路德維希·普朗特爾

路德維希·普朗特爾

路德維希·普朗特爾(Ludwig Prandtl,1875年2月4日-1953年8月15日)現代空氣動力學之父。德國力學家。近代力學奠基人之一。1953年8月15日卒於哥廷根(Gottingen、Göttingen)。

生平

普朗特爾生於慕尼黑附近的弗賴辛,他的父親是一位教授,從小就鼓勵他觀察大自然並探索自然界事物。1894年進入慕尼黑工業大學攻讀機械工程,後在弗普爾教授指導下攻讀彈性力學,於1900年得博士學位。1901年在一機械廠工作中,因改進用管道抽吸廢屑的裝置發現了氣流分離問題;後來在漢諾瓦大學教授時,用自製水槽觀察曲面流動現象,三年後提出邊界層的理論。他在1904年海德堡國際數學大會上宣讀關於邊界層的論文(全名是《論粘性很小的流體的運動》),受到哥廷根大學數學教授菲利克斯·克萊因的賞識,克萊因推薦他擔任哥廷根大學套用力學系主任,後又支持他建立並主持空氣動力實驗所和威廉皇家流體力學研究所。在近半個世紀中,普朗特注意理論與實際的聯繫,在力學方面取得許多開創性成果。

主要學術貢獻

普朗特爾在流體力學方面的主要貢獻有:
邊界層理論。他在觀察、實驗的基礎上,提出繞物體流動的小粘性邊界層方程,為計算摩擦阻力、求解分離區和熱交換等問題奠定了基礎。普朗特的邊界層理論把理論和實驗結合起來,奠定了現代流體力學的基礎。
風洞實驗技術
③機翼理論
湍流理論。
普朗特爾在固體力學方面也有不少貢獻。他的博士論文(1899)探討了狹長矩形截面梁的側向穩定性。1903年提出了柱體扭轉問題的薄膜比擬法,他繼承並推廣了聖維南所開創的塑性流動的研究。卡門在他指導下完成的博士論文(1910)是關於柱體塑性區的屈曲問題。普朗特還解決了半無限體受狹條均勻壓力時的塑性流動分析(1921)。他在塑性力學方面也有開創性的研究。

人才培養
普朗特爾培養了許多國際知名的力學家,除近代力學另一奠基人馮·卡門外,還有阿克雷特、A.L.納戴、W.普拉格等。鐵木辛柯鄧哈托也曾跟他作過研究工作。著名力學家劉先志也從師從普朗特。關門弟子陸士嘉是普朗特唯一的一位女學生。

普朗特爾與哥廷根套用力學學派

哥廷根套用力學學派於20世紀初發源於德國的哥廷根大學。從高斯時代起,哥廷根大學就有將數學套用於天文學和物理學的優良傳統。19世紀末,哥廷根大學出了一位知名的數學家菲利克斯·克萊因(Felix Klein),他除了在純粹的數學上的成就外,還大力提倡套用數學,成為哥廷根學派(包括哥廷根數學學派和哥廷根套用力學學派)的領袖。1893年,他去美國芝加哥參觀博覽會後,深感要以當時德國的自然資源與人力資源同美國競爭,惟有依靠將包括數學在內的自然科學知識全面系統地套用於發展工業生產。他在世紀之交,再哥廷根大學建立了套用力學系、套用數學系和技術物理系和相應的研究所,克萊因認為,工科大學生不僅要有堅實的理論基礎,而且還要真正懂得科學研究的方法。另一方面,數學家也要具備一些工程技術基礎知識。實際上,他就是推動哥廷根大學沿著這個方向前進的。
1898年2月,克萊因創立了哥廷根套用數學及物理學促進會,取得了大企業(如著名的克虜伯基團等)的支持和資助;他仿照美國人的先例,努力在哥廷根大學內部建立更多的套用數學的機構,由工業界和大學以及私人的贊助人給予財政上的資助,有自己單獨的研究團隊;同年,克萊因提出了關於建立一個單獨的數學研究所的規劃,第二年,該研究所開始工作,以謝林為主任。由於數學系的擴張,使得數學系的職位增多;1900年,著名的荷蘭物理學家H.A.洛倫茲被任命為技術物理學教授。
1904年,路德維希·普朗特爾發表了著名的邊界層理論(當時年僅29歲)。這項工作引起了克萊因的注意,將普朗特從漢諾瓦高等理工學院聘請到哥廷根大學任工程力學教授。從此,在克萊因和普朗特在哥廷根大學創建了套用力學學派。同年,哥廷根大學套用數學副教授席位空缺,克萊因乘機向弗里德里克·阿爾道夫(德國負責大學事務的行政管理人和克萊因家的好友)提議:為這一學科設立正教授的席位。在德國,專門為套用數學設立教授席位這還是第一次。克萊因心目中的候選人是卡爾·龍格(就是創立熟知的龍格-庫塔法的那位龍格),龍格當時還在漢諾瓦,他不僅是一位傑出的實驗物理學家,由於譜線測量方面的工作而聞名,同時也是第一流的數學家。他的名字同解析函式的多項式逼近理論相聯繫。這樣,龍格從漢諾瓦來到了哥廷根。從此在哥廷根形成了一個純粹數學、套用數學、套用力學協調發展的黃金時代,以理論科學基地著稱的哥廷根大學又成了套用技術的搖籃。
在克萊因和普朗特爾的領導下,哥廷根大學套用力學研究所人才輩出。許多國際知名的力學大師,如馮·卡門、鐵木辛柯、普拉格、鄧哈托、納戴等,都出自普朗特爾的門下。如果說20世紀初是克萊因和普朗特開創的德國哥廷根套用力學學派,那么到了1930年則是普朗特爾的優秀學生馮·卡門把套用力學從德國帶到了美國。馮·卡門1906年爭取到了匈牙利科學院獎學金前往當時科學聖地——哥廷根,在哥廷根大學馮·卡門跟隨普朗特爾教授研究材料力學和流體力學;和後來獲得諾貝爾獎的德國物理學家馬克斯·玻恩合作搞過晶體原子結構模型;參加由克萊因組織的學術討論會;聆聽過諾貝爾獎金獲得者能斯特、純粹數學明星希爾伯特(世界第一流的數學家和物理學家)、歐洲大陸上第一位套用數學教授龍格等人的精彩絕倫的講課;作為普朗特爾的助手,馮·卡門參加了哥廷根第一個風洞的籌建和“齊柏林”飛船的設計。由於在哥廷根沒有教授位置空缺,克萊因推薦馮·卡門去了亞琛工業大學。馮·卡門在那裡研究湍流時與哥廷根仍保持密切的聯繫,普朗特向他提供了長期積累的實驗資料,包括尚未發表的最新數據,師生合作得非常愉快而有成效。1926年馮·卡門移居美國,到加州理工學院任職,開始了為美國空軍研製飛機、火箭、飛彈的生涯。他提倡尊重教師,又注意發揚學生的創新精神,鼓勵學生學習和運用數學思維,在古根海姆基金會的資助下,建立了古根海姆空氣動力學實驗室(GALCIT)。在30-50年代,他集聚了世界上最優秀的空氣動力學家,在航空航天技術方面取得了突破性進展,為人類進入空間時代奠定了科學基礎。我國的錢學森、郭永懷、錢偉長、林家翹就是曾在那裡學習、工作過的傑出人才,周培源教授也曾在馮·卡門處訪問有年。

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