流體力學的物理學導論

引用

Smits, A. J. (2000). A Physical Introduction to Fluid Mechanics. Wiley.

章節概要

全書約530頁。目錄列出了從“流體靜力學”到“歷史註記”的十四個條目，其後是附錄、部分習題答案和索引。出版社把本書描述為一部將理論與分析同工程實踐中的實際例子聯絡起來的入門書：既有說明基本原理的簡單例子，也有代表工程應用的較複雜例子。各章的順序由靜止流體出發，經過運動學與運動定律，再到具體的流動型別和應用。

流體靜力學

目錄從靜止流體的處理開始。本書開頭還有一個標為“流體的性質（The Nature of Fluids）”的部分，始於第3頁。

流體運動導論 I；流體運動導論 II

連續兩章引入流體的運動。支配方程將在隨後的章節中寫出。

積分形式的運動方程；運動的微分方程

運動方程被展開兩次：先是積分形式，然後是微分方程。積分形式涉及一塊有限的流體區域，微分形式則涉及流動中的每一點。

不可壓縮無旋流動

這一章討論密度恆定且流體無旋的流動，緊接在運動微分方程之後。

量綱分析

專門講量綱分析的一章。出版社把量綱推理和對結果的解釋列為本書的主要特點之一。

黏性內流；黏性外流

兩章討論黏性起重要作用的流動：先是管道和導管內部的流動，然後是繞物體的流動。

明渠流動；可壓縮流動；渦輪機械

接下來是三個面向應用的章節：渠道中的自由表面流動、密度變化起重要作用的流動，以及向流體新增或從流體中提取能量的機械。

環境流體力學

出版社說，書中包含對環境工程的介紹，以激發讀者的興趣。

歷史註記

出版社指出，歷史性的引述貫穿各章，最後一章彙集了這一學科的歷史註記。

附錄與答案

書末有附錄、部分習題的答案和索引。

核心概念

基本定律

• 流體靜力學：靜止流體中的力的平衡。
• 守恆律的積分形式與微分形式：書寫同一物理的兩種互補方式，一種針對有限區域，另一種針對每一點。

特殊的流動型別

• 無旋流動：沒有區域性旋轉的流動，本書對不可壓縮流體單獨處理。
• 量綱分析與無量綱數：雷諾數、弗勞德數和馬赫數都是正文中反覆出現的無量綱數。
• 黏性內流與外流：管道和導管中的摩擦，以及物體所受的阻力。

應用

• 明渠流動與可壓縮流動：具有自由表面的流動，以及密度變化顯著的流動。
• 渦輪機械：泵及類似的裝置。
• 環境流體力學：應用於自然與人工環境中流動的流體力學。

評析

優點

• 物理概念優先。 出版社把突出基本物理概念而不是數學方程列為主要特點之一。
• 強調推理。 書中強調量綱推理和對結果的解釋，出版社說，例題教人何時使用近似，以及這些近似何時失效。
• 例子範圍廣。 說明原理的簡單例子與來自工程實踐的較複雜例子相結合，讀者可以看到這些思想如何被運用。
• 循序漸進。 目錄由靜力學和運動學出發，進入運動方程的積分形式和微分形式，再到特殊流動，最後是應用。

局限

• 偏工程。 出版社把本書呈現為與工程相關、著眼於現實應用的書。想要純理論或數學化連續介質力學處理的讀者，會發現重點在別處。
• 沒有關於湍流或數值方法的獨立章節。 章節目錄裡既沒有湍流的章節，也沒有計算流體力學的章節，因此需要這兩方面內容的讀者要另找資料。
• 書中只有部分習題答案。 目錄只列出部分習題的答案；本書另有單獨的解答冊。
• 出版年代。 本書出版於1999–2000年。

在課程中的定位

在這門力學課程的書單中，Smits 的書是唯一講連續介質力學而不是質點和剛體力學的書。Taylor 的 Classical Mechanics 以介紹連續介質力學的一章收尾，想在流體方面更進一步，就讀 Smits。以動量原理為基礎的一年級教材 Matter and Interactions，以及通向拉格朗日與哈密頓形式的簡明途徑 Susskind 與 Hrabovsky 的 The Theoretical Minimum，應先於它或與它並行閱讀；Morin 的 Introduction to Classical Mechanics 是一部習題豐富、講質點與剛體力學的本科教材；Goldstein、Poole 與 Safko 的 Classical Mechanics 是對拉格朗日與哈密頓形式的研究生層次處理。Smits 並不延續那條路線，而是把牛頓力學的守恆律應用到另一類系統上。

如何使用本書

適合在學過第一門力學和微積分之後閱讀；掌握向量微積分會使積分形式與微分形式的運動處理更容易。初次接觸流體的物理與工程專業學生是它的天然讀者。

實用的閱讀安排如下：

• 核心： 從“流體靜力學”到“黏性外流”，按順序閱讀。要認真對待積分形式與微分形式運動方程這一對，以及出版社所強調的“量綱分析”。
• 選讀： “明渠流動”“可壓縮流動”和“渦輪機械”可以根據興趣或課程重點（土木、航空航天、機械）選擇。
• 瀏覽： “環境流體力學”和“歷史註記”可以在任何時候閱讀，用來把這門學科置於背景之中。

做每章末尾的習題，並與部分答案核對；正如出版社強調的物理洞察所暗示的，在寫方程之前先畫出流動並估算數量級。