“當我見到上帝時，我會問他兩個問題：為什么？為什么？我會先問他一個。” -
“如果我遇到上帝，我會問他兩個問題：相對論到底是什么？湍流到底是什么？我想他會知道第一個問題的答案。” ——海森堡，簡介
了解量子力學的人一定對海森堡這個名字不陌生。 他是量子力學的奠基人之一，提出了著名的海森堡測不準原理。 但相對不為人知的是，海森堡最初實際上是研究流體力學的。 博士期間，他跟隨導師索末菲（）研究湍流。 他的博士論文題目是“über?t und von Flü?mmen”（“論流體流動的穩定性和湍流”）。 這是1924年的工作，但很快就放棄了湍流的研究，轉向量子力學。 于是在1925年，他很快提出了量子力學的表達式之一——矩陣力學。 1927年，他提出測不準原理，并很快于1932年獲得諾貝爾獎，成為最年輕的諾貝爾獎獲得者之一。 1950年左右，他短暫地回到了湍流領域。海森堡放棄了時間湍流的研究，轉向量子力學，并取得了巨大的成功。 成功，所以理解海森堡一開始的話就不難了； 事實上，人類對相對論已經有了比較完整的認識，但對湍流的認識還只是膚淺的。
另一位大家都熟悉的物理學家是尼爾斯·玻爾。 1909年，在他于1911年提出著名的氫原子玻爾模型之前，他曾研究過流體力學并使用非圓形孔。 射流表面張力波提出了一種高精度測量液體表面張力的方法，但實際上這個問題直到今天還沒有得到完美解決。 值得一提的是，尼爾斯·玻爾的孫子托馬斯·玻爾（Tomas Bohr）現在專攻流體力學，甚至研究了祖父研究的氣液兩相流問題。此外，著名物理學家李政道也研究過1950年左右開始研究流體力學，并從理論上證明了二維粘性流體中不會發生兩種湍流。這里只是羅列了20世紀最熟悉的物理學家研究流體力學的經驗，其實有很多物理學家研究過18、19世紀，如歐拉、瑞利等人早期對流體力學做出了基礎性貢獻，阿爾文也因其對磁流體動力學的貢獻獲得了1970年諾貝爾物理學獎。
我提到這些物理學家在流體力學方面的工作有兩個目的：1.強調流體力學確實是一個物理問題，應該被視為物理學的一個重要分支；2.強調流體力學確實是一個物理問題，應該被視為物理學的一個重要分支； 2.流體力學問題，尤其是湍流問題非常重要。 即使是這些物理學大師也未能攻克這個難題，一百多年的努力也只解決了一小部分。
但20世紀中葉以來馮物理學家，隨著航天、導彈等高科技技術的發展，人類對流體力學的研究重點逐漸轉向工程應用。 流體力學逐漸成為工程技術領域的重要組成部分，并逐漸變得不那么“物理”。 最直接的體現是，很多工科專業都開設了流體力學課程，而國內大多數物理專業甚至無法開設流體力學選修課；另一個體現是，在教材方面，都是專門為物理系學生編寫的。力學教材也比較有限，而且大多是針對各個領域的工科學生，其語言、符號、側重點都不符合物理學生的習慣。在這些有限的教材中，最著名的就是《郎》。陶氏十卷之一的《流體動力學》表明，朗道也將流體力學視為物理學的一部分。
事實上，即使對于現代物理學研究來說，流體力學也有著不可忽視的地位。 它在天體物理學、空間物理學、等離子體物理學、高能密度物理學、軟物質物理學、生物物理學、大氣/海洋物理學等領域發揮著重要作用，在許多領域都發揮著廣泛而重要的作用。 例如，極早期宇宙中的夸克-膠子等離子體以及天體物理學中的吸積過程都與流體力學密切相關。 目前，實現磁約束可控核聚變遇到的關鍵問題之一是復雜磁流體動力學的不穩定性。 所以如果你對以上研究方向感興趣，那么流體力學的學習是非常有必要的。 同時，流體力學也是經典場論的一部分，這對于熟悉場論的語言和數學基礎非常重要。 起著重要的作用，所以我個人認為做理論物理或者對相關領域感興趣的同學不妨學一點流體力學。
此外，還有一些純粹的流體力學研究，不追求在工程或某一物理領域的應用。 他們只是為了滿足好奇心。 例如，為什么水龍頭里的水落入水槽時會形成一圈空白？ - 關于江小白71的回答中提到的圓形水躍問題，我認為這類研究也應該歸類為物理學。 畢竟PRL也接受純流體力學的文章，APS還開了一個新期刊來發表。 對于流體力學的研究，你不能說APS和PR系列不是物理學（笑）。
在這樣的背景下，我希望能在中文物理流體力學的內容上做一點工作馮物理學家，所以就有了這個系列的文章。 這個系列的標題顯然是借用了一些經典物理教科書的標題來強調流體。 力學的物理性質。 我個人認為，物理流體力學的“物理性”應該主要體現在兩個方面：第一，在理論的敘述風格上盡量做到嚴謹，在做數學推導的同時注重物理形象，并盡量做到選擇人們的身體習慣的排名和符號系統將不限于與身體研究直接相關的內容。 也許看似無關的內容對你自己的研究課題有幫助。
1. 物理學中的流體力學現象
這一部分主要從半科學半教科書的角度介紹了物理學中的一些流體力學現象，讓大家能夠體驗到流體力學在物理學中的廣泛應用，部分感受到流體的一些物理性質。 考慮到例子的趣味性，并且由于我個人對天體物理學比較熟悉，所以下面的例子主要集中在行星科學和天體物理學領域。
卡西尼號太空船捕捉到土星北極六角形風暴
上圖是土星探測器卡西尼號近距離拍攝的，清晰地展示了土星北極風暴的六邊形結構。 這種美麗的現象長期以來一直困擾著天文學家。 旋轉對稱系統如何演化為多邊形結構？ 這是一個非常典型的流體力學問題，但直到今天這個問題還沒有得到完美的解決。 已經有很多實驗重現了類似的現象，不同的物理學家提出了不同的理論。 。
左：蟹狀星云； 右：南環星云（JWST 拍攝的最新圖像）
這兩個天體都屬于行星狀星云。 蟹狀星云（NGC 1952）是1054年爆發的超新星形成的超新星遺跡，其核心目前是一顆脈沖星； 南環星云（NGC 3132）是恒星演化末期的拋射。 噴射出的氣體物質的核心目前是一顆白矮星（不是圖片中央的亮星）。 從邏輯上講，超新星爆炸和恒星物質噴射的過程應該大致呈球對稱。 為什么會有如此細致而美麗的陣型？ 那么結構呢？ 事實上，這源于流體力學的不穩定性，這將在本系列文章中詳細討論。
大氣云形成的卡門渦街
上圖是氣象衛星拍攝的大氣云實拍圖。 可以觀察到明顯的規則結構。 如果你沒有流體力學的經驗，這樣的結構會有點難以置信，但其實它有一個非常簡單的原因：下圖是一個圓柱體繞著一個圓柱體運行。 流動的數值模擬，即均勻來流流過固定圓柱體時形成的流場。 這種特殊的流場結構被稱為卡門渦街。
圓柱繞流的數值模擬
可以看出，上述大氣云結構與卡門渦街非常相似，因此可以進一步推斷，高層大氣風場流過一座真正高聳的山脈（位于左上角的黑色區域）圖中），從而形成卡門渦街結構。
螺旋星系 NGC 5457
上圖為典型旋渦星系的旋臂結構。 宇宙中存在大量相似的星系。 然而，人類很長一段時間都不明白這種旋臂結構的成因。 早期的理論存在各種矛盾。 直到1963年、2006年，美籍華裔流體力學和天體物理學家林家橋和他的博士生徐亞生（也是著名美籍華裔天體物理學家）提出了密度波理論，將星系視為由恒星組成的流體，星系懸臂梁式，是流體中的波而不是剛性結構成功地解釋了星系的旋臂結構。 值得一提的是，在20世紀60年代之前，林家橋一直專攻流體力學，是著名的流體力學大師泰勒（GI）和馮·卡門。 （馮）學生。 顯然這也是將流體力學應用于物理研究的典型例子。
2.適合物理學家的流體力學教材推薦
其實我讀的流體力學教材不多，包括很多工程流體力學教材，所以這里暫時只推薦三本書。 如果以后發現其他更好的教材，我會繼續補充。
王仙芝《物理流體力學》。 (作者為上海交通大學教授) 它是中國為數不多的專門針對物理學生的流體力學教材之一。 這本書的特點是難度很大。 據作者稱，它“具有一定的大學物理味道”。 閱讀時，只需要最基本的力學、電磁學和熱學知識即可。 如果你已經學過四大力學，你會覺得有點迷茫。 這個地方處理得太慢了。 但主要優點是非常詳細，針對最基本的部分提供了大量的示例和物理案例。 適合初學者建立最基本的概念。 它可以被視為流體力學的“通用物理學”版本。 蘭道/利夫希茨“流體動力學”。 必讀的教科書，最經典的物理流體力學教科書，也可能是大多數人都知道的唯一一本物理角度的教科書。 明顯具有朗道系列教材的一貫特點——內容豐富、推導嚴謹、實物形象清晰； 但受時代所限，現在看來這本書在內容選擇和符號習慣上都稍顯過時。 閱讀需要一些向量、張量和熱力學的基礎知識。 Oded Regev, Orkan M. 等. 和 的流體。 很新的教材，作者也是一位物理學教授。 從書名就可以看出，這本書解決了朗道教材稍顯過時的痛點。 它不僅采用了最新的數學物理語言，而且在內容選擇上也考慮到了現代物理研究的需要。
據作者介紹，本書適合高年級本科生和研究生閱讀。 所需的基礎知識包括一定程度的常/偏微分方程、向量/張量以及盡可能多的四大力學知識。 參考英文翻譯鏈接：詳情可參考維基百科：Bohr, Niels。 “水的 - 水的噴射。” 的皇家。 A，a 或 209（1909）：281-317。 恰巧這是今年 IYPT/CUPT 的主題，所以我做了一點研究，也許有時間我會寫一篇文章（？他的 主頁：他還與 Lee, TD 合作過”在二流體和三流體中。”22。
4（1951）：524-524。 這也激勵我們為了獲得諾貝爾獎而盡早放棄流體的研究（錯）蘭道本人在流體力學方面也做了很多研究。 雖然它們大多數本質上是跨學科的，但與電動力學和廣義理論相比，你不能說它們不是物理學。 相對論等場論更容易直觀地理解。 最近我也在做純流體力學的研究，流體力學的內容我有專門的編輯負責。 我總是把它讀成“物理/家庭使用xxx”（樂），比如下面密度波理論的例子和天文照片很漂亮。 圖片來源：比如2020年IYPT競賽題：有簡介：% 圖片來源：%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB: --1。 jpg 來源::--. gif來源：參考：Lin，CC； 舒，FH (1964)。 “在磁盤上”。 。 140：646-655。就是上面提到的《不穩定》，所以僅僅讀這本書是遠遠不夠的。
