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 中科院力學(xué)所

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(yán)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。

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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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(rèn)[8]。

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表1 不同溫度下水的粘滯性測定及誤差[8]

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當(dāng)時,對液態(tài)金屬粘滯性的測量數(shù)據(jù)甚少，江仁壽基于對水粘滯性的測量，選擇原子結(jié)構(gòu)及晶體形狀簡單的鈉和鉀作為研究對象，測量單晶鈉和鉀金屬液體的粘滯性補充實驗比較數(shù)據(jù)。 為了不影響粘滯性的數(shù)據(jù)測定，他對實驗裝置進行改進（圖2）[9]，該裝置適用于在各種溫度下的真空測量粘滯度的方法，后來被廣泛的應(yīng)用于測定其他液態(tài)金屬。 實驗前，江仁壽首先對金屬在 真空下進行提純。實驗步驟如下：1.對盛金屬液體的玻璃球直徑進行校準(zhǔn)；2.在實驗中保持金屬箱中慣性棒恒定并測定其轉(zhuǎn)動慣量；3.測定液態(tài)鈉、鉀金屬的熱膨脹效應(yīng)。4.采用照相記錄法測定、計算盛金屬液體的球形容器振幅的對數(shù)衰減；5.以蒸氣套代替電爐作熱源，測定實驗時的溫度，根據(jù)黏度公式 計算粘滯系數(shù)。 實驗時江仁壽發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度接近熔點時，金屬的晶體結(jié)構(gòu)依舊保持不變，然而，粘滯性卻出現(xiàn)反常。他通過大量的實驗最后得到影響粘度測量準(zhǔn)確性的因素，結(jié)果測得：鈉和鉀在熔點時的粘度值分別為63mp和52mp（在CGS單位制中，粘度系數(shù)單位為泊，符號為p，在SI單位制中，粘度系數(shù)為帕斯卡秒，符號為 Pa.s），即0.0063 Pa.s 和0. 0052 Pa.s，而實驗值分別為0. 00695 Pa.s 和0.00537 Pa.s，實驗值與測量值誤差較小。通過實驗測定，證明了鈉、鉀即使在熔點處的實驗結(jié)果也較好地符合安德雷德的黏度公式，完成了《用旋球法測定流體的粘滯性》和《液態(tài)鈉和鉀的粘滯性》發(fā)表在英國皇家學(xué)會期刊上，國際上稱為“江氏”粘滯性數(shù)值。 1960年，江仁壽指導(dǎo)研究生平一梅、田陰棠采用慣性棒雙線懸掛球完成了0 ～300 的溫度范圍內(nèi)合金NaK的粘滯性測定[10]。NaK在常溫下一般呈液態(tài)，沸點高，比熱和導(dǎo)熱系數(shù)大，且吸收中子本領(lǐng)小，所以在反應(yīng)堆中是一種頗有前途的載熱劑。因此，液體NaK的粘滯性測定，一方面是工程技術(shù)所需要，另一方面又可為正在發(fā)展的液體理論提供必要的數(shù)據(jù)。江仁壽指導(dǎo)他們利用圖2實驗裝置，采用空球法對三種NaK（ 含量為49.55%，51%，74%）樣品的粘滯性進行了測定。實驗表明，這三種液體合金在所測的溫度范圍內(nèi)，相當(dāng)滿意地遵守安德蘭規(guī)律。 空球法是把空球裝滿液體懸掛起來，讓它在真空中做衰減振動，通過記錄空球的對數(shù)衰減確定液態(tài)的粘滯性在理論和計算上較復(fù)雜，但是對化學(xué)性質(zhì)活潑的鈉鉀合金而言，既便利又可靠，是對單質(zhì)堿金屬粘滯性的重要發(fā)展。 3 江仁壽關(guān)于金屬液體表面張力的研究 1955至1960年間，江仁壽主要從事金屬液體表面張力的研究。他在注意到國外學(xué)者們曾用電子論對金屬液體表面現(xiàn)象進行過研究并取得初步成就。但是，通過理論分析，他發(fā)現(xiàn)國外學(xué)者僅僅考慮了電子論，忽視了液體金屬的的分子力。即他認(rèn)為這些觀點都是電子論的，只計算電子在單分子層中的平均動能而沒有考慮分子，從而忽略了液體表面是一個液體的內(nèi)外綜合現(xiàn)象。對于這一問題，江仁壽認(rèn)為有必要從分子觀點重新認(rèn)識，考慮對金屬液體表面張力進行研究[11]。 液體表面是能量的場所，這是由于表面分子與內(nèi)部分子比起來，處于特殊的地位。1940年，江仁壽曾與研究生王治樑根據(jù)電子論對金屬液體提出假設(shè)——固體溶解后（尤其在熔點附近）分子依舊以原來特征頻率對緩慢移動的平衡點做振動，然后結(jié)合安德魯?shù)陆淌趯?dǎo)出的熔點金屬液滯公式與液態(tài)準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)、表面層兩個假定，得到一個近似金屬液體在熔點時的表面張力 的公式：QQ截圖20160103234252 (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)。

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除此，江仁壽還指導(dǎo)青年教師對典型的液體金屬汞的接觸角進行了一系列研究，經(jīng)多次實驗，發(fā)現(xiàn)在真空下，毛細(xì)管中水銀的彎月面消失變?yōu)槠矫?，即接觸角為 ，并推斷其他液體也會如此，這對液體表面現(xiàn)象的研究開辟了新的領(lǐng)域。 3 結(jié)語 金屬熔體粘滯性的研究不僅可以揭示粘度的內(nèi)涵，而且可以深入認(rèn)識金屬的液態(tài)物性-液態(tài)結(jié)構(gòu)-固體性能之間的相互關(guān)系及影響，對探索金屬熔體變質(zhì)、晶粒細(xì)化、精煉等金屬熔體處理技術(shù)的作用機理具有重要作用。目前中科院物理研究所、山東大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等都開展了液態(tài)金屬方面的試驗及研究，但由于缺乏高精度的粘度數(shù)據(jù)及配套計算參數(shù)等等對液態(tài)金屬粘滯性的研究還十分薄弱。 江仁壽從20世紀(jì)30年代開始專于液態(tài)金屬物理性質(zhì)粘滯性的研究，采用設(shè)計、改進的實驗裝置對水、鈉、鉀及金屬合金粘滯性進行測量和研究，對液體金屬熔點的表面張力進行了系統(tǒng)研究，首次在國際上精確測定了液態(tài)金屬鈉鉀合金的粘滯性及液態(tài)堿金屬的粘滯性等并被公認(rèn)和采用，為中國近代流體力學(xué)、分子物理學(xué)以及非平衡態(tài)理論發(fā)展做出了貢獻。 參考文獻： [1]姚遠(yuǎn).西北大學(xué)學(xué)人譜[M]．西安：西北大學(xué)出版社，1997：280-281． [2]中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會編.中國科學(xué)技術(shù)專家傳略理學(xué)編——物理學(xué)卷1[M].石家莊:河北教育出版社.1996:371-377. [3]尹曉冬,周金蕊.安德雷德的三位中國學(xué)生——江仁壽、錢臨照、周如松成就研究[J]．大學(xué)物理，2013,32（9）:43-50. [4]白秀英，姚遠(yuǎn).物理學(xué)家江仁壽生平與其金屬粘滯性研究[J].西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014,209（22）:326-331. [5]周曉薇，陳金玉.液態(tài)金屬粘滯性的研究進展[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003,21（4）:255-259. [6]劉燕,耿浩然,孫民華等.液態(tài)金屬粘滯性的研究現(xiàn)狀與展望[J].鑄造，2000,49（12）：875-878. [7]戴念祖主編．20世紀(jì)上半葉中國物理學(xué)論文集萃[M].長沙:湖南教育出社，1933:439-448． [8]Andrade E. N. da C. and Chiong Y. S. (江仁壽) On the determination of viscosity by the oscillation of a vessl enclosing a fluid[J]. Proc. Roy. Soc., 1936(4)8:247-260. [9]Chiong Y. S,Viscosity of liquid sodium and potassium[J]. Proc Roy Soc，1936(A157):264-277. [10]平一梅,田蔭棠.液體合金NaK的粘滯性[J].物理學(xué)報，1966，22(7):749-756. [11]江仁壽.金屬液體的表面張力[J].西北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1957(1):99-105. [12]江仁壽.金屬液體的熔點表面張力與熔點關(guān)系[J].西北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1957(2):53-55.
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