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航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(三)

科普小知识2022-07-12 17:22:37
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本文遵循“航空航天领域的“老大”是如何变成的(2)”

6.“有幸附上我的名字的理论”

20世纪初,飞行理论的研究方兴未艾。由普朗特领导的研究小组主要致力于飞行理论中的涡流问题。冯·卡门对这个问题也很好奇。

波音777的尾涡

有一次,普朗特让一个学生在稳定的气流中测量圆柱体表面每一点的压力,但是无论如何,气流总是会波动,测量的压力很难稳定。这个学生犯了一个错误,向普朗特求助。普朗特简单明了地回答:“你用的圆杆太粗糙了!”

航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(三)

普朗特及其流体实验设备(网络图)

学生们回到实验室后,他们充分发展了德国人的严谨性,每天研磨和测试棒。但是当他小心地把圆形的测试杆放进水槽时,他发现水流仍然在波动。一个吃甜瓜的人说,“水槽不够对称吗?”因此,学生们开始每天打磨水槽。冯·卡门看到自己一整天都在流汗,就问发生了什么事。学生们摇摇头:“和以前一样,水一直在波动!”

冯·卡门再也控制不住自己了:奇怪,水流的波动是不可避免的吗?回到办公室,他立即试图用数学方法解释这一现象。水流过圆柱体后,会分裂成两部分,形成两个漩涡。这两个旋涡有可能完全对称吗?冯·卡门根据水流运动的数学方程很快否定了这种可能性。然后他假设这两个漩涡交替排列。经过一番计算,它成功了!也就是说,当水流过圆柱体后,必然会产生两排相互平行、方向相反的漩涡,它们交替排列,就像街道两边的路灯一样。

航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(三)

卫星拍摄的卡门涡街示意图(上)和小岛后的卡门涡街(下)(网络图)

冯·卡门在一个周末解决了困扰学生很长时间的难题,甚至他都有点惊讶。他兴奋地告诉普朗特他的新发现。毕竟,普朗特是见过大浪的长者。他对冯·卡门的重要发现非常冷静。他平静地说:“好吧,那就把它们整理出来,然后出版。”

1911年,冯·卡门的杰作出版了,文章中的涡流理论后来被称为“卡门涡流街”,这使他成为国际著名的空气动力学家。

“卡门涡街”有什么用?简而言之,它是飞机、轮船和赛车设计的重要理论基础,并且可以帮助人们知道如何使用流线来最小化轮廓的阻力。在1940年塔科马马海峡大桥的倒塌中,“卡门涡街”也发挥了重要作用。

航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(三)

匈牙利1992年冯卡门纪念邮票的背景是卡门涡街(网络图)。

冯·卡门非常尊敬法国科学家庞加莱,当他后来谈到“卡门涡街”时,他总是引用庞加莱在课堂上常说的一句话:“理论上,我很荣幸附上我的名字……”

7、编外讲师终于成为著名教授

冯·卡门只用了一个周末就收获了大鱼“卡门涡街”。快乐是不可避免的。当时,他的兴趣相当广泛。除了研究流体运动,他还探索了原子的奥秘。然而,尽管冯·卡门对固体结构和原子结构都提出了正确的假设,但他总是慢条斯理。他刚刚写了自己的文章,但其他人已经发表了。因此,他从来没有钓到过被称为“主动”的大鱼。冯·卡门有点无奈:嗯,我最好集中精力研究流体力学。

但是到了1912年,已经做了四年编外讲师的冯·卡门仍然不能等待正式任命的通知。他还会对流体力学感兴趣吗?慈爱的母亲说:“让孩子们回家吧。他们的家乡有工作。”严厉的父亲说:“不,不,不,西奥多,你还是要留在哥廷根,那里有未来。”当冯·卡门陷入困境时,一个朋友告诉他,匈牙利的一个采矿研究所需要一位应用力学教授。冯·卡门一听到“教授”这个词,就收拾好行李,返回办公室。

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冯·卡门的父母(加州理工学院,官方网站)

然而,采矿与技术研究所实验设备的匮乏根本无法满足冯·卡门的研究需求。不久,冯·卡门失望地回到了哥廷根。克莱因非常钦佩冯卡门,并同情发生在他身上的事情。后来,在克莱因的帮助下,31岁的冯·卡门终于成为了德国的一名教授。它只是亚琛工业大学,而不是哥廷根大学。

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亚琛工业大学(现亚琛工业大学)一角(网络图)

冯·卡门如愿成为了一名航空学教授,他仍然在亚琛工业大学这样的名校上学。他准备做大事。但当第一次世界大战爆发时,他被匈牙利召回,并在炮兵部队呆了四年。幸运的是,因为冯·卡门熟悉航空学,他参军后不久就被允许从事军用物资和技术工作。四年来,冯·卡门从未停止学习。他每天都忙于研究弹道、设计火炮、建造风洞和开发直升机。战争和政治混乱让冯·卡门更加深刻地认识到,只有科学才是永恒的真爱。战后不久,他回到了他一直渴望的亚琛。

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穿着匈牙利军装的冯·卡门(加州理工学院,官方网站)

亚琛工业学院经常组织精彩的学术活动,冯·卡门几乎都参加了。现在他发起了最著名的世界力学会议——国际理论和应用力学会议(早期称为国际力学会议)。在此期间,他还担任亚琛空气动力学研究所所长,并首次解释了“湍流”的概念和理论基础。然而,要说冯·卡门最喜欢的学术活动是教学生。

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亚琛的冯·卡门(右三)

当时,大多数德国教授都很有尊严,与学生疏远,但与冯·卡门不同,他的父亲是一位非常喜欢与学生接触的教育家。他也深受影响,经常与学生交往。冯·卡门已经被公认为伟大的科学家,但他从不摆架子。他总是穿着沾满粉笔灰的背心和褶皱的裤子在学生之间穿梭。学生们也喜欢他风趣的语言和透彻的解释,并愿意与这位平易近人的年轻教授交谈。除了上课和茶话会,冯·卡门更喜欢在酒吧和学生聊天。他们一边喝酒,一边谈论科学、家庭、爱情和个人未来。气氛是平等和活跃的。

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亚琛工业大学冯卡门(亚琛工业大学官方网站)

除了科学研究和教学,冯·卡门也是一个赚钱的大师,帮助企业成为顾问使他收入颇丰。一天,一个工厂主的机器刚一启动就剧烈震动。看到机器可能损坏,他向冯·卡门求助。冯·卡门去工厂检查了几分钟,然后对工厂老板说:“这是一件小事。你只需要将齿轮旋转90度。”在工厂主做了之后,机器真的停止了振动。他很高兴看到冯·卡门的账单,但他目瞪口呆,愤怒地说:“你只说了一个字,你为什么需要这么多钱!”冯·卡门还简单地说,“把齿轮转回来,我会撕掉账单。”工厂老板顿时哑口无言。

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冯·卡门飞行(网络图)

1929年冬天,德国的犹太人非常寒冷。纳粹日益猖獗的反犹太主义活动也影响了冯·卡门,一个在亚琛工业学院学习了16年航空学的犹太人。冯·卡门决定带他的家人去美国。他最辉煌的时代即将开始!

冯·卡门是如何帮助中国发展航空工业的?他晚年有什么有趣的事情?请密切关注“航空航天领域的“领头大哥”是如何炼成的(4)”。