伯努利,科学家族 (四)


丹尼尔•伯努利

丹尼尔•伯努利,(Daniel Bernoulli 1700~1782)瑞士物理学家、数学家、医学家。1700年2月8日生于荷兰格罗宁根。著名的伯努利家族中最杰出的一位。他是数学家J.伯努利的次子,和他的父辈一样,违背家长要他经商的愿望,坚持学医,他曾在海得尔贝格、斯脱思堡和巴塞尔等大学学习哲学、伦理学、医学。1721年取得医学硕士学位。伯努利在25岁时(1725)就应聘为圣彼得堡科学院的数学院士。8年后回到瑞士的巴塞尔,先任解剖学教授,后任动力学教授,1750年成为物理学教授。
在1725~1749年间,伯努利曾十次荣获法国科学院的年度奖。
1782年3月17日,伯努利在瑞士巴塞尔逝世,终年82岁。
约翰•伯努利想迫使他的第二个儿子丹尼尔去经商,但丹尼尔在不由自主地陷进数学之前,曾宁可选择医学成为医生。

丹尼尔(Daniel,公元1700~1782年)出生于荷兰的格罗宁根,1716年16岁时获艺术硕士学位;1721年又获医学博士学位。他曾申请解剖学和植物学教授职位,但未成功。

丹尼尔受父兄影响,一直很喜欢数学。1724年,他在威尼斯旅途中发表《数学练习》,引起学术界关注,并被邀请到圣彼得堡科学院工作。同年,他还用变量分离法解决了微分方程中的里卡提方程。1725年,25岁的丹尼尔受聘为圣彼得堡的数学教授。1727年,20岁的欧拉(后人将他与阿基米德、艾萨克•牛顿、高斯并列为数学史上的“四杰”),到圣彼得堡成为丹尼尔的助手。

然而,丹尼尔认为圣彼得堡那地方的生活比较粗鄙,以至于8年以后的1733年,他找到机会返回巴塞尔,终于在那儿成为解剖学和植物学教授,最后又成为物理学教授。

1734年,丹尼尔荣获巴黎科学院奖金,以后又10次获得该奖金。能与丹尼尔媲美的只有大数学家欧拉。丹尼尔和欧拉保持了近40年的学术通信,在科学史上留下一段佳话。

在伯努利家族中,丹尼尔是涉及科学领域较多的人。他出版了经典著作《流体动力学》(1738年);研究弹性弦的横向振动问题(1741~1743年),提出声音在空气中的传播规律(1762年)。他的论著还涉及天文学(1734年)、地球引力(1728年)、湖汐(1740年)、磁学(1743、1746年),振动理论(1747年)、船体航行的稳定(1753、1757年)和生理学(1721、1728年)等。丹尼尔的博学成为伯努利家族的代表。

丹尼尔于1747年当选为柏林科学院院士,1748年当选巴黎科学院院士,1750年当选英国皇家学会会员。他一生获得过多项荣誉称号。

科学成就
1.在物理学上的贡献有:
(1)1738年出版了《流体动力学》一书,共13章。这是他最重要的著作。书中用能量守恒定律解决流体的流动问题,写出了流体动力学的基本方程,后人称之为“伯努利方程”,提出了“流速增加、压强降低”的伯努利原理。
(2)他还提出把气压看成气体分子对容器壁表面撞击而生的效应,建立了分子运动理论和热学的基本概念,并指出了压强和分子运动随温度增高而加强的事实。
(3)从1728年起,他和欧拉还共同研究柔韧而有弹性的链和梁的力学问题,包括这些物体的平衡曲线,还研究了弦和空气柱的振动。
(4)他曾因天文测量、地球引力、潮汐、磁学、洋流、船体航行的稳定、土星和木星的不规则运动和振动理论等成果而获奖。
2.在数学方面,有关微积分、微分方程和概率论等,他也做了大量而重要的工作。

伯努利定律
在一个流体系统,比如气流、水流中,流速越快,流体产生的压力就越小,这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔•伯努利1738年发现的“伯努利定律”。
这个压力产生的力量是巨大的,空气能够托起沉重的飞机,就是利用了伯努利定律。飞机机翼的上表面是流畅的曲面,下表面则是平面。这样,机翼上表面的气流速度就大于下表面的气流速度,所以机翼下方气流产生的压力就大于上方气流的压力,飞机就被这巨大的压力差“托住”了。当然了,这个压力到底有多大,一个高深的流体力学公式“伯努利方程”会去计算它。

伯努利方程
伯努利理想正压流体在有势彻体力作用下作定常运动时,运动方程(即欧拉方程)沿流线积分而得到的表达运动流体机械能守恒的方程。因著名的瑞士科学家D.伯努利于1738年提出而得名。对于重力场中的不可压缩均质流体 ,方程为p+ρgz+(1/2)*ρv^2=C 式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和速度;z 为铅垂高度;g为重力加速度。
上式各项分别表示单位体积流体的压力能 p、重力势能ρg z和动能(1/2)*ρv ^2,在沿流线运动过程中,总和保持不变,即总能量守恒。但各流线之间总能量(即上式中的常量值)可能不同。对于气体,可忽略重力,方程简化为p+(1/2)*ρv ^2=常量(p0),各项分别称为静压 、动压和总压。显然 ,流动中速度增大,压强就减小;速度减小, 压强就增大;速度降为零,压强就达到最大(理论上应等于总压)。飞机机翼产生举力,就在于下翼面速度低而压强大,上翼面速度高而压强小 ,因而合力向上。 据此方程,测量流体的总压、静压即可求得速度,成为皮托管测速的原理。在无旋流动中,也可利用无旋条件积分欧拉方程而得到相同的结果但涵义不同,此时公式中的常量在全流场不变,表示各流线上流体有相同的总能量,方程适用于全流场任意两点之间。在粘性流动中,粘性摩擦力消耗机械能而产生热,机械能不守恒,推广使用伯努利方程时,应加进机械能损失项。

伯努利效应
1726年,伯努利通过无数次实验,发现了“边界层表面效应”:流体速度加快时,物体与流体接触的界面上的压力会减小,反之压力会增加。为纪念这位科学家的贡献,这一发现被称为“伯努利效应”。伯努利效应适用于包括气体在内的一切流体,是流体作稳定流动时的基本现象之一,反映出流体的压强与流速的关系,流速与压强的关系:流体的流速越大,压强越小;流体的流速越小,压强越大。
比如,管道内有一稳定流动的流体,在管道不同截面处的竖直开口细管内的液柱的高度不同,表明在稳定流动中,流速大的地方压强小,流速小的地方压强大。这一现象称为“伯努利效应”。伯努利方程:p+1/2pv^2=常量。

在列车站台上都划有安全线。这是由于列车高速驶来时,靠近列车车厢的空气将被带动而运动起来,压强就减小,站台上的旅客若离列车过近,旅客身体前后出现明显压强差,将使旅客被吸向列车而受伤害。

伯努利效应的应用举例:飞机机翼、 喷雾器、汽油发动机的汽化器、球类比赛中的旋转球。

伯努利数
伯努利数是18世纪瑞士数学家雅各布•伯努利引入的一个数。设伯努利数为B(n),它的定义为: t/(e^t-1)=∑[B(n)*(t^n)/(n!)](n:0->∞) 这里|t|=1时,有B(2n+1)=0;n>=2时,有公式B(n)=∑[C(k,n)*B(k)](k:0->n)可用来逐一计算伯努利数。伯努利数在数论中很有用。例如,对于佩尔方程-=-4(≡1(mod4)是素数),N.C.安克尼和E.阿廷曾猜想它的最小解x0+(y0)*√(p)满足 ,1960年,L.J.莫德尔证明了在≡5(mod8)时,S.乔拉证明了在≡1(mod8)时,上述猜想等价于伯努利数B((p-1)/2)的分子不被整除。伯努利数还可用于费马大定理的论证中。设>3,如果伯努利数B,B,…,B(p-3)的每一个的分子不被整除,这样的素数叫正规素数,否则就叫非正规素数。德国数学家E.E.库默尔证明了:当为正规素数时,费马大定理成立。不难计算当3

相关轶事
著名的伯努利家族曾产生许多传奇和轶事。对于这样一个既有科学天赋然而又语言粗暴的家族来说,这似乎是很自然的事情。一个关于丹尼尔的传说是这样的:有一次在旅途中,年轻的丹尼尔同一个风趣的陌生人闲谈,他谦虚地自我介绍说:“我是丹尼尔•伯努利。”陌生人立即带着讥讽的神情回答道:“那我就是艾萨克•牛顿!” (续完)

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