具体描述
《超声流和激波》初版于1948年，这是1999年的第5次修订印刷版。一部著作历经半个多世纪仍然再版，毫无疑问这是一本经典图书。书中讨论了可压缩流体动力学的基本问题，建立了与气体动力学有关的非线性波传播理论。《超声流和激波》自出版以来一直是流体动力学方面的一部重要参考书，其中所涉及的问题至今仍是热门的研究课题。
《风起云涌：跨越声障的物理探索》 引言 宇宙并非静止不动，我们所感知的世界，从微观粒子的碰撞到宏观天体的运行，无不伴随着能量的传递与物质的运动。在这无尽的动态之中，两种截然不同的物理现象，以其独特而强大的影响力，深刻地塑造了我们对宇宙的理解：一是“风”，代表着物质在介质中的定向流动，它驱动着大气环流，塑造着地貌，影响着生命的存在；二是“声”，作为一种能量传播的形式，它在介质中激起波动，传递信息，在从自然的低语到人造的科技中扮演着至关重要的角色。 本书《风起云涌：跨越声障的物理探索》并非聚焦于某一种特定的流体动力学现象，也不是一本仅限于声学理论的书籍。相反，它致力于揭示“风”——广义上的流动现象，以及“声”——及其相关波动现象，在自然界和人类科技发展中所展现出的普遍联系、相互作用以及它们共同揭示的深刻物理原理。我们将跨越声速的界限，探索物质运动和能量传递的本质，展现一个充满活力与奥秘的物理世界。 第一部分：流动的奥秘——风的维度 “风”并非仅仅是空气的飘动，它包含了广泛意义上的介质流动，无论是液体的环流，气体的对流，还是等离子体的运动，都可归于此类。本部分将深入探讨流体动力学的基本概念，并将其应用到各种宏观和微观的流动现象中。 第一章：流体的基本性质与运动方程。 我们将从流体最基本的属性——粘度、密度、压力和温度——入手，理解它们如何影响流体的行为。随后，我们将引入纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）这一流体力学的基石，并从不同角度对其进行解读。我们不会陷入过于复杂的数学推导，而是侧重于其物理意义：它如何描述流体的动量守恒，如何体现内摩擦力、压力梯度和外力对流体运动的影响。我们将探讨其在不同尺度下的近似解，例如描述低雷诺数下粘滞流动的斯托克斯方程（Stokes equations），以及描述高雷诺数下无粘性流动的欧拉方程（Euler equations）。 第二章：层流与湍流：两种截然不同的流动模式。 流体的运动并非总是平滑有序。本章将详细区分层流（laminar flow）和湍流（turbulent flow）。层流如同平静的河流，介质各层之间平滑地滑动，运动具有高度的规则性。我们将讨论层流的特点、产生条件以及其在各种工程应用中的重要性，如管道输运。而湍流，则表现为复杂的、无规则的涡旋和混合。我们将探讨湍流的普遍性，它几乎存在于所有的自然流动和许多工程系统中，例如大气环流、河流的急流以及飞机周围的气流。我们将介绍表征流体是否处于湍流状态的关键参数——雷诺数（Reynolds number），并分析它在不同流动状态下的物理含义。本章还将触及湍流的统计学描述方法，以及其在能量耗散和混合过程中的关键作用。 第三章：边界层理论：与界面的悄然对话。 几乎所有的流动都发生在有限的空间内，并且与固体表面或界面发生相互作用。边界层（boundary layer）的概念应运而生，它描述了在固体表面附近，粘性效应显著的薄层区域。我们将深入理解边界层是如何形成的，以及它如何影响整体流场的性质。本章将重点介绍普朗特（Prandtl）的边界层理论，以及它如何将复杂的全流场问题简化为边界层内的粘性流动和边界层外的无粘性流动。我们将讨论附着边界层（attached boundary layer）和分离边界层（separated boundary layer），并分析边界层分离现象对于飞行器、船舶等工程设计所带来的挑战。 第四章：热对流与物质输运：驱动世界的能量之手。 温度和密度的差异是驱动许多自然现象的关键因素。本章将探讨热对流（convection），即流体由于温度不均而产生的流动。我们将区分自由对流（free convection，由浮力驱动）和强制对流（forced convection，由外部机械力驱动）。我们将分析热对流在地球大气和海洋环流中的核心作用，解释为何赤道地区炎热而两极寒冷，以及洋流如何调节全球气候。此外，我们还将讨论物质输运（mass transport）在对流过程中的体现，例如污染物在空气中的扩散，或营养物质在水体中的循环。 第五章：船舶航行与航空动力：流动中的力量。 流体动力学原理在交通工具的设计与运行中扮演着至关重要的角色。本章将从流体动力学的视角，审视船舶在水中的运动。我们将讨论船舶的形状如何影响其受到的阻力，介绍兴波阻力（wave-making resistance）和摩擦阻力（frictional resistance）等概念，并初步触及船体设计中的流体优化。随后，我们将转向航空领域，探讨飞机机翼如何利用伯努利原理（Bernoulli's principle）产生升力。我们将解释攻角（angle of attack）、翼型（airfoil）设计等关键因素如何影响升力和阻力，并简要介绍飞机发动机产生的推力如何克服空气阻力实现飞行。 第二部分：声波的律动——波动与信息的传递 “声”是介质中以波的形式传播的能量，它承载着信息，是沟通的桥梁，也是科学研究的有力工具。本部分将深入探讨声波的产生、传播、衰减以及其在不同领域的应用。 第六章：声波的基本原理：介质的扰动与能量的传递。 本章将从声波的本质入手，将其定义为介质中的一种纵波，即粒子振动方向与波传播方向一致。我们将解释声压（sound pressure）、声振速度（acoustic velocity）等基本声学量，并阐述它们与介质物理性质（如密度和体积弹性模量）之间的关系。我们将引入声波的波动方程（wave equation），并解释其如何描述声压和声振速度在空间和时间上的传播。我们将区分平面波、球面波等不同类型的声波，并讨论声强（sound intensity）和声功率（sound power）等衡量声能量的参数。 第七章：声速的奥秘与传播特性。 声速（speed of sound）并非一个恒定不变的数值，它取决于介质的性质，特别是温度、密度和弹性模量。我们将详细探讨声速在不同介质中的差异，例如空气、水和固体，并解释温度对空气中声速的影响。本章还将深入分析声波的传播特性，包括反射（reflection）、折射（refraction）和衍射（diffraction）。我们将讨论声波如何在障碍物周围传播，以及它们如何在不同介质界面发生能量损失或传递。 第八章：干涉与驻波：声波的叠加与共鸣。 当多列声波在同一介质中传播时，它们会发生叠加，产生干涉现象。本章将详细阐述相干声源（coherent sound sources）产生的相长干涉（constructive interference）和相消干涉（destructive interference），以及它们如何影响声场的分布。我们将重点讨论驻波（standing waves）的形成，即声波在特定边界条件下产生的稳定振动模式。驻波在乐器（如管乐器和弦乐器）的设计与发声原理中扮演着核心角色，我们将借此深入理解共鸣（resonance）现象，即系统在特定频率下产生最大振幅振动的特性。 第九章：声波的衰减与吸收：能量的消散。 声波在传播过程中会不可避免地发生衰减，其能量逐渐损失。本章将分析声波衰减的几种主要机制，包括粘性损耗、热传导损耗以及介质本身的吸收。我们将介绍描述声强随距离衰减的平方反比定律，以及更复杂的衰减模型。此外，我们还将讨论声波在材料中的吸收特性，以及如何利用吸声材料来控制声音的传播，这在建筑声学和噪声控制中具有实际意义。 第十章：超声波与次声波：超越人耳的界限。 人耳的听觉范围是有限的，但声波的频率远不止于此。本章将介绍人耳无法听到的高频声波——超声波（ultrasound），以及低频声波——次声波（infrasound）。我们将探讨超声波在医学诊断（如B超）、工业检测（如无损探伤）和海洋探测（如声呐）等领域的广泛应用，并解释其高频率带来的高分辨率和定向性。同时，我们也将简要介绍次声波的产生来源（如地震、火山爆发、大型机械运转），以及其在监测自然灾害和环境变化方面的潜力。 第三部分：交汇的边界——流体与声波的互动 “风”与“声”并非各自独立，它们之间存在着深刻而复杂的相互作用。本部分将聚焦于流体流动如何影响声波的传播，以及声波如何在流体中产生或被激发，从而揭示物理世界更深层次的联动机制。 第十一章：流体对声波传播的影响：多普勒效应与声波畸变。 当声源或观察者相对于流体介质运动时，或者声波在运动的介质中传播时，就会出现多普勒效应（Doppler effect）。本章将深入解释这一现象，以及它在天文学、雷达技术和医学成像中的应用。我们将分析流体速度如何改变接收到的声波频率，以及它如何影响声波的传播方向。此外，我们还将讨论当流体速度接近或超过声速时，声波传播的非线性效应以及可能出现的畸变。 第十二章：气动声学：流体运动产生的噪声。 许多我们日常生活中听到的声音，并非来源于有意的发声体，而是流体运动本身所产生的。本章将介绍气动声学（aerodynamic acoustics）这一研究领域，它专注于研究气流如何产生噪声。我们将分析飞机引擎、风扇、管道内的气流以及风吹过物体表面时所产生的噪声源。本章将触及流体湍流中的涡旋结构如何激发出声波，以及不同类型的气流噪声（如哨声、轰鸣声）的产生机理。 第十三章：声波在流体中的激发与传播：声场的形成。 反过来，声波也可以在流体中激发或影响流体运动。本章将探讨声波如何在流体中产生，例如通过振动的物体表面或燃烧过程。我们将分析声场（sound field）的形成，即声波在流体中的分布和传播。此外，我们还将初步了解声波的声辐射（acoustic radiation）特性，即物体在声波作用下如何产生振动并向外辐射声波。 第十四章：声振耦合与共振：能量的传递与放大。 声波与结构的振动之间存在着密切的耦合关系。当声波的频率与结构的固有频率相同时，就会发生声振共振，导致结构产生较大的振幅。本章将探讨声振耦合（acoustic-vibrational coupling）的原理，以及它在工程设计中的重要性。例如，在汽车、飞机和建筑物的结构设计中，需要避免与气动噪声或机械噪声发生共振，以防止结构的损坏或产生令人不适的噪音。 第十五章：前沿探索：流体与波动在现代科技中的应用。 本部分将展望流体动力学与声学在现代前沿科技中的应用。我们将提及一些正在快速发展的领域，例如：声镊（acoustic tweezers），利用声波精确操控微小粒子；超声波在材料加工和医学治疗中的新应用；以及计算流体动力学（CFD）与声学模拟在产品设计和性能优化中的重要作用。我们将看到，对“风”与“声”的深入理解，正不断驱动着科学技术的革新，并为我们解决未来的挑战提供关键的洞见。 结语 《风起云涌：跨越声障的物理探索》旨在打开一扇观察世界的窗户，让我们从流动的动态与声波的律动中，领略物理学的魅力。本书希望激发读者对自然现象的好奇心，培养严谨的科学思维，并认识到看似寻常的“风”与“声”背后所蕴含的深刻原理。通过跨越声速的界限，我们将看到，物质的流动与能量的传递，共同谱写着宇宙的壮丽篇章。
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