物理群星
1738 力学

伯努利原理

Bernoulli's Principle

流得快的地方压强低。这一句把能量守恒写给了流动的水,也写给了后来的空速表、流量计与机翼——代价是它比任何一条物理定律都更常被讲错。

当时的困境

十八世纪初,人已经会算水从桶底的孔里射出来有多快——托里切利 1643 年给出的答案是,跟从同样高度自由落下一样快。水车、喷泉、城市供水都在用这类经验规则。

但规则之间没有桥。一根粗细变化的管子里,水到了细处流得更急,这是谁都看得见的事;管壁在细处受的压力是变大还是变小,没有定论,甚至没人觉得这两件事应该有关系。「压强」当时是静水里的概念——水深多少,底下就压多重;水一动起来,这个概念该怎么用,无人说得清。

麻烦的根子在于,那时还不知道该把牛顿定律用在流体的哪一部分上。你盯住的那团水下一刻就变了形,与旁边的水混在一起。一条能对任意流动求解的方程要再等二十年。

洞见时刻

丹尼尔·伯努利在圣彼得堡的七年里写完了《流体动力学》,1738 年在斯特拉斯堡印出。他绕开了「一小块水受什么力」这个当时无解的问题,改用莱布尼茨的活力原理——今天叫能量守恒。

做法是从惠更斯处理复摆学来的:不追每一步的力,只把整团水「下落了多少」与「获得了多少活力」配平。再加一条简化假设——管里的水是一片片平行推进的薄层。他把这套算法叫「流动流体的静力学」(hydraulico-statica),就写在第十二节里。

结论是那句话:水流得快的地方,压强更低,差的正是被拿去做动能的那一份。他还给了两个演示——在水平管上竖一根细管,或者让水从管上的小孔向上喷,水位都明显低于上游液面。

p+12ρv2+ρgh=constp + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho g h = \text{const}

但这一行不是他写的。他讲的是管壁受到的压强,不是流体内部的压强;他的自变量是管截面与出水孔截面之比,而不是速度 vv。把三项相加为常数、并证明它就是流体运动方程沿一条流线的积分,是欧拉 1755 年那篇《流体运动的一般原理》里的事。

这也就划定了它的适用范围:定常流动、沿同一条流线、不计黏性。三个条件里任何一个不成立,这条定理就不能直接用——后世大多数「伯努利原理讲错了」的案例,都是在这三条上出的事。

涟漪效应

测速与测流量。 皮托 1732 年为测塞纳河的流速做过一根弯管,把管口正对来流;用伯努利关系一换算,管里多出来的那段水柱高度就是流速。今天每架飞机头上的空速管、每条工业管道上的文丘里流量计,用的都是这一步——测两处压强差,算出速度。文丘里管 1797 年问世,它同时还是喷射泵、化油器、氧气面罩混气装置的原理。

通风与烟囱。 屋顶上风吹过时压强低,屋里的浊气就被抽了出去;火车过站时站台上的人要退到黄线后,是因为车体带走的那层空气流速高、压强低,人会被推向车厢。这类日常现象第一次有了统一的解释。

血流。 血管局部变窄处流速升高、压强下降,严重时血管壁被「吸」得更扁——这是动脉狭窄会自我恶化的一个力学原因,也是心血管流体力学里最基本的一条。

机翼升力,以及那个著名的错误解释。 流行说法是:机翼上表面比下表面长,气流要「同时」到达后缘,所以走得快、压强低,于是有升力。美国航天局把这条叫作「最流行的错误升力理论」——错不在伯努利关系,而在那个前提:上下表面的气流本来就不会同时到达后缘,实测上表面的气流到得更早。正确的算法是解出真实的流场,再沿物面把压强积一圈;等价地,也可以看机翼把多少空气向下推、按牛顿第三定律算反作用。两种算法给出同一个答案,因为它们出自同一组守恒律。

它成了工程流体力学的起点。 今天从水泵扬程、管网水头损失、涡轮叶片到燃气动力学,第一步几乎都是写下这条能量关系,再往上加修正项——黏性损失、可压缩性、非定常项。

如果没有它

抽掉它,最直接的损失是「测量」。飞机没法知道自己飞多快——空速管是唯一不依赖外部信号的测速手段;管道里的流量也没法便宜地测,只能靠称重或计时。

工程上要退回全凭试错的年代:水泵、管网、通风井、喷嘴,每一次改动都得做一次实物试验,没有任何办法先在纸上估个数。

更根本的是,它是能量守恒第一次被写给连续介质。在它之前,能量守恒只用在质点与刚体上;伯努利证明了这件事对一条流线上的水同样成立。这一步之后,能量方法才成为处理连续介质的通用办法——从弹性力学到气体动力学,都是沿这条路往下走的。至于那个压强与动能可以互相换的图像,后来在电路(电压与电流)、在声学、在磁流体力学里反复出现,几乎成了物理学的一种通用直觉。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.丹尼尔·伯努利《流体动力学,或关于流体的力与运动的评注》第十二节,斯特拉斯堡(1738)
  2. 2.同书另一扫描本(可直接在线阅读)
  3. 3.欧拉《流体运动的一般原理》,《柏林科学院论文集》第 11 卷第 274 页(写于 1755,1757 年刊),欧拉档案 E226
  4. 4.达里戈尔、弗里施《从牛顿力学到欧拉方程》,《物理学 D》第 237 卷第 1855 页(2008)——复原 1738 年原始推导,给出原书第 258–260 页的对应
  5. 5.美国航天局格伦研究中心《航空学入门指南:伯努利与牛顿》——两种升力解释都成立,以及「等时通过」那个流行错误错在哪里