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物理學(xué)家江仁壽在中國近代流體力學(xué)領(lǐng)域的貢獻
力學(xué)園地
2016年01月03日物理學(xué)家江仁壽在中國近代流體力學(xué)領(lǐng)域的貢獻* 白秀英？1），白欣？ ？（渭南師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院，714099 陜西 ） ？ (首都師范大學(xué) 物理系科技史研究室，100048 北京 ) 中圖分類號：N09
江仁壽（1906-1988）是中國物理學(xué)家、教育家。他1906年1月15日出生于安徽省歙縣森村鄉(xiāng)，是“阜徑隱里不必談起，身上無衣床上無被，袋里無錢缸里沒米”的阜徑人[1]。1924年，江仁壽考入上海大同大學(xué)物理系，在導(dǎo)師嚴濟慈（1900-1996 ）的推薦下，留學(xué)于英國倫敦大學(xué)理學(xué)院，師從葡萄牙裔實驗物理學(xué)家安德雷德(Andrade E .N. da. C，1887-1971)進行流體力學(xué)黏滯性的實驗研究。1936年，江仁壽以《液態(tài)金屬鈉和鉀的粘度》( Viscosity of Liquid Sodium and Potassium)獲得博士學(xué)位后歸國，分別在武漢大學(xué)、中山大學(xué)、暨南大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和西北大學(xué)任教，從教60個春秋，為學(xué)生講授《理論力學(xué)》《物性學(xué)》《熱學(xué)》及《熱力學(xué)》等課程，在艱難的教學(xué)環(huán)境中帶領(lǐng)學(xué)生從事粘滯性及液體表面張力研究[2]。1988年，江仁壽病逝于西安市，享年82歲。迄今為止，關(guān)于江仁壽的研究文獻寥寥可數(shù)[3,4]。本文在大量原始文獻的基礎(chǔ)上，就江仁壽在流體力學(xué)粘滯性及表面張力等方面進行研究，以期起到拋磚引玉的作用，引起更多學(xué)者對江仁壽流體力學(xué)貢獻的關(guān)注與研究。
1 液態(tài)金屬粘滯性測定的歷史回顧 粘滯性是表征液態(tài)金屬中原子間力和動量傳遞即原子輸運性質(zhì)的重要物理量，是液態(tài)金屬流體力學(xué)的基本特征，是反應(yīng)金屬熔體的重要物性參數(shù)之一和研究金屬液態(tài)特性的重要途徑。研究液態(tài)金屬粘滯性不僅能夠揭示液態(tài)金屬粘滯性的物理機制，而且對材料制備具有重要的實際意義。因此，國內(nèi)外諸多學(xué)者曾致力于這一課題的研究。 歷史上，金屬液體粘滯性的測量方法分為流動法和衰減法[5]。最早采用的是毛細測量法即流動法。此法僅適用于1127 ～1227 以下的金屬熔點，而且對金屬純度要求很高,實驗時極易由于堵塞毛細管造而成測量結(jié)果的失誤。 1860年，德國物理學(xué)家亥姆霍茲（h.helmholtz,1821-1894）和俄國的皮奧特羅夫斯基（C.G.Piotrowski，1876-1929）運用衰減法設(shè)計了雙線懸掛旋球測定液體黏度，適合于測量大溫度范圍的黏度，因為實驗時保持恒溫，故容易讀數(shù)，使液體粘滯性的測量有了歷史性的轉(zhuǎn)變[6]。但這種方法計算很復(fù)雜，又常導(dǎo)致一些錯誤的結(jié)論，依舊存在誤差大、精度不高等缺點。 1890年，庫埃特發(fā)明了同心圓柱式粘度測量裝置。這種方法是將待測液體充滿在兩圓柱之間，外筒勻速轉(zhuǎn)動時，液體將使內(nèi)筒的懸掛細線扭轉(zhuǎn)，通過測定扭矩即可計算出液體粘度。但是，這種方法測量時，會由于液體剪切層的流動不穩(wěn)定引起內(nèi)筒所受力矩隨轉(zhuǎn)速而非線性變化，因為未得到廣泛使用。 1907年，拉登布格爾的沉球式粘度實驗克服了斯托克斯實驗遇到的困難，但測量方法對液體是否做穩(wěn)定的流動等條件和狀態(tài)過高。當(dāng)時，所有這些測量方法都因金屬具有較高的熔化溫度而在粘度測量中遇到了相當(dāng)大的困難，測試精度也不理想，因而成為流體力學(xué)重點解決的難題。 2 江仁壽關(guān)于液態(tài)金屬粘滯性的實驗設(shè)計與實驗測量 2.1慣性棒雙線懸掛球?qū)嶒炘O(shè)計 1910年，安德雷德開始流體力學(xué)粘滯性的研究，他的《金屬的粘滯性流動及有關(guān)現(xiàn)象》（On the Viscous Flow in Metals,and Allied Phenomena）一文發(fā)表在皇家學(xué)會會刊上，江仁壽正是在這一時期跟隨導(dǎo)師從事液體粘滯性的測定與實驗研究。當(dāng)時的實驗室很是簡陋，測定液體粘滯性裝置只有一個球形玻璃瓶，裝水后懸掛作旋轉(zhuǎn)振動，觀察周期和衰減來計算粘滯系數(shù)。江仁壽每天泡在實驗室里，熟悉實驗儀器、實驗過程及影響實驗因素的分析，他利用一個多學(xué)期的時間，對測定液體粘滯系數(shù)的理論和實驗有了自己的見解。江仁壽通過研究發(fā)現(xiàn)：電磁法起動后，實驗儀器轉(zhuǎn)動會帶動其他裝置擺動從而影響測量的精確度.而如果改進裝置就可使外部阻尼減小到忽略不計，進而數(shù)據(jù)的精度會大幅度提高。于是，他設(shè)計完成了一套帶有慣性棒的雙線懸掛球球形容器 （圖1）[7]。 慣性棒雙線懸掛球形容器是在容器內(nèi)裝上待測液體，以共振幅衰減來計算液體的粘滯度。慣性棒的作用是避免容器發(fā)生任何擺動，使容器只有純轉(zhuǎn)動。同時，他還發(fā)現(xiàn)了精確的機械起動法，用照相記錄容器扭振幅度的方法，從而利用共振振幅衰減來計算液體的粘滯性，較大地提高了測量液體粘滯性的精確度。與傳統(tǒng)的毛細管法相比較，就可實驗不僅操作簡單，而且具有適用于高溫、高壓環(huán)境的優(yōu)點，又無需考慮毛細管法所必需作的各種修正，測量誤差約在理論值的0．5%以內(nèi)。 2.2 液態(tài)鈉、鉀及鈉鉀合金粘滯性的實驗測量 江仁壽首先試測了不同溫度的水的粘滯性（表1），證明了經(jīng)他改進的旋球法具有很高精度和優(yōu)點,實驗數(shù)值得到了國際公認[8]。
表1 不同溫度下水的粘滯性測定及誤差[8]
(C 是常量, 是原子或分子量， 是特征頻率) 他把金屬液體表面層看作二度固體，假定表面分子以 做二維簡諧振動，應(yīng)用熱力學(xué)關(guān)系，從能量觀點得出液體在熔點時的表面張力公式，計算出40余種元素在熔點的表面張力，通過分析金屬液體表面張力的數(shù)值，列出了表面張力特別大的金屬（表2）[12]。由于當(dāng)時關(guān)于金屬液體的表面張力缺乏實驗參考數(shù)據(jù)，僅有的數(shù)值也不十分精密可靠，精密、系統(tǒng)地測定金屬液體的表面張力是一項急迫的工作，江仁壽有關(guān)液體表面張力的實驗結(jié)果對剛剛興起的半導(dǎo)體材料提供了重要的理論基礎(chǔ)。
Physicists Jiang Ren-shou contribution in the field of Chinese modern fluid mechanics Bai Xiu-ying1？， Bai Xin？ ？（Department of Physics,Weinan Normal University, Weinan 714099, China） ？（History of Science and Technology Laboratory, Capital Normal University, Beijing 100089, China) Abstract: Physicist Jiang Renshou started researching on viscosity from 30 years of the nineteenth Century. He improved on the double rotating ball method , used the inertia bar bifilar of suspension ball experiment device, measured the water, liquid sodium, potassium and sodium potassium alloy viscosity ,and analysised the factors influencing the accuracy of viscosity measurement, measurement data was recognized international scholars and used for a long period of time; Through theoretical derivation and experimental completed on the surface tension of liquid metal in the melting point, determination results provided a theoretical basis for the rise of semiconductor materials, contributed to the development of modern fluid mechanics China. Keywords: Fluid mechanics; viscosity; Jiang Ren-shou 聯(lián)系電話：白秀英：15091160516 謝謝您！ 聯(lián)系地址： 714099 渭南市朝陽大街西段 渭南師范學(xué)院物理系 白秀英收 E-mail: 576838908@qq.com