航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(三)

—— 航空航天科学家系列之冯•卡门
作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-03-21

我们之所以羡慕天才,是因为他们不用花很大的力气就能完成一件事其他人做不到的事情,冯·卡门就是酱紫的人。

  文接《航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(二)》

6、“有幸附上敝人名字的理论”

  二十世纪初,飞行理论的研究方兴未艾,普朗特领导的研究团队主要致力于研究飞行理论中的涡流问题,冯·卡门也对这一问题很好奇。

波音777的尾部涡流

  一次,普朗特让一名学生测量稳定水流中圆柱表面各点的压力,可无论如何,水流总会不停波动,测量的压力难以稳定。学生犯了难,向普朗特求助。普朗特回答得简单干脆:“应该是你用的圆棒太粗糙了吧!”

普朗特和他的流体实验装置

普朗特和他的流体实验装置(网络图)

  学生回到实验室后充分发扬了德国人的严谨劲儿,天天磨试棒。可当他小心翼翼地把滚圆的试棒放入水槽后,却发现水流依旧波动不止。一个吃瓜群众说:“是不是水槽不够对称?”于是,这位学生又开始天天磨水槽。冯·卡门看他每天都忙活得满头大汗,便问咋回事,学生摇摇头:“还是老样子,水一直波动啊!”

  冯·卡门有些憋不住了:奇怪,难道水流的波动是必然的?回到办公室,他立即尝试采用数学方法解释这一现象。水流过圆柱后会一分为二,形成两股涡流,这两股涡流有没有可能完全对称呢?冯·卡门很快根据水流运动的数学方程否定了这种可能性。他于是又假设两股涡流是相间排列的,一番计算之后,竟然行得通!也就是说,水在流过圆柱体后,必然会产生两列相互平行、自转方向相反的漩涡,而且是相间排列的,就像街道两边的路灯一样排列着向前流动。

卡门涡街示意图(上)及卫星拍摄的小岛后的卡门涡街(下)

卡门涡街示意图(上)及卫星拍摄的小岛后的卡门涡街(下)(网络图)

  困扰那位学生很久的难题,冯·卡门居然一个周末就搞定了,连他自己都有些惊讶。他兴冲冲地将自己的新发现告诉了普朗特,普朗特毕竟是见过大风浪的前辈,对冯·卡门的重大发现表现得很淡定,他平静地说:“好的,那就整理出来发表吧。”

  1911年,冯·卡门的大作发表了,文章中的涡流理论后来被人们称为“卡门涡街”,他也因此成为国际著名的空气动力学家。

  “卡门涡街”有啥用呢?简单说,它是飞机、船舶、赛车设计的重要理论基础,可以帮助人们知道如何采用流线型来最大限度地减少型面阻力。1940年发生的塔科马海峡大桥坍塌事件中,“卡门涡街”也扮演了重要角色(详情戳这里哦:塔科马大桥坍塌,引发诞生)。

匈牙利1992年发行的冯•卡门纪念邮票,背景图案即是卡门涡街

匈牙利1992年发行的冯卡门纪念邮票,背景图案即是卡门涡街(网络图)

  冯·卡门非常崇敬法国科学家庞加莱,后来他每每讲到“卡门涡街”时,总要引用庞加莱上课时常说的一句话:“有幸附上敝人名字的这一理论……”

7、编外讲师终于成了著名教授

  冯·卡门只用了一个周末就收获了“卡门涡街”这条大鱼,高兴肯定是难免的。当时他的兴趣相当广泛,除了研究流体运动外,还探索原子的奥秘。不过,虽然冯·卡门对固体结构和原子结构都提出了正确的假设,但他总是慢半拍,自己刚写好文章,别人却已经发表了,因此从未钓到过那只叫“首创权”的大鱼。冯·卡门有些无奈:好吧,我还是专心搞流体力学吧。

  可是到了1912年,已经做了四年编外讲师的冯·卡门还是等不来正式任命的通知,哪还有心搞流体力学?慈母说:“孩子回家吧,家乡一样有工作。”严父道:“不不不,西奥多,你还是要待在哥廷根,在那里才有前途。”冯·卡门左右为难之际,一个朋友告诉他匈牙利的一个矿业学院需要应用力学教授,冯·卡门一听到“教授”二字,立马就收拾行李回国上任了。

冯•卡门的父母

卡门的父母(加州理工学院官网)

  然而,矿业学院实验设备稀缺,根本满足不了冯·卡门做研究的需要。没多久,冯·卡门就失望地回到了哥廷根。克莱因十分欣赏冯·卡门,对他的遭遇很同情,后来在克莱因的帮助下,31岁的冯·卡门终于在德国当上了教授,只不过不是哥廷根大学,而是亚琛工学院。

亚琛工学院(现亚琛工业大学)一隅

亚琛工学院(现亚琛工业大学)一隅(网络图)

  冯·卡门如愿当上了航空学教授,而且还是在亚琛工学院这样的名校,他准备要大干一番。无奈一战爆发,他被匈牙利召回,在炮兵部队一待就是四年。幸运的是,由于冯·卡门熟悉航空学,入伍不久,上级就让他从事军需和技术方面的工作。四年间,冯·卡门一刻也没停止钻研,他研究弹道学、设计大炮、建设风洞、研制直升机,每天都忙得不亦乐乎。战争和政治上的混乱,让冯·卡门更加深刻体会到:只有科学才是永恒,才是真爱啊!战后不久他便回到了朝思暮想的亚琛。

身穿匈牙利军装的冯•卡门

身穿匈牙利军装的冯卡门(加州理工学院官网)

  亚琛工学院常常会组织精彩的学术活动,冯·卡门几乎全都参加,如今在力学界最著名的世界性大会——国际理论和应用力学大会(早期名为国际力学会议),便是他在这一时期发起的。这一时期,他还担任了亚琛空气动力研究所所长,并首次阐释了“湍流”的概念及理论基础。不过,要说冯·卡门最热爱的学术活动,则是给学生上课了。

冯•卡门(右三)在亚琛的合影

冯•卡门(右三)在亚琛的合影(网络图)

  当时德国的教授大多比较威严,和学生很疏远,可冯·卡门不同,他父亲是个非常喜欢和学生接触的教育家,他也深受影响,经常和学生们打成一片。冯·卡门虽已是公认的大科学家,却从不摆架子,他总是穿着沾着粉笔灰的背心和满是褶皱的裤子穿梭在学生间,学生也很喜欢他风趣的语言和透彻的讲解,乐于和这位平易近人的青年教授交谈。除了课堂和茶话会,冯·卡门更喜欢在酒馆和学生们谈天说地,他们一边畅饮一边畅谈科学、家庭、恋爱和个人前途,气氛平等而活跃。

亚琛工学院课堂上的冯•卡门

亚琛工学院课堂上的冯卡门(亚琛工业大学官网)

  在科研和教学以外,冯·卡门还是个赚钱高手,帮企业做顾问让他收入颇丰。一天,一位工厂主的机器一开动就强烈振动,眼看着机器可能会损坏,他便向冯·卡门求助,冯·卡门到工厂检查了几分钟后就对工厂主说:“小事一桩,你把齿轮旋转90度就好了。”工厂主照做后,机器果真不再振动,开心的他在看到冯·卡门开出的账单后却傻眼了,生气地说:“你就说了一句话,怎么要这么多钱!”冯·卡门倒也干脆:“你把齿轮转回去,我就撕掉账单。”工厂主顿时无言以对。

冯•卡门乘飞机

卡门乘飞机(网络图)

  1929年的冬天,对德国的犹太人而言显得格外寒冷,纳粹日益猖獗的排犹活动,让在亚琛工学院搞了16年航空研究的犹太人冯·卡门也感受到了影响。冯·卡门决定带着家人前往美国,他最辉煌的时代即将开始了!

  冯•卡门是如何帮助中国发展航空事业的?他的晚年又有哪些趣事呢?敬请关注《航空航天领域的“带头大哥”是怎样炼成的(四)》

  参考资料:

  [1] 冯·卡门,·爱特生. ·卡门——航空与航天时代的科学奇才[M]. 曹开成,. 上海:上海科学技术出版社,1991.

  [2] 赵国英,朱保如. 乘风扶摇——冯·卡门传略[J]. 自然辩证法通讯,1980(3):61-70.

  [3] W.R. Sears. Some recollections of Theodore von Kármán [J]. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics, 1965,13(1):175-183.

  [4] S. Goldstein. Theodore von Kármán 1881-1963 [J]. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, 1966(12):334-365.

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