Людвиг Прандтль (4 февраля 1875 – 15 августа 1953) [1] был немецким гидродинамиком , физиком и учёным в области аэрокосмической промышленности. Он был пионером в разработке строгого систематического математического анализа, который он использовал в качестве основы науки аэродинамики , которая стала основой прикладной науки авиационной техники . [2] В 1920-х годах он разработал математическую основу фундаментальных принципов дозвуковой аэродинамики, в частности; и вообще до околозвуковых скоростей включительно . Его исследования выявили теории пограничного слоя , тонких профилей и теории подъемной линии . Его именем названо число Прандтля . [3]
Прандтль родился во Фрайзинге , недалеко от Мюнхена , 4 февраля 1875 года. [3] Его мать страдала от продолжительной болезни, и в результате Людвиг проводил больше времени со своим отцом, профессором инженерного дела. Его отец также поощрял его наблюдать за природой и думать о своих наблюдениях.
Прандтль поступил в Высшую техническую школу Мюнхена в 1894 году и получил степень доктора философии. под руководством профессора Августа Фёппля за шесть лет. [4] Его диссертация была «О явлениях наклона, примере неустойчивого упругого равновесия» (1900), [3]
После университета Прандтль пошел работать на машиностроительную фабрику Аугсбург-Нюрнберг, чтобы усовершенствовать всасывающее устройство для удаления стружки в производственном процессе. Работая там, он обнаружил, что всасывающая трубка не работает, поскольку линии потока отделяются от стенок трубки, поэтому ожидаемого повышения давления в резко расширяющейся трубке так и не произошло. Это явление ранее было отмечено Даниэлем Бернулли в аналогичном гидравлическом случае. Прандтль вспоминал, что это открытие легло в основу его подхода к сопротивлению в слабовязких жидкостях на основе пограничного слоя . [5]
В 1901 Прандтль стал профессором механики жидкости в технической школе в Ганновере , позднее в Техническом университете Ганновера , а затем в Ганноверском университете . Именно здесь он разработал многие из своих важнейших теорий. [3] 8 августа 1904 года на Третьем Международном математическом конгрессе в Гейдельберге он представил новаторскую работу « Über Flüssigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung» ( «О движении жидкостей при очень малом трении ») . [6] [7] [8] В этой статье он описал пограничный слой и его важность для сопротивления [3] и обтекаемости . В статье также описывается отрыв потока из-за образования пограничного слоя, впервые четко объясняя концепцию срыва . Некоторые из его учеников предприняли попытки найти решения в замкнутой форме , но потерпели неудачу, и в конце концов приближение, содержащееся в его оригинальной статье, продолжает широко использоваться.
Эффект от статьи был настолько велик, что позже в том же году Прандтль сменил Ганса Лоренца на посту директора Института технической физики Геттингенского университета . В 1907 году, во время своего пребывания в Геттингене, Прандтлю было поручено создать новый центр для модельных исследований моторизованных дирижаблей под названием Motorluftschiffmodell-Veruchsanstalt (MVA), позже в 1919 году Aerodynamische Veruchsanstalt (AVA). [9] Центр был ориентирован на ветер. туннельные измерения моделей дирижаблей с целью получения форм с минимальным сопротивлением воздуха. Во время Первой мировой войны он использовался как крупный исследовательский центр, решавший множество задач, включая подъем и сопротивление аэродинамических профилей, аэродинамику бомб и кавитацию на лопастях винтов подводных лодок. [10] В 1925 году университет выделил его исследовательское подразделение и создал Институт исследований потоков кайзера Вильгельма (ныне Институт динамики и самоорганизации Макса Планка ). [11]
Из-за сложности идей Прандтля о пограничном слое в его статье 1904 года распространение этой концепции поначалу было медленным. Многие люди не смогли принять эту идею из-за непонимания. Открытия новых пограничных слоев были приостановлены до 1908 года, когда двое его студентов в Геттингене, Блазиус и Больце, не опубликовали свои диссертации о пограничном слое. Диссертация Блазиуса объяснила, что происходит с пограничным слоем, когда плоская пластина входит в параллельный контакт с однородным потоком. Исследование Больце было похоже на исследование Блазиуса, но теория Прандтля применялась к сферическим формам, а не к плоским объектам. Прандтль расширил идеи диссертаций своих студентов, включив в них тепловой пограничный слой, связанный с теплопередачей. [12]
К 1914 году будут опубликованы еще три статьи геттингенских исследователей о пограничном слое. По тем же причинам, что и в статье Прандтля 1904 года, эти первые семь статей о пограничном слое будут медленно распространяться за пределами Геттингена. Частично из-за Первой мировой войны статей, посвященных пограничному слою, не было опубликовано до тех пор, пока другой ученик Прандтля, Теодор фон Карман, не опубликовал в 1921 году статью об интегральном уравнении импульса в пограничном слое. [12]
Следуя более ранним указаниям Фредерика Ланчестера в 1902–1907 годах, Прандтль работал с Альбертом Бетцем и Максом Мунк над проблемой полезного математического инструмента для изучения подъемной силы крыльев «реального мира». Результаты были опубликованы в 1918–1919 годах и известны как теория крыла Ланчестера-Прандтля . Он также внес определенные дополнения в изучение изогнутых профилей, например, на самолетах времен Первой мировой войны, и опубликовал упрощенную теорию тонкого профиля для этих конструкций. Эта работа привела к осознанию того, что на любом крыле конечной длины эффект законцовки крыла становится очень важным для общих характеристик и характеристик крыла. Значительная работа была посвящена природе индуцированного сопротивления и вихрей на законцовках крыла [3] , которые ранее игнорировались. Прандтль показал, что эллиптическое распределение подъемной силы по размаху наиболее эффективно, обеспечивая минимальное индуцированное сопротивление для данного пролета. Эти инструменты позволили авиаконструкторам провести содержательные теоретические исследования своих самолетов еще до их постройки.
Позже Прандтль расширил свою теорию, чтобы описать колоколообразное распределение подъемной силы, уменьшая нагрузки возле законцовок крыльев за счет размывания законцовок крыла до тех пор, пока не будет получен отрицательный поток вниз , что дает минимальное индуцированное сопротивление для любого заданного веса конструкции крыла. [13] Однако это новое распределение подъемной силы вызвало меньший интерес, чем эллиптическое распределение, и первоначально игнорировалось в большинстве практических конструкций самолетов. Эта концепция была вновь открыта другими исследователями и приобретала все большее значение [14] [15] (см. также экспериментальный самолет Прандтль-Д ).
Прандтль и его ученик Теодор Мейер разработали первые теории сверхзвуковых ударных волн и потока в 1908 году. Вентиляторы расширения Прандтля-Мейера позволили построить сверхзвуковые аэродинамические трубы . У него было мало времени для дальнейшей работы над проблемой до 1920-х годов, когда он работал с Адольфом Буземаном и в 1929 году создал метод проектирования сверхзвукового сопла. Сегодня все сверхзвуковые аэродинамические трубы и сопла ракет проектируются с использованием одного и того же метода. Полное развитие сверхзвука пришлось бы дождаться работ Теодора фон Кармана , ученика Прандтля в Геттингене.
Прандтль разработал понятие «циркуляции», оказавшееся особенно важным для гидродинамики судовых гребных винтов. Большую часть экспериментальной работы он провёл в своей лаборатории в Геттингене в 1910–1918 годах вместе со своим помощником Альбертом Бетцем и студентом Максом Мунк. Большинство его открытий, связанных с кровообращением, будут храниться в секрете от западного мира до окончания Первой мировой войны. [16]
До Первой мировой войны Общество немецких естествоиспытателей и врачей (GDNÄ) было единственной возможностью для прикладных математиков, физиков и инженеров в немецкоязычных странах вести дискуссии. [9] В 1920 году они встретились в Бад-Наухайме и пришли к выводу, что существует необходимость в новом зонтике для прикладных наук из-за их опыта во время войны. [9] В том же году физики, главным образом из промышленных лабораторий, сформировали новое общество, названное Немецким физическим обществом (DGTP). [9] В сентябре 1921 года оба общества провели встречу с Немецким математическим обществом (DMV) в Йене . В своем первом томе ZAMM (Журнал прикладной математики и механики) заявил, что эта встреча «впервые прикладная математика и механика в большей степени вступили в свои права» [17] . Этот журнал рекламировал общие цели Прандтля, Теодор фон Карман , Рихард фон Мизес и Ганс Рейсснер . [9]
Помимо фонда ЗАММ, благодаря совместным усилиям Прандтля и его коллег была создана GAMM (Международная ассоциация прикладной математики и механики). [9] После этих первых встреч GAMM стало ясно, что теперь существует новое международное сообщество математиков, «научных инженеров» и физиков. [9]
В другой работе изучалась проблема сжимаемости на высоких дозвуковых скоростях, известная как поправка Прандтля-Глауэрта . Это стало очень полезным во время Второй мировой войны, когда самолеты впервые начали приближаться к сверхзвуковой скорости. Он также занимался метеорологией , пластичностью и строительной механикой . Он также внес значительный вклад в область трибологии . [18]
После исследования Прандтлем нестабильностей 1921–1929 годов он перешел к исследованию развитой турбулентности. [19] Это также исследовал Карман, что привело к гонке за формулированием решения для профиля скорости в условиях развитой турбулентности. [19] Что касается профессионального соперничества, которое началось между ними, Карман прокомментировал: «Я понял, что с тех пор, как я приехал в Аахен, мы с моим старым профессором находились в своего рода мировом соревновании. Конкуренция, конечно, была джентльменской. Но тем не менее это было первоклассное соперничество, своего рода Олимпийские игры, между Прандтлем и мной, а затем между Геттингеном и Аахеном. «Игровым полем» стал Конгресс прикладной механики. Нашим «шаром» был поиск универсального закона турбулентности». [20] Примерно в 1930 году гонка закончилась вничью, поскольку оба мужчины пришли к выводу, что обратный квадрат кожного трения связан с логарифмическим значением произведения числа Рейнольдса и кожного трения, как показано ниже, где k и C - константы.
Работа Прандтля и фон Кармана о границе оказала большое влияние и была принята экспертами по аэродинамике и гидродинамике во всем мире после Первой мировой войны. В мае 1932 года в Гамбурге состоялась Международная конференция по гидромеханическим проблемам судового движения . Гюнтер Кемпф продемонстрировал на конференции ряд экспериментов, которые подтвердили многие теоретические открытия фон Кармана и Прандтля. [21]
После прихода Гитлера к власти и создания Третьего рейха Прандтль продолжил свою деятельность в качестве директора Общества кайзера Вильгельма . В этот период нацистское министерство авиации, возглавляемое Германом Герингом , часто использовало международную репутацию Прандтля как учёного для продвижения научной программы Германии. Прандтль, похоже, с радостью служил послом нацистского режима, написав в 1937 году представителю NACA : «Я считаю, что фашизм в Италии и национал-социализм в Германии представляют собой очень хорошее начало нового мышления и экономики». Поддержка режима Прандтлем очевидна в его письмах Г.И. Тейлору и его жене в 1938 и 1939 годах. Говоря об обращении нацистской Германии с евреями, Прандтль писал: «Борьба, которую, к сожалению, Германии пришлось вести против евреев, была необходима для ее самой - сохранение». Прандтль также утверждал, что «если будет война, вина за то, что она была вызвана политическими мерами, на этот раз однозначно лежит на стороне Англии». [22]
Будучи членом Немецкого физического общества (DPG) , Прандтль помогал Карлу Рамзауэру в составлении петиции DPG в 1941 году. Петиция DPG была опубликована в 1942 году и утверждала, что физика в Германии отстает от физики Соединенных Штатов из-за отказа от «Еврейская физика» ( теория относительности и квантовая теория ) от немецких физиков. После публикации петиции DPG вера в превосходство «немецкой физики» ухудшилась, и немецкие учащиеся могли изучать эти новые области в школе. [21]
Прандтль работал в Геттингене до своей смерти 15 августа 1953 года. Его работы в области гидродинамики до сих пор используются во многих областях аэродинамики и химического машиностроения . Его часто называют отцом современной аэродинамики.
В его честь назван кратер Прандтль на обратной стороне Луны .
Кольцо Людвига -Прандтля вручается Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt в его честь за выдающийся вклад в области аэрокосмической техники.
В 1992 году Прандтль был занесен в Международный зал славы авиации и космонавтики в Музее авиации и космонавтики Сан-Диего . [23]
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )Прандтль
