“当我见到上帝时，我会问他两个问题：为什么？为什么？我会先问他一个。” -
“如果我遇到上帝，我会问他两个问题：相对论到底是什么？湍流到底是什么？我想他会知道第一个问题的答案。” ——海森堡，简介
了解量子力学的人一定对海森堡这个名字不陌生。 他是量子力学的奠基人之一，提出了著名的海森堡测不准原理。 但相对不为人知的是，海森堡最初实际上是研究流体力学的。 博士期间，他跟随导师索末菲（）研究湍流。 他的博士论文题目是“Überät und von Flüömmen”（“论流体流动的稳定性和湍流”）。 这是1924年的工作，但很快就放弃了湍流的研究，转向量子力学。 于是在1925年，他很快提出了量子力学的表达式之一——矩阵力学。 1927年，他提出测不准原理，并很快于1932年获得诺贝尔奖，成为最年轻的诺贝尔奖获得者之一。 1950年左右，他短暂地回到了湍流领域。海森堡放弃了时间湍流的研究，转向量子力学，并取得了巨大的成功。 成功，所以理解海森堡一开始的话就不难了； 事实上，人类对相对论已经有了比较完整的认识，但对湍流的认识还只是肤浅的。
另一位大家都熟悉的物理学家是尼尔斯·玻尔。 1909年，在他于1911年提出著名的氢原子玻尔模型之前，他曾研究过流体力学并使用非圆形孔。 射流表面张力波提出了一种高精度测量液体表面张力的方法，但实际上这个问题直到今天还没有得到完美解决。 值得一提的是，尼尔斯·玻尔的孙子托马斯·玻尔（Tomas Bohr）现在专攻流体力学，甚至研究了祖父研究的气液两相流问题。此外，著名物理学家李政道也研究过1950年左右开始研究流体力学，并从理论上证明了二维粘性流体中不会发生两种湍流。这里只是罗列了20世纪最熟悉的物理学家研究流体力学的经验，其实有很多物理学家研究过18、19世纪，如欧拉、瑞利等人早期对流体力学做出了基础性贡献，阿尔文也因其对磁流体动力学的贡献获得了1970年诺贝尔物理学奖。
我提到这些物理学家在流体力学方面的工作有两个目的：1.强调流体力学确实是一个物理问题，应该被视为物理学的一个重要分支；2.强调流体力学确实是一个物理问题，应该被视为物理学的一个重要分支； 2.流体力学问题，尤其是湍流问题非常重要。 即使是这些物理学大师也未能攻克这个难题，一百多年的努力也只解决了一小部分。
但20世纪中叶以来冯物理学家，随着航天、导弹等高科技技术的发展，人类对流体力学的研究重点逐渐转向工程应用。 流体力学逐渐成为工程技术领域的重要组成部分，并逐渐变得不那么“物理”。 最直接的体现是，很多工科专业都开设了流体力学课程，而国内大多数物理专业甚至无法开设流体力学选修课；另一个体现是，在教材方面，都是专门为物理系学生编写的。力学教材也比较有限，而且大多是针对各个领域的工科学生，其语言、符号、侧重点都不符合物理学生的习惯。在这些有限的教材中，最著名的就是《郎》。陶氏十卷之一的《流体动力学》表明，朗道也将流体力学视为物理学的一部分。
事实上，即使对于现代物理学研究来说，流体力学也有着不可忽视的地位。 它在天体物理学、空间物理学、等离子体物理学、高能密度物理学、软物质物理学、生物物理学、大气/海洋物理学等领域发挥着重要作用，在许多领域都发挥着广泛而重要的作用。 例如，极早期宇宙中的夸克-胶子等离子体以及天体物理学中的吸积过程都与流体力学密切相关。 目前，实现磁约束可控核聚变遇到的关键问题之一是复杂磁流体动力学的不稳定性。 所以如果你对以上研究方向感兴趣，那么流体力学的学习是非常有必要的。 同时，流体力学也是经典场论的一部分，这对于熟悉场论的语言和数学基础非常重要。 起着重要的作用，所以我个人认为做理论物理或者对相关领域感兴趣的同学不妨学一点流体力学。
此外，还有一些纯粹的流体力学研究，不追求在工程或某一物理领域的应用。 他们只是为了满足好奇心。 例如，为什么水龙头里的水落入水槽时会形成一圈空白？ - 关于江小白71的回答中提到的圆形水跃问题，我认为这类研究也应该归类为物理学。 毕竟PRL也接受纯流体力学的文章，APS还开了一个新期刊来发表。 对于流体力学的研究，你不能说APS和PR系列不是物理学（笑）。
在这样的背景下，我希望能在中文物理流体力学的内容上做一点工作冯物理学家，所以就有了这个系列的文章。 这个系列的标题显然是借用了一些经典物理教科书的标题来强调流体。 力学的物理性质。 我个人认为，物理流体力学的“物理性”应该主要体现在两个方面：第一，在理论的叙述风格上尽量做到严谨，在做数学推导的同时注重物理形象，并尽量做到选择人们的身体习惯的排名和符号系统将不限于与身体研究直接相关的内容。 也许看似无关的内容对你自己的研究课题有帮助。
1. 物理学中的流体力学现象
这一部分主要从半科学半教科书的角度介绍了物理学中的一些流体力学现象，让大家能够体验到流体力学在物理学中的广泛应用，部分感受到流体的一些物理性质。 考虑到例子的趣味性，并且由于我个人对天体物理学比较熟悉，所以下面的例子主要集中在行星科学和天体物理学领域。
卡西尼号太空船捕捉到土星北极六角形风暴
上图是土星探测器卡西尼号近距离拍摄的，清晰地展示了土星北极风暴的六边形结构。 这种美丽的现象长期以来一直困扰着天文学家。 旋转对称系统如何演化为多边形结构？ 这是一个非常典型的流体力学问题，但直到今天这个问题还没有得到完美的解决。 已经有很多实验重现了类似的现象，不同的物理学家提出了不同的理论。 。
左：蟹状星云； 右：南环星云（JWST 拍摄的最新图像）
这两个天体都属于行星状星云。 蟹状星云（NGC 1952）是1054年爆发的超新星形成的超新星遗迹，其核心目前是一颗脉冲星； 南环星云（NGC 3132）是恒星演化末期的抛射。 喷射出的气体物质的核心目前是一颗白矮星（不是图片中央的亮星）。 从逻辑上讲，超新星爆炸和恒星物质喷射的过程应该大致呈球对称。 为什么会有如此细致而美丽的阵型？ 那么结构呢？ 事实上，这源于流体力学的不稳定性，这将在本系列文章中详细讨论。
大气云形成的卡门涡街
上图是气象卫星拍摄的大气云实拍图。 可以观察到明显的规则结构。 如果你没有流体力学的经验，这样的结构会有点难以置信，但其实它有一个非常简单的原因：下图是一个圆柱体绕着一个圆柱体运行。 流动的数值模拟，即均匀来流流过固定圆柱体时形成的流场。 这种特殊的流场结构被称为卡门涡街。
圆柱绕流的数值模拟
可以看出，上述大气云结构与卡门涡街非常相似，因此可以进一步推断，高层大气风场流过一座真正高耸的山脉（位于左上角的黑色区域）图中），从而形成卡门涡街结构。
螺旋星系 NGC 5457
上图为典型旋涡星系的旋臂结构。 宇宙中存在大量相似的星系。 然而，人类很长一段时间都不明白这种旋臂结构的成因。 早期的理论存在各种矛盾。 直到1963年、2006年，美籍华裔流体力学和天体物理学家林家桥和他的博士生徐亚生（也是著名美籍华裔天体物理学家）提出了密度波理论，将星系视为由恒星组成的流体，星系悬臂梁式，是流体中的波而不是刚性结构成功地解释了星系的旋臂结构。 值得一提的是，在20世纪60年代之前，林家桥一直专攻流体力学，是著名的流体力学大师泰勒（GI）和冯·卡门。 （冯）学生。 显然这也是将流体力学应用于物理研究的典型例子。
2.适合物理学家的流体力学教材推荐
其实我读的流体力学教材不多，包括很多工程流体力学教材，所以这里暂时只推荐三本书。 如果以后发现其他更好的教材，我会继续补充。
王仙芝《物理流体力学》。 (作者为上海交通大学教授) 它是中国为数不多的专门针对物理学生的流体力学教材之一。 这本书的特点是难度很大。 据作者称，它“具有一定的大学物理味道”。 阅读时，只需要最基本的力学、电磁学和热学知识即可。 如果你已经学过四大力学，你会觉得有点迷茫。 这个地方处理得太慢了。 但主要优点是非常详细，针对最基本的部分提供了大量的示例和物理案例。 适合初学者建立最基本的概念。 它可以被视为流体力学的“通用物理学”版本。 兰道/利夫希茨“流体动力学”。 必读的教科书，最经典的物理流体力学教科书，也可能是大多数人都知道的唯一一本物理角度的教科书。 明显具有朗道系列教材的一贯特点——内容丰富、推导严谨、实物形象清晰； 但受时代所限，现在看来这本书在内容选择和符号习惯上都稍显过时。 阅读需要一些向量、张量和热力学的基础知识。 Oded Regev, Orkan M. 等. 和 的流体。 很新的教材，作者也是一位物理学教授。 从书名就可以看出，这本书解决了朗道教材稍显过时的痛点。 它不仅采用了最新的数学物理语言，而且在内容选择上也考虑到了现代物理研究的需要。
据作者介绍，本书适合高年级本科生和研究生阅读。 所需的基础知识包括一定程度的常/偏微分方程、向量/张量以及尽可能多的四大力学知识。 参考英文翻译链接：详情可参考维基百科：Bohr, Niels。 “水的 - 水的喷射。” 的皇家。 A，a 或 209（1909）：281-317。 恰巧这是今年 IYPT/CUPT 的主题，所以我做了一点研究，也许有时间我会写一篇文章（？他的 主页：他还与 Lee, TD 合作过”在二流体和三流体中。”22。
4（1951）：524-524。 这也激励我们为了获得诺贝尔奖而尽早放弃流体的研究（错）兰道本人在流体力学方面也做了很多研究。 虽然它们大多数本质上是跨学科的，但与电动力学和广义理论相比，你不能说它们不是物理学。 相对论等场论更容易直观地理解。 最近我也在做纯流体力学的研究，流体力学的内容我有专门的编辑负责。 我总是把它读成“物理/家庭使用xxx”（乐），比如下面密度波理论的例子和天文照片很漂亮。 图片来源：比如2020年IYPT竞赛题：有简介：% 图片来源：%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB: --1。 jpg 来源::--. gif来源：参考：Lin，CC； 舒，FH (1964)。 “在磁盘上”。 。 140：646-655。就是上面提到的《不稳定》，所以仅仅读这本书是远远不够的。
