伯努利原理

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伯努利原理的出处需要说明,因为伯努利并非单指一人,而是一个家族,这个家族的所有成员都非常聪明,科学界这种情况并不少见,比如居里家族,他们获得了四次诺贝尔奖,分别是老居里夫妇获得一次,居里夫人获得一次,大居里夫妇获得一次,还有他们的女婿获得一次,不过获得的是和平奖,另外还有汤姆孙父子,父亲发现了电子,儿子进行了电子干涉实验,父子俩都与电子有关,还有玻尔父子,父亲获得了诺贝尔奖,儿子也获得了,玻尔终于有机会嘲笑爱因斯坦了,我儿子获得了诺贝尔奖,你儿子有吗?爱因斯坦 说咱还是说说上帝那些事儿吧。

显而易见,科学界同仁们彼此鼓励,共同发展,而伯努利家族却另辟蹊径,家族内部矛盾重重kaiyun.ccm,兄弟间激烈竞争,父子之间也常有纷争,整个家族成员彼此倾轧,最终导致老死不相往来。

要不先说一说他家的事情吧。

伯努利家族

雅各布.伯努利是兄长,堪称数学奇才,几乎无需指导便精通了那个时代的数学知识,积分这一概念正是他提出的,民间有句俗语说“普遍来讲,他位列第三”,这句话便是在说他,在微积分方面的成就,他足以称作世界第三,尽管仍觉平凡,毕竟在微积分领域,首位是牛顿,次席是莱布尼茨,对于两位奠基人而言,能排第三已是极大的荣誉。

雅各布提出了大数定理,这属于概率论的范畴,因此他也是概率论的奠基人之一。

他尤其钟爱各式各样的弧线,诸如对数螺线,甚至他的墓碑也全部镌刻着这种曲线图案。

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雅各布做出了一个重要成就,他推算出了自然常数,也就是e,这个常数又被称作欧拉数,原因在于欧拉频繁运用它,例如在著名的最美方程中。

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欧拉有一位名叫约翰.伯努利的老师,没错,他是雅各布.伯努利的弟弟,同时他也是一位数学天才,同样具有非凡的才华。这个家族竟然出了两位数学天才,真是难得的荣幸,祖辈上一定有显赫的功绩,任何一位作为父亲都会觉得自己前世的善行得到了回报。

老伯努利另有打算,他渴求儿子能声名显赫,而非青史留名kaiyun全站网页版登录,原本计划让儿子钻研神学,将来成为地位尊崇的神职人员,这想法实在令人羡慕,然而雅各布获得神学学位后,却转而投入数学研究,令老伯努利怒不可遏,但无妨,家中还有另一位天资卓越的约翰,约翰完成神学学业后,同样选择了数学道路,老伯努利最终只能无奈叹息,斥责儿子不肖。

父亲从不体恤他,哥哥却一直很关照,约翰如此认为,起初雅各布也这么想,他热心帮助约翰进步,可兄弟间的情分在悬链线难题上出了问题。

悬链线的概念最初由达芬奇构思,涉及两端固定的线缆在重力作用下形成的形态,关于线缆的具体轮廓,伽利略推测是抛物线形态,但惠更斯对此持有不同看法,尽管他未能明确指出正确的曲线类型,雅各布认为这个问题需要借助微积分来攻克,经过一年的钻研,他仍未找到答案,于是他在《教师学报》上发出征询,希望得到有识之士的指点,出乎意料的是,次日清晨约翰兴奋地前来告知他已成功解决,约翰原本期待得到哥哥的赞赏,却没想到雅各布对此反应激烈,勃然大怒。

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在雅各布看来,约翰是他门生,也是他弟弟,先前自己思索了一年都未解开的难题,弟弟一个晚上就解开了,怎能不让他恼火呢?约翰同样怒不可遏,他自认是兄长的得力助手,地位与兄长相当,绝非晚辈,目睹兄长这般光景,约翰愈发得意,便四处散布言论,称“良宵苦短,胜似黄金”,不对,该说“一夜情浓”,也不对,总之是这个意思,反正就是弟弟一整晚的成就,远胜过哥哥一年的功绩。

约翰自认能力出众,便谋求巴塞尔大学的教师职位,但学校回应称已有雅各布,无需再聘请其他数学人才,看来弟弟尚显稚嫩,兄弟俩因此各走各路。

弟弟到处散布哥哥没什么两样,哥哥遇见谁都说弟弟的作为都是他引导的,但书信往来还是照常进行,毕竟像他们兄弟两个这样出色的数学家实在不多,弟弟也计划结识其他数学家谈谈,诸如洛必达侯爵,后来侯爵出钱购得了他的成果,这就是鼎鼎有名的洛必达法则,真是有些遗憾呢。

此外哥哥在数学领域具有显著影响力,每当弟弟提交论文时,哥哥总喜欢加上自己的名字,弟弟处境比较艰难。

但是时机最终出现,涉及最速降线议题,该议题与伽利略存在关联,乃由伽利略首先提出,具体内容为,若将小球置于高处,除垂直落下外,速度最快的路径呈现何种形态,伽利略推测为圆弧轨迹,然而结果证明,这一判断再次未能成立。

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约翰率先破解了难题,顿时觉得意气风发,又感到孤高难耐,便像当年的雅各布那样,也在《教师学报》上宣告了自己的成就,弟弟与哥哥的行事方式不同,哥哥是在无法解决时才求助,弟弟则是在成功后要夸耀一番。

没过多久便收到了三份回信,一封出自莱布尼茨先生,一封来自洛必达侯爵,另外一封则肯定是雅各布兄弟寄来的。

约翰经过研究,觉得自己的方法最为精练,相比之下开yun体育app官网网页登录入口,哥哥雅各布的思路显得格外复杂,甚至不如自己的学生洛必达的解法,然而约翰在解题时,直接引用了费马定理,但这并非那个著名定理啊,费马本人从不验证自己的命题,因为他缺少纸张,所以当时的费马定理如同虚设,因此约翰的论证缺乏根基,而雅各布的论证首次运用了变分法,这标志着微积分领域的重大进展,所以说这次哥哥取得了胜利。

然而这场竞争的赢家并非哥哥雅各布,而是英国那位德高望重的牛顿,他仅用短暂时间便攻克了难题,并且未留下姓名,但约翰依然能感受到那位霸主的气度。

兄弟俩始终在竞争,持续不断,直到雅各布离世,约翰终于松了口气,原因是牛顿和莱布尼茨也相继去世了,天下第一,非他莫属了。

然而考验还是降临了,这次考验依旧源于内部,发起考验的人正是他的儿子丹尼尔伯努利。

这一年的法国科学院征文大赛,约翰毫无悬念地摘得了桂冠,他的儿子丹尼尔同样榜上有名,父子二人携手步上领奖台阶,倘若发生在寻常人家,定会大摆宴席庆祝一番,联想到我们百姓家孩子考上大学都要设宴两场,彼时法国科学院的奖项几乎等同于诺贝尔级别的荣誉,然而伯努利家族向来不按常理出牌,约翰因此勃然大怒,严令儿子不得归家,声称儿子抢了他的风头,这种逻辑思维实在匪夷所思。

然而,对于丹尼尔这样的天才,实在难以遏制,丹尼尔创作了《流体力学》,老约翰便又打起了不正当的主意,他也撰写了一部水力学,并且剽窃了儿子的部分内容,但模仿得并不出色,存在诸多错误和遗漏,其中就涉及伯努利原理。

哎呀,终于出来了啊,下面就说推导过程了。

伯努利原理

伯努利定理可概括为,当流体流速加快时,其内部压力会随之降低,反之流速减慢则压力增大,当然该理论的应用前提是针对理想化的流体状态,首先要求流体性质恒定不变,其次要忽略任何摩擦阻力,再次假定流体不可压缩,最后还需满足流体沿特定路径流动,且这些路径线不会相互交叉。

用数学公式表达就是

P是压强,ρ是密度,v是速度,h是高度,C就是常数。

下面开始推导了。

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蓝色液体属于a1a2区间,一段时间后流到b1b2区间,依然是同一部分液体,这就好比将a1b1区间的液体挪到了a2b2区间,因为中间的液体没有变动,根据先前几个前提,这种液体不可压缩,没有摩擦力,不随时间改变,流线不会相交,这是成立的,而且a1b1区间的液体质量和a2b2区间的液体质量是一致的。

那么在a1b1段的机械能就是

,同理

那么E=E2-E1。

由于机械能守恒,E就是做功的变化,再看看功这么算吧,

W等于F乘以s,F代表作用力,s表示位移,那么F具体是多少呢?F等于P乘以S,其中P是压强,S是受力面积,那么s又该如何计算呢?s等于v乘以t,v表示速度,t代表时间。

归纳一下,W等于p乘以S乘以v乘以t。计算出的功,就是p2乘以S2乘以v2乘以t减去p1乘以S1乘以v1乘以t。

几个式子放在一起呢,就是

1/2m

+mgh2-(1/2m

+mgh1)=p2S2v2t-p1S1v1t

两边都除以一个m吧,左边就成了1/2

+gh2-(1/2

+gh1),那右边呢,关键是右边,

先了解下Svt的含义,S代表底面积,vt代表高度,那么Svt就是体积V。

右侧需要调整一下,就是p2V2减去P1V1,这样就能和m建立联系了,再除以m,结果就是1除以密度

好了,这下就好看了。

右侧变为p2减p1,密度计算出来了。由于密度在分母位置,所以两边同时乘以密度。

再放一块看看吧。

1/2ρ

+ρgh2-(1/2 ρ

+ρgh1)=p2-p1。

再移项一下吧,那就是

p1+1/2 ρ

+ρgh1=p2+1/2ρ

+ρgh2

既然两方面都相等,那么自然就是常数了,所以就有了

输入公式相当繁琐,好在推导过程已经结束,只是原先丹尼尔借助的是微积分方法,大体是这个思路就可以了。

伯努利原理应用

要说伯努利原理的应用,那可就太广泛了。

童年时期,我们常常尝试一个游戏,将两张纸片朝相反方向吹气,发现它们会相互靠近,没错,这个现象体现了伯努利效应,进行这个游戏是为了揭示某个科学道理,我想是为了说明飞行器的升空机制吧,由此可见,飞行器的空中穿梭确实应用了伯努利效应。

高铁站内严格禁止进入黄线范围,这是伯努利效应的警示,由于高铁运行速度极快,导致其附近气压骤降,若过于靠近,可能会被气流带动,谁会如此鲁莽去触碰高铁呢,即便是想碰瓷的人也不会采用这种方式,因此还是应当听从伯努利原理的劝告。

足球场中弧线飞行的皮球,台球桌上旋转前进的母球,其运动轨迹都遵循伯努利效应,若对手仅精通牛顿运动定律,那么绝大多数情况下都会败北。

这种喷洒装置的运作方式依据伯努利效应,我之前未曾见识过,看来自己已经老去,至于汽车上那个老式燃油混合装置,大家应该都了解,它同样运用了伯努利效应。

有一种东西叫文丘里管,就是这个。

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这道理无需多言,便是伯努利效应,所有文丘里管的用途,都根源于此原理。

可以说伯努利原理应用在我们生活的方方面面。

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