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郭峰君论文：关于声波在流体媒质中传播问题的探讨 诚恳接受本论坛各位老师的批评和指正。 |
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郭峰君论文：关于声波在流体媒质中传播问题的探讨 诚恳接受本论坛各位老师的批评和指正。 |
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问：“水在A内流动和在B内流动，其物理性质并未发生任何变化。不言而喻，若有声波在在水中传播，从事实和逻辑上都可证明，由KA测量到的A内水中声速和由KB测量到的B内水中声速在量值上必彼此相等。”其中“从事实和逻辑上都可证明”，您是如何证明的？
答：以水为例。水是流体力学最基本的研究对象。水的可压缩性和粘滞系数都很小，通常被视为理想流体。从事实上观察，水一般不会因流动而变温，温度变化也是影响声速变化的主要因素。从逻辑上分析，水在恒温、等压的理想流动过程中，由于其体积模量K和密度ρ应保持不变，因此声波在水中传播的波速u也应保持不变，并有u＝sqrt（K/ρ）。 论文中所提出的“由Ka测量到的A内水中声速和由Kb测量到的B内水中声速在量值上必彼此相等”是指因Ka和Kb分别相对于A内和B内水流静止，故所测量到的声速是静水中声速。在Ka不能直接测量B内水流中声速，在Kb不能直接测量A内水流中声速。 |
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问：“水是流体力学最基本的研究对象。水的可压缩性和粘滞系数都很小，通常被视为理想流体。从事实上观察，水一般不会因流动而变温，温度变化也是影响声速变化的主要因素。 ”水是水力学的主要研究对象，其原因是它可以视为不可压流体，但是没有一篇论文认为水的粘性系数很小。郭知道水在圆形管道中流动时的速度分布吗？你如何得出它的速度分布？你在后续的流体速度又是如何得到的？
答：历史上，流体力学一直沿着理论的和实验的两个不同途径发展。理论流体力学由于1755年欧拉方程的提出，对于不考虑粘性的理想流体流动已逐渐达到完美的程度。遗憾的是理想流动的解往往与试验结果和真实流动相差甚远。工程师们为了解决生产和技术发展中提出的流体运动问题而发展了高度经验性的一门流体力学分支——水力学（Hydraulics）。 直到20世纪初，德国工程师普朗特（Prandtl）提出边界层理论，才使理论和试验完美地统一起来，从而使流体力学的两个分支——理想流体力学和水力学逐渐结合和统一，使流体力学得到划时代的发展。 在论文中，理想实验一已经首先假设“管内壁光滑”，就是为了忽略水在流动过程中与管道壁面之间的粘性效应。根据边界层理论，边界层外部流动仍可按理想流动处理。 关于水在圆形管道中流动时的速度分布和如何得出它的速度分布，在有关粘性流体力学的教材和著作中应能找到答案。很遗憾，我因数学水平有限，对流体力学涉足不深。 理想实验一的水在管中流速是根据连续性方程ρSV＝衡量或SV＝衡量设定的。 |
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问：什么是理想流体？描述它的参量是什么？您用水这样一种特定流体介质作为研究对象，得出的结论具有普遍意义吗? 水在流动中温度不会改变吗？在什么情况下才不会改变？
答：对于象水、空气等流体的运动，起主要作用的因素是它的易流动性和连续性。因此在初步研究时可以忽略影响流体运动的次要因素：可压缩性和粘滞性，而引入一个理想模型：理想流体，不可压缩的、没有粘滞性的流体。描述流体运动的方法有两种：拉格朗日方法和欧拉方法。 用水这样一种特定流体媒质作为研究对象可以得出声波在流体媒质传播的最基本规律。 真实的水在流动过程中，其温度当然不可能不随时随地发生变化。在绝热、等压条件下，水温不会改变。 |
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问：我们在研究一个问题时，首先就是建立它的数学模型，而数学模型的建立则基于正确的物理模型之上。 您这样的物理模型正确吗？具有普遍的指导意义吗？
答：本论文所建立的物理模型只是为了满足平面声波波动方程在互做匀速直线运动的两个坐标系中保持其数学表达形式不变，与其相辅相成的是声速不因观察者在流体媒质中运动而发生观察性变化和新的多普勒效应频率转换式。至于超音速以及声源与观察者之间相对运动速度大于声速等问题，已超出本论文研究范围。“本文旨在抛砖引玉，由此而涉及到的更为深刻和广泛的物理学问题，还有待于广大物理学工作者在后续的研究中继续进行突破并加以完善。” |
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问：我们这里大部分吧友是搞理论（物理）的，对数学模型的建立没有什么概念。但是数学模型的建立是进行科学研究的第一步，必须学会掌握。
答：本论文引入的先验假设是声速形式的洛仑兹变换，它是不能在逻辑上证真或证伪的。 本论文观点是否符合事实，完全可以通过测量声速变化是否取决与观察者运动和鉴别新老两种多普勒效应频率转换公式的相关实验来进行严格检验。 |
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问：当水流动时，声沿水流动方向和沿水流动相反方向上的传播速度是不同的。
答：您的观点充分体现了物理学家和大众的观点，但是我认为这是一种错误成见，就象亚里士多德提出的自由落体定律一样。我试用以下两个事例来证伪这种观点： 1、你我一南一北相距3.4米面对面站立并交谈，四周是空地，有风以3.4米/秒由南向北吹，设在空气中声速为340米。我的声音传到你的耳朵和你的声音传到我的耳朵各需要多少时间？答案：1/99秒、1/101秒。 2、你我仍一南一北相距3.4米面对面站立并交谈，但你我各靠着一幢楼房的墙壁，墙壁长34米、高34米，也有风由南向北吹。我的声音传到你的耳朵和你的声音传到我的耳朵各需要多少时间？答案：1/100秒、1/100秒。 |
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问：“本论文所建立的物理模型只是为了满足平面声波波动方程在互做匀速直线运动的两个坐标系中保持其数学表达形式不变”，换言之，是不是声速不变原理？
答：是。我在本论文中虽未直接提出声速不变原理，但其已有基本内容：对于相互独立的媒质而言，若彼此的物理性质完全相同，则声波在其中传播的速度也完全相同。如在理想气体中声速u=sqrt(γp/ρ)=sqrt(γRT/M)，式中M是气体的摩尔质量，γ是气体的比热比，p是气体的压强，T是气体的热力学温度，ρ为气体在相应状态下的密度，R为摩尔气体常数。具体地说，无论在室内和户外，也无论在车厢、船舱、机舱内，只要空气的这些物理学属性完全相同，我们测量到的声速就完全相同。即使当外界空气流动时，因我们的耳道内的那点儿空气既未流动，物理性质也未改变，故声波在我们的耳道内传播过程中，声速仍保持不变。 |
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问：请将声在真空中的速度代入你所得公式，计算其结果，并叙述一下其物理意义。理由是：仿洛仑兹变换不是说仿就能仿，是有条件的。
答：声只能在由原子构成的媒质中传播，不能在真空中传播，故无须回答前一个问题。 仿洛仑兹变换是我运用的数学技巧，目的是实现平面波波动方程在互做匀速直线运动的两个坐标系中保持完全相同的数学表达形式。因 x’-ct’=(x-vt)/sqrt(1-vv/uu)-(t-vx/uu)/sqrt(1-vv/uu)=(x-ct).sqrt((c+v)/(c-v)) 故仿洛仑兹变换还可写成如下更为完美的数学表达形式 x’=x.sqrt((c+v)/(c-v))，y’=y，z’=z，t’=t.sqrt((c+v)/(c-v)) 经过多年研究，我认为，洛仑兹变换并不能用我们已掌握的数学方法毫无内在逻辑矛盾地证明。我认为，狭义相对论很好地解决电动力学的矛盾，却造成了运动学和动力学的混乱。欧拉方程与麦克斯韦方程有近乎相同的数学表达形式（《超光速现象理论基础探讨》，杨新铁，北京石油化工学院学报，2002年第4期），我因水平有限，难做深入研究。 |