Готтлиб Людвиг Гаген: Инженер и вклад в гидродинамику и теорию вероятностей

Введение

Немецкий физик

Готтильф Генрих Людвиг Хаген (3 марта 1797 – 3 февраля 1884) — немецкий инженер-строитель, внесший значительный вклад в гидродинамику, гидравлику и теорию вероятностей.

Жизнь и творчество

Хаген родился в Кенигсберге, Восточная Пруссия (Калининград, Россия) в семье Фридриха Людвига Хагена и Хелене Шарлотты Альбертины Хаген. Его отец был государственным чиновником, а мать — дочерью Кристиана Рекарда, профессора теологии в Кенигсбергском университете, консисториального советника и астронома. Он проявил способности к математике в старшей школе и продолжил обучение в Кенигсбергском университете, где его дядя, Карл Готтфрид Хаген, был профессором физики и химии. Однако в 1818 году он переключился на изучение гражданского строительства, поскольку его больше привлекала прикладная, чем теоретическая наука. Тем не менее, он поддерживал тесные контакты с Бесселем на протяжении всей жизни. В 1819 году он сдал экзамен на землемера (Landvermesserprüfung) и после окончания устроился младшим инженером (Baukondukteur) на государственную службу. Его основной обязанностью была гидравлическая инженерия и водоуправление. В 1822 году он сдал государственный экзамен в Берлине для получения квалификации мастера-строителя (Baumeister). Он стал известен благодаря публикациям о различных гидравлических сооружениях, которые он посетил во время путешествий по Европе. В 1824 году он был назначен директором строительства (Baukondukteur) купеческим сообществом в Кенигсберге, а в 1825 году — заместителем правительственного строительного советника (stellvertretender Regierungs- und Baurat) в Данциге (Гданьск). Год спустя он перешел в Пиллау на должность инспектора строительства порта (Hafenbauinspektor), где отвечал за строительство гавани и дамб. 27 апреля 1827 года он женился на своей племяннице Августе Хаген (1806–1884), с которой у него было две дочери и пять сыновей. Эта идея была далее развита в книге, опубликованной в 1837 году, под названием «Основы теории вероятностей со специальным применением к операциям землемерия» (Grundzüge der Wahrscheinlichkeitsrechnung mit besonderer Anwendung auf die Operationen der Feldmeßkunst), в которой применялась теория вероятностей и метод наименьших квадратов к строительству и геодезии, а также был выведен закон ошибок, не основанный на аргументах обратной вероятности. Хаген наблюдал эмпирическую степенную зависимость между падением давления (ΔP) и радиусом (R) трубы, соответствующую ΔP ∝ 1/R−4.12, но, учитывая возможные ошибки измерений, предложил принять значение 4,0. Эта зависимость была также независимо открыта примерно в то же время французским физиком и физиологом Жаном Пуазейлем и поэтому теперь известна как уравнение Хагена — Пуазейля или закон Пуазейля. В 1849 году он был назначен экспертом-консультантом (Sachverständiger) Франкфуртской национальной ассамблеи, а в 1850 году — экспертным советником (Vortragender Rat) в прусском министерстве торговли. В 1852 году Хаген опубликовал важную работу, в которой описал и объяснил два фундаментальных аспекта гранулярного материала: насыщение давления с глубиной в замкнутой статической гранулярной системе, обычно известное как эффект Янсена, и динамику гранулярного потока из контейнера, иногда называемую законом Беверлу — основу теории песочных часов. Хаген сыграл решающую роль в планировании развития многочисленных немецких рек и портов. В 1855 году прусское адмиралтейство назначило его контролировать планирование Вильгельмсхафена. Хаген покинул свой пост в Министерстве торговли и стал председателем Комиссии по строительству порта в Ядском заливе (Jade Bight). Отвергнув проекты двух известных экспертов, он предложил свой собственный проект прусскому адмиралтейству 29 мая 1856 года. Этот проект порта соответствовал требованиям прусского адмиралтейства, но также позволял проводить дальнейшие расширения и дополнения. Проект был одобрен указом кабинета 25 июня 1856 года. После завершения планирования он вернулся в прусское министерство торговли 12 августа 1856 года. Реализация плана была осуществлена в последующее десятилетие и, несмотря на многочисленные изменения, до сих пор определяет текущую планировку центра города. В 1863 году Хаген опубликовал свой энциклопедический справочник по гидравлической инженерии, который представлял собой современное состояние дел в области защиты побережья и на протяжении десятилетий служил руководством по береговой инженерии в Германии. В 1866 году Хаген был повышен до главного директора (Oberbaudirektor) в Департаменте гидравлического строительства и председателя (Vorsitzenden) отдела общественных работ в Министерстве торговли (Baudeputation). В 1869 году он стал старшим национальным строительным директором (Oberlandesbaudirektor), что подразумевало ответственность за крупные водохозяйственные и портовые работы в Пруссии и других немецких государствах. Он занимал эту должность до выхода на пенсию в 1875 году. В 1872 году он получил травму во время служебной поездки и в последующий период не мог ходить. Хаген умер в 1884 году, его могила находится на кладбище Инвалиденфридхоф в Берлине, на улице Шарнхорстштрассе, недалеко от главного вокзала.

Hagen was born in Königsberg, East Prussia (Kaliningrad, Russia) to Friedrich Ludwig Hagen and Helene Charlotte Albertine Hagen. His father was a government official and his mother was the daughter of Christian Reccard, professor of Theology at University of Königsberg, consistorial councillor and astronomer. He showed promise in mathematics in high school and he went on to study at the University of Königsberg where his uncle, Karl Gottfried Hagen was professor of physics and chemistry. but in 1818 he switched to study civil engineering as he was more attracted to applied than theoretical science. Nevertheless, he remained in close contact with Bessel throughout his life. In 1819 he undertook the examination for surveyors (Landvermesserprüfung) and after graduating took a job as a junior engineer (Baukondukteur) in the civil service. His main responsibility was for hydraulic engineering and water management. In 1822 he took the state examination in Berlin to qualify as a master builder (Baumeister). He became known through his publications about various hydraulic constructions which he had visited during travels in Europe. In 1824 he was appointed director of building (Baukondukteur) by the mercantile community in Königsberg and in 1825 he became deputy governmental building officer (stellvertretender Regierungs und Baurat) for Danzig (Gdańsk). A year later he transferred to become harbor building inspector (Hafenbauinspektor) in Pillau, where he was responsible for the harbor and dyke construction. On 27 April 1827 he married his niece Auguste Hagen (1806–1884), with whom he had two daughters and five sons. This idea was further developed in a book published in 1837 Grundzüge der Wahrscheinlichkeitsrechnung mit besonderer Anwendung auf die Operationen der Feldmeßkunst (“Foundations of Probability Calculus with Special Application to the Operations of Land Surveying”) which applied probability theory and least squares techniques to construction and surveying and deduced an error law that was not based on inverse probability arguments. Hagen observed an empirical power law relationship between the pressure drop (ΔP) and radius (R) of a tube corresponding to ΔP ∝ 1/R−4.12, but suggested in view of possible measurement errors that a value of 4.0 be assumed. This relationship was also discovered independently at around the same time by the French physicist and physiologist Jean Poiseuille
and is therefore now known as the Hagen–Poiseuille equation or Poiseuille's law. In 1849 he was appointed as an expert adviser (Sachverständiger) to the Frankfurt National Assembly and in 1850 was appointed expert councillor (Vortragenden Rat) in the Prussian Ministry of Commerce. In 1852 Hagen published a notable paper that described and explained two fundamental aspects of granular material: saturation of pressure with depth in a confined static granular system generally known as the Janssen effect; and the dynamics of granular flow out of a container – sometimes called the Beverloo law the foundation of the hourglass theory. Hagen played a decisive role in planning the development of numerous German rivers and harbors. The Prussian Admiralty appointed him to supervise the planning of Wilhelmshaven in 1855. Hagen took leave from his post in the Ministry of Trade and became chair of the Commission for the port construction in the Jade Bight. After rejecting the designs of two internationally known experts, he proposed his own design to the Prussian Admiralty on 29 May 1856. This port design met the requirements of the Prussian Admiralty but also allowed for later expansions and additions. The design was approved by cabinet order on 25 June 1856. After completion of the planning, he returned to the Prussian Ministry of Trade on 12 August 1856. The implementation of the plan was carried out in the following decade, and despite many changes, still determines the current layout of the town center. In 1863 Hagen published his encyclopaedic manual on hydraulic engineering. This represented the state of the art for coastal protection and served for decades as the guideline for coastal engineering in Germany. In 1866 Hagen was promoted to chief director (Oberbaudirektor) in the Department of Hydraulic Engineering and chair (Vorsitzenden) of the section of public works in the Ministry of Trade (Baudeputation). In 1869 he was made senior national building director (Oberlandesbaudirektor). This role involved responsibility for large water and harbor works in Prussia and other German States. He held this post until his retirement in 1875. In 1872 suffered an accident on a business trip and was unable to walk in the subsequent period. Hagen died in 1884, his tomb is located on the Invalidenfriedhof Berlin, Scharnhorststraße near the main railway station.