01 / 导读
导读
引用
Smits, A. J. (2000). A Physical Introduction to Fluid Mechanics. Wiley.
章节概要
全书约530页。目录列出了从“流体静力学”到“历史注记”的十四个条目，其后是附录、部分习题答案和索引。出版社把本书描述为一部将理论与分析同工程实践中的实际例子联系起来的入门书：既有说明基本原理的简单例子，也有代表工程应用的较复杂例子。各章的顺序由静止流体出发，经过运动学与运动定律，再到具体的流动类型和应用。
流体静力学
目录从静止流体的处理开始。本书开头还有一个标为“流体的性质（The Nature of Fluids）”的部分，始于第3页。
流体运动导论 I；流体运动导论 II
连续两章引入流体的运动。支配方程将在随后的章节中写出。
积分形式的运动方程；运动的微分方程
运动方程被展开两次：先是积分形式，然后是微分方程。积分形式涉及一块有限的流体区域，微分形式则涉及流动中的每一点。
不可压缩无旋流动
这一章讨论密度恒定且流体无旋的流动，紧接在运动微分方程之后。
量纲分析
专门讲量纲分析的一章。出版社把量纲推理和对结果的解释列为本书的主要特点之一。
黏性内流；黏性外流
两章讨论黏性起重要作用的流动：先是管道和导管内部的流动，然后是绕物体的流动。
明渠流动；可压缩流动；涡轮机械
接下来是三个面向应用的章节：渠道中的自由表面流动、密度变化起重要作用的流动，以及向流体添加或从流体中提取能量的机械。
环境流体力学
出版社说，书中包含对环境工程的介绍，以激发读者的兴趣。
历史注记
出版社指出，历史性的引述贯穿各章，最后一章汇集了这一学科的历史注记。
附录与答案
书末有附录、部分习题的答案和索引。
核心概念
基本定律
- 流体静力学：静止流体中的力的平衡。
- 守恒律的积分形式与微分形式：书写同一物理的两种互补方式，一种针对有限区域，另一种针对每一点。
特殊的流动类型
- 无旋流动：没有局部旋转的流动，本书对不可压缩流体单独处理。
- 量纲分析与无量纲数：雷诺数、弗劳德数和马赫数都是正文中反复出现的无量纲数。
- 黏性内流与外流：管道和导管中的摩擦，以及物体所受的阻力。
应用
- 明渠流动与可压缩流动：具有自由表面的流动，以及密度变化显著的流动。
- 涡轮机械：泵及类似的装置。
- 环境流体力学：应用于自然与人工环境中流动的流体力学。
评析
优点
- 物理概念优先。 出版社把突出基本物理概念而不是数学方程列为主要特点之一。
- 强调推理。 书中强调量纲推理和对结果的解释，出版社说，例题教人何时使用近似，以及这些近似何时失效。
- 例子范围广。 说明原理的简单例子与来自工程实践的较复杂例子相结合，读者可以看到这些思想如何被运用。
- 循序渐进。 目录由静力学和运动学出发，进入运动方程的积分形式和微分形式，再到特殊流动，最后是应用。
局限
- 偏工程。 出版社把本书呈现为与工程相关、着眼于现实应用的书。想要纯理论或数学化连续介质力学处理的读者，会发现重点在别处。
- 没有关于湍流或数值方法的独立章节。 章节目录里既没有湍流的章节，也没有计算流体力学的章节，因此需要这两方面内容的读者要另找资料。
- 书中只有部分习题答案。 目录只列出部分习题的答案；本书另有单独的解答册。
- 出版年代。 本书出版于1999–2000年。
在课程中的定位
在这门力学课程的书单中，Smits 的书是唯一讲连续介质力学而不是质点和刚体力学的书。Taylor 的 Classical Mechanics 以介绍连续介质力学的一章收尾，想在流体方面更进一步，就读 Smits。以动量原理为基础的一年级教材 Matter and Interactions，以及通向拉格朗日与哈密顿形式的简明途径 Susskind 与 Hrabovsky 的 The Theoretical Minimum，应先于它或与它并行阅读；Morin 的 Introduction to Classical Mechanics 是一部习题丰富、讲质点与刚体力学的本科教材；Goldstein、Poole 与 Safko 的 Classical Mechanics 是对拉格朗日与哈密顿形式的研究生层次处理。Smits 并不延续那条路线，而是把牛顿力学的守恒律应用到另一类系统上。
如何使用本书
适合在学过第一门力学和微积分之后阅读；掌握矢量微积分会使积分形式与微分形式的运动处理更容易。初次接触流体的物理与工程专业学生是它的天然读者。
实用的阅读安排如下：
- 核心： 从“流体静力学”到“黏性外流”，按顺序阅读。要认真对待积分形式与微分形式运动方程这一对，以及出版社所强调的“量纲分析”。
- 选读： “明渠流动”“可压缩流动”和“涡轮机械”可以根据兴趣或课程重点（土木、航空航天、机械）选择。
- 浏览： “环境流体力学”和“历史注记”可以在任何时候阅读，用来把这门学科置于背景之中。
做每章末尾的习题，并与部分答案核对；正如出版社强调的物理洞察所暗示的，在写方程之前先画出流动并估算数量级。