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作者: jfsu (水精灵)
标题: Re: [问卦] 有没有流体力学之父的八卦？
时间: Sat Feb 10 18:08:50 2018
※ 引述《wei0204 (喂~色情电话)》之铭言：
: 有被流体力学荼毒过的人
: 一定知道Prandtl
: 他主要的贡献有
: 提出风洞试验 还有边界层理论
: 有没有流体力学之父的八卦？
: 除此之外
: 今天也是他143岁的生日
: 对于主修流力的本鲁来说
: 今天也是个特别的日子
: 因为本鲁的生日刚好跟这位大师同一天XDDD
在征求到原po同意后，我想，来聊聊他的学生冯‧卡门。
西奥多‧冯‧卡门（Theodore von Kárman , 1881.5.11 – 1963.5.6)，匈牙利
裔美籍航太学家，对流体力学、空气动力学产生了巨大影响，开创了数学与基础科学
在航空、太空等领域的应用。被认为是二十世纪最杰出的航空与航太工程学家。
1963年，美国白宫玫瑰园响起如雷贯耳的掌声。甘迺迪总统正把美国第一枚国家
科学奖章挂在一位老人脖子上。在走下高高的台阶时，患有关节炎的老人更显得
步履蹒跚、举步维艰。一个不小心，老人不慎闪了一下，甘迺迪连忙上前搀扶。
老人抬起头，脸带笑意地看向甘迺迪。
老人：“别扶我，这只是地球突然倾斜一下，我并没有跌倒。”
甘迺迪：“哦～这句话是爱因斯坦说的。”
老人：“咳咳～总统先生，我想说的是，‘下坡行路不需扶持，唯有登高望远
才求一臂之力。’”
甘迺迪：“不愧是高手在民间，好诗好诗。”
两个多月后，这位已经82岁的老人在进行温泉水治疗时，因心脏衰竭，溘然长逝，
结束了他充满传奇色彩的一生。
如果乡民们对外国的姓氏有点研究的话，铁血宰相俾斯麦(Otto Eduard Leopold von
Bismarck)、现代航太之父冯‧布朗(Wernher Magnus Maximilian Von Braun)里头
都有冯（von）这个字。先说明的是，这不是姓氏，而贵族姓氏的首码标志。
冯‧卡门于1881年5月11日出生于匈牙利布达佩斯，父亲是大学教授。受到良好教育
的他，很早就显露出数学天赋。
6岁时，一天，几位客人拜访父亲。
其中一位客人问：“小西奥多你知道689 * 92 等于多少吗？”
卡门很快地给出了正确答案，客人们感到非常惊讶，不停地夸赞他。
不过，父亲的脸上甚为不安。当客人离开后，父亲将他叫了过来。
“西奥多，以后不准你再做这种耍小聪明的数学游戏，知道吗？”
“为什么？”
“因为36+45=79才是是唯一解。”
为了能让卡门的发展是全面的，父亲只好暂时抑制他在数学上的发展，不断教导
他很多身为理工专家所没有的人文知识，直到卡门上了中学，才允许他重拾数学。
17岁时，卡门进入了约瑟夫皇家工艺大学。有一次，卡门正对几台引擎进行实验。
他发现到，当转速达到一定数值，阀门就会振动起来，发出很大噪音。
经过仔细分析后，他认为阀门的开关和引擎的运转之间产生了共振。他很快地把
这现象化炼成一个数学问题，并推导出相应的数学公式与total solution，
成功地解决了振动的问题。
卡门将自己的成果写成论文，教授不禁按了个赞，并将论文公开发表出来。
毕业之后，25岁的他前去德国哥廷根（Göttingen）大学求学，师承流体力学大师
普朗特（Ludwig Prandtl 1875-1953）教授。当时，作为物理系系主任的普朗特
只比卡门大八岁。
哥廷根大学的学术气氛使他着迷，在普朗特和数学大师希尔伯特（David Hilbert）、
克莱因(Felix Christian Klein)、爱因斯坦、物理学家闵可夫斯基（Hermann
Minkowski）、化学家能斯特（Walther Hermann Nernst）等人的薰陶下，奠定了
雄厚的数理基础。
2年后，卡门便顺利完成了博士论文。
获得博士学位之后，他来到巴黎观看飞行表演。在一次的飞行表演开启了他对航空
的兴趣，开始研究空气动力学。此时，普朗特教授寄了封邀请信，信中提到：
“我们正在帮军方设计飞行艇与筹建风洞并进行实验，钱多事少离家近，请务必前来！”
于是，卡门以一个编制外的讲师回到了哥廷根大学。他协助普朗特成功地建造了
哥廷根第一个风洞，齐柏林飞艇的设计与实验有进行的很顺利。
补充说明一下，这个编制外的讲师拿到现代来说，四个字：“功德无量”，
解压缩为：“低薪鞠躬尽瘁，过劳死而后已”。
由于没有得到学校正式的聘任，除了实验室助手的微薄收入外(RA)，另一个收入
来源为授课的学生(TA)。这让卡门有点不安，所幸身处大师环绕的气氛之下，就算
是个小讲师，也是能参加学术研讨会，沉浸在数学家和物理学家的新颖的学术观点
和理论之中的卡门，兴奋地忘却这个烦恼，不安感↓ エロ感↑。
1911~1912年，普朗特领导的研究团队致力于研究飞行理论中的涡流问题
（Vortical flow）。他请一名博士生卡尔（Karl Hiemen）设计水槽，用实验
来观察圆柱体后面的流动分裂，并测量水流中的分裂点。
卡尔：“教授，水流总是不停地扰动，难以稳定地测量捏～。”
普朗特：“应该是你用的圆棒不够圆吧！”
经过Seafood的开示之后，卡尔开始天天磨棒子，磨到他嫑嫑的。
在做了非常精细的加工后，水流还是在继续摆动。
卡尔：“唉～这大概是设计的时候感染了阿克娅病毒才会变成这样...Orz”
普朗特：“这分明是水槽不够对称！”
于是，卡尔调整了水槽，情况仍未改善。
一旁的卡门看了心想：“水流摆动的现象一定会有原因。”
他加以深入研究，发现到水流过圆柱后会一分为二，形成两排交叉的涡流。他尝试
采用数学方法解释这一现象。经过一番计算之后，证明了水在流过圆柱体后，必然
会产生两列相互平行、自转方向相反的漩涡，而且是相隔排列，如同街道两边的
路灯一样排列著向前流动。
1911年，卡门将他的这个发现写成论文发表，论文中的涡流理论后来被人们称为
“卡门涡街”(Karman vortex street)。风吹电线发出的声响、潜水艇的潜望
镜会产生振动都是卡门涡街的结果，更是让工程师知道飞机、船艇、车子在设计时
如何采用流线型来最大限度地减少阻力的重要理论基础。好比鱼身的流线型避免了
产生阻力的卡门涡街，另一方面，鱼儿通过不断摆尾来在身后制造了
“反卡门涡街（reverse Karman vortex street）”，使身后的水流向后，对自身
施加向前的推力。
1940年，发生的塔科马海峡大桥坍塌事件就是忽视了“卡门涡街”的效应。这座桥
原本是一位著名建筑师的艺术品，但为了成本考量，cost down之下，桥面厚度不足。
而在当天，风速为19m/s的情况之下，引起卡门涡街，使桥身发生了剧烈的扭曲振动，
振幅越来越大（接近9公尺），最后引起吊桥剧烈共振而崩塌。(wiki有影片唷)
ps1.像最近的寒流亦会造成某些地区在海面所形成卡门涡街。
ps2.匈牙利1992年发行的冯‧卡门纪念邮票，背景图案即是卡门涡街
不久，卡门离开哥廷根大学，前往亚琛工学院任教，如愿当上了教授。这一时期，
他还担任了空气动力研究所所长，并与普朗特首次阐释了困扰许久的
“紊流(Turbulent flow，又称乱流或湍流)”问题，提出相关的概念及理论基础。
有别于当时德国的教授，他经常和学生们打成一片，学生也很喜欢这位不摆架子
又风趣的年轻教授。甚至在酒馆几杯啤酒下肚之后，师生谈论起科学、家庭与恋爱。
据说，卡门对于不尊重专业、乱砍价格的老板自有他一套对付的手法。
一天，一位工厂主人向卡门求助，他的机器只要一开动就发生强烈振动，常常
造成零件的损坏。他曾经找了一位技师，对方却说：“你这个车（机器）有异音、
因为你这个皮带龟裂.....普利珠啦”。
最后技师拆开了座垫，还是无法修好。
工厂主人耳闻卡门能解决震动噪音问题，他便请卡门来工厂。
“闪开，让专业的来！”卡门一把霸气地推开手拿扳子的技师。
卡门在机器旁看了看，不出几分钟后就向工厂主人说：
“你把齿轮转一下角度就可以了。”
对方照做后，机器果然不再振动。
“公道价，八万一！”卡门拿出的帐单说。
“你只不过说了一句话，怎么要这么多钱！”工厂主人森77。
“那你把齿轮转回去，我就不收你钱。”卡门拿下他叼在嘴里的烟斗缓缓地说。
1929年，纳粹的排犹活动，让出身犹太血统的卡门感受到了影响。在物理学家
密立根（Robert Millikan）的邀请下，卡门前往加州理工学院做了空气动力学
实验室主任。这一时期，他完成了著名的紊流统计理论，解决了水坝裂缝、风车发电、
天文台反射式望远镜、超音速飞行等一系列工程问题，还主持筹建美国喷气工程公司，
指导一批青年科学家从事火箭技术研究，最后建立了美国火箭技术中心——
喷气推进实验室！卡门的名字在美国的科学界、业界和军方可谓无人不知、无人不晓...
卡门被称为航空航太时代的科学奇才，对流体力学、航空动力学贡献卓著。
最后，关于卡门的中国情缘，嗯...留在之后再谈吧～Anyway，中国的火箭技术、
航太发展都与他培养的学生：郭永怀与中国航太之父、中国导弹之父钱学森、
钱伟长、林家翘有很大的关系....。
以上
Reference:
1.科学五千年(八)
2.Wiki
3.冯‧卡门——航空与航天时代的科学奇才
A.D.
1.科学少年: https://www.facebook.com/ys.ylib/
2.物理萌史 线上科普漫画 https://www.facebook.com/physics.manga/