль-Джазари. Концепция минимизации прерывистой работы также впервые была подразумета в одном из цепных насосов al Jazari, который был предназначен для максимизации эффективности цепного насоса. Аль Джазари также изобрёл двухцилиндровый переменный поршневой всасывающий насос, который включал первые всасывающие трубы, всасывающий насос, насос двойного действия, и использовал клапаны и механизм соединительного стержня коленчатого вала. 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 обратное движение через механизм соединительного стержня коленчатого вала.

Леонардо да Винчи

Во времена Возрождения Леонардо да Винчи был известен своими экспериментальными способностями. Его заметки дают точные изображения различных явлений, включая суда, струи, гидравлические прыжки, вихревые образования, приливы, а также конструкции как для низкого сопротивления (поэтапно) и высокого сопротивления (парашют). Да Винчи также заслужен за формулирование сохранения массы в одномерном устойчивом потоке.

Кастелли и Торричелли

Бенедетто Кастелли и Эвангелиста Торричелли, два ученика Галилея, применили открытия своего учителя к науке о гидродинамике. В 1628 году Кастелли опубликовал небольшую работу Della misura dell' acque correnti, в которой он удовлетворительно объяснил несколько явлений в движении жидкостей в реках и каналах; но он совершил большой паралогизм, предположив, что скорость воды пропорциональна глубине отверстия под поверхностью судна. Торричелли, наблюдая, что в реактивном самолете, где вода бросилась через небольшой ajutage он поднялся почти на ту же высоту с резервуаром, из которого он поставлялся, представил, что он должен двигаться с той же скоростью, как если бы он упал через эту высоту силой гравитации, и поэтому он вывел положение, что скорости жидкости, как квадратный корень головы, кроме сопротивления воздуха и трения отверстия. Эта теорема была опубликована в 1643 году в конце его трактата De motu gravium projectorum, и она была подтверждена экспериментами Рафаэло Маджиотти по количеству воды, выделяемой из разных сосудов под разным давлением (1648). Фрикция воды, исследованная Куломом для медленных скоростей, была измерена для более высоких скоростей Уильямом Фроудом (1810-1879), чья работа имеет большое значение в теории сопротивления корабля (Brit. - Аскор. Report., 1869), а движение линий потоков изучалось профессором Осборном Рейнольдсом и профессором Генри С. Хеле Шоу.

Людвиг Прандтль

В 1904 году немецкий ученый Людвиг Прандтл стал первопроходцем в теории граничных слоев. Он указал, что жидкости с небольшой вязкостью могут быть разделены на тонкий вязкий слой (пограничный слой) вблизи твердых поверхностей и интерфейсов и внешний слой, где применяются принцип Бернулли и уравнения Эйлера.

Развитие динамики вихрей

Вихревая динамика - это яркое подполе динамики жидкостей, привлекающее внимание на крупных научных конференциях и ускоряющее семинары и симпозиумы, полностью сосредоточенные на этой теме. Любопытным отклонением в истории вихревой динамики была теория вихря атома Уильяма Томсона, позже лорда Кельвина. Его основная идея заключалась в том, что атомы должны были быть представлены в виде вихревых движений в эфире. Эта теория предшествовала квантовой теории на несколько десятилетий и из-за научного положения ее создателя получила значительное внимание. Многие глубокие идеи в динамике вихрей были получены во время исследования этой теории. Другими интересными следствиями были первые подсчёты простых узлов П. Г. Тайтом, которые сегодня считаются новаторскими в теории графов, топологии и теории узлов. В конечном счете, атом вихря Кельвина был неправильно направлен, но многие результаты динамики вихря, которые он вывел, выдержали испытание временем. Сам Кельвин придумал понятие циркуляции и доказал, что в неплотном жидкости циркуляция вокруг материального контура будет сохранена. Этот результат, выделенный Эйнштейном в "Zum hundertjährigen Gedenktag von Lord Kelvins Geburt, Naturwissenschaften, 12 (1924), 601602", как один из наиболее значимых результатов работы Кельвина, обеспечил раннюю связь между динамикой жидкостей и топологией. История вихревой динамики кажется особенно богатой открытиями и повторными открытиями важных результатов, потому что полученные результаты были полностью забыты после их открытия, а затем были вновь обнаружены десятилетиями позже. Таким образом, интегральность проблемы трех точечных вихрей на плоскости была решена в 1877 году в тезисе молодого швейцарского прикладной математика по имени Вальтер Гробли. Несмотря на то, что оно было написано в Геттингене в общем кругу ученых, окружавших Гельмгольца и Кирхгоффа, и несмотря на то, что оно было упомянуто в известных лекциях Кирхгоффа по теоретической физике и в других крупных текстах, таких как Гидродинамика Лэмба, это решение было в значительной степени забыто. В 1949 году статья известного прикладной математика Дж. Л. Синге создала краткое возрождение, но статья Синге была в свою очередь забыта. Четверть века спустя в 1975 году в статье Е. А. Новикова и в 1979 году в статье Х. Арефа о хаотической адвекции наконец-то была выведена на свет эта важная ранее работа. Последующее прояснение хаоса в проблеме четырех вихрей и в адвекции пассивной частицы тремя вихрями сделало работу Гробли частью "современной науки". Другим примером такого рода является так называемое "локализованное индукционное приближение" (LIA) для трехмерного вихревого движения нитей, которое получило популярность в середине 1960-х годов благодаря работе Армса, Хамы, Бечова и других, но, как оказалось, датируется началом 20-го века в работе Да Риоса, одаренного ученика известного итальянского математика Т. Леви Сивита. Да Риос опубликовал свои результаты в нескольких формах, но они никогда не были ассимилированы в литературу по механике жидкостей своего времени. В 1972 году Х. Хасимото использовал "внутренние уравнения" Да Риоса (позже независимо открытые Р. Бечовым), чтобы показать, как движение вихревого нити под LIA может быть связано с нелинейным уравнением Шредингера. Это сразу же сделало проблему частью "современной науки", поскольку тогда было понятно, что вихревые нити могут поддерживать одиночные волны больших амплитуд.