【物理史上的三月】 1883 年 3 月 15 日:雷諾(Osborne Reynolds)提出雷諾數的主張

1883 年 3 月 15 日:雷諾(Osborne Reynolds)提出雷諾數的主張

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News, 2020 年 3 月)

 

Photo:Wikimedia Commons

雷諾(Osborne Reynolds)

 

由於液體非線性的本質,因此很難預測它們複雜的流動,這是眾所皆知的事。然而多虧一位出生在愛爾蘭的物理學家雷諾(Osborne Reynolds),現在物理學家可以預測一個已知系統中的流動是層流或是紊流。雷諾在流體動力學的研究是一位先驅者,他做了一個巧妙的實驗來說明兩種流動關鍵的轉換點,可以用一個簡單的數目來預測,這數目就是我們現在所知的雷諾數。

雷諾出生在愛爾蘭伯發斯特(Belfast),父親是牧師,也是學校的校長,喜愛機械,改良過幾款農業用具,取得了專利。雷諾遺傳父親對數學的喜好,他後來回想道:「父親時常指導我,他是機械的愛好者,在數學和其在物理上的應用方面都很出色」,讓他從中獲益良多。

年輕的雷諾到造船專家處當學徒,激起他對流體動力學的興趣。在劍橋大學皇后學院(Queens College, Cambridge)獲得數學學位後,他花了1年當土木工程師,專注於下水道的輸送系統。之後,他於 25 歲時成了歐文斯學院(Owens College,現在的曼徹斯特大學)的工程學教授,在那裏度過他全部的職業生涯。

工程學在當時是相當新穎的研究領域,雷諾是歐文斯學院此領域的第一位教授,這個教授職位是由當地的工程師和企業人士所創立的講座,他們希望增加在科學和工程學方面有經驗的年輕人受聘的人數。雷諾很注重工程學課程方面的數學、物理和古典力學,但他顯然並不擅長授課。然而根據他的數學同事蘭姆(Horace Lamb)指出:「他對學生非常寬厚,會給他們有價值的作業,並和他們合作」,所以他其實是一位非常好的指導者。

起先,雷諾的研究專注於電學和磁學,以及太陽和彗星的性質,但很快地,他的興趣轉移至水力學和流體動力學,在滾動磨擦和流體動力潤滑方面的研究做出了貢獻。在那些早期的日子,他的實驗設備沒很多,因此他的大部分實驗都相對簡單,可以在戶外或在家中做。

雷諾還加入曼徹斯特文學與哲學學會,那時學會由焦耳(James Prescott Joule)領導,焦耳鼓勵他於 1870 年 3 月發表第一篇論文。雷諾還藉由加入曼徹斯特科學和機械學會,以及曼徹斯特雇主與領班及繪畫員協會培養更實用的興趣。

雷諾在固體和液體之間熱傳遞和相變的研究,有助於鍋爐和冷凝器設計的改良。他於 1875 年的一項兩階段蒸汽機專利是早期水力泵和蒸氣渦輪史上的里程碑。他還繼續研究土木,於 1872 年發表一簡短專著,談論如何將下水道氣體從家中排除。此話題很受歡迎,專著出版了 4 次。

1883 年初,雷諾做他有關液體流動的經典實驗,在一個流經大玻璃管中的水噴進染色的水,以研究不同的水流速度。在管子的一端有一個控制閥,供他控制水速。他注意到當水速慢時,染色的水層在流經玻璃管時會保持它的形狀,而在水速快時,染色的水層會被打散,擴散入其他的水中,這就是現在所知的層(穩)流和紊(亂)流之間的轉換點。

根據那些實驗,雷諾發現,只要考慮相關的物理性質,即液體的黏性,以及在雷諾實驗的情形,玻璃管的直徑,即可得到一個簡單可預測的數值。雷諾還精確地確立轉換點:當雷諾數大於 2000 時,流速會變成紊流。他在 1883 年 3 月 15 日送投到《倫敦皇家學會會報》(Proceedings of the Royal Society of London)的論文中有詳細的說明。(一篇 2011 年發表於《科學》的雜誌限定確切的轉換值為 2040 。)

雷諾數一直是用來研究紊流系統的標準數學架構,尤其是被航空工程師,以及研究從鯨魚(高雷諾數)以至細菌(低雷諾數)各種大小尺度的動物體內流體運動的生物學家。

他比較實用的研究興趣包括粒狀物質物理,特別是土壤力學:模擬河中水流和沉積物傳送的模型。雷諾於 1903 年出版的書《宇宙的替代力學》(The Sub-Mechanics of the Universe),試圖提出液態以太來說明宇宙。然而,以太的概念很快地被新物理所代替,一部分是因為 1887  年邁克生和莫立(Michelson-Morley)所做的實驗,證明以太並不存在。

1905 年,雷諾退休了,雖然他才 60 歲,還算年輕,但因他的健康與心智已漸走下坡。他於 1912 年 2 月 21 日過世,蘭姆(Lamb)回憶起他,說他極度的個人主義,對自我推銷毫無興趣,也不喜歡學術自負。還說他有點含蓄,辯論時偶爾好辯且固執,但還是一位非常仁慈,親切的同伴。

 

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