物理史话之给梦想装上翅膀冯·卡门

1963年的一天,在美国白宫玫瑰园里,贵客云集,美国第一枚"国家科学勋章"的颁发仪式将在这里举行。这一殊荣的获得者就是本文的主角--现代航空大师--冯·卡门。当年过八旬的冯·卡门走下台阶时,步履艰难,年轻的总统肯尼迪赶紧上前搀住了他,老人拒绝了,笑笑说:总统先生,下坡者毋需搀扶,唯有举足高攀者才求一臂之力。这句一语双关的话也是冯·卡门个性的写照。

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西奥多·冯·卡门

西奥多·冯·卡门于1881年出生在匈牙利的布达佩斯。冯·卡门的祖父是个裁缝,冯·卡门的父亲当年在维也纳大学学习,后来学成归国,成了布达佩斯大学的教育学教授。由于在教育事业上成绩斐然,冯·卡门的父亲受到了皇帝的赐封,为他们家族添加了一个专门的姓--冯。当冯·卡门出生的时候,他的父亲已经是匈牙利国家教育局的秘书长了。冯·卡门从小就显示出过人的数学天赋,当他6岁的时候,就已经可以心算6位数字的乘法了,后来还通过自学掌握了百分比的运算。不过他的父亲希望冯·卡门能够全面发展,所以让他多学一些人文科学知识。冯·卡门在中学的时候就已经通读了庞加莱的名著《科学与假设》,并为书中的世界所深深地吸引。17岁的时候,冯·卡门进入约瑟夫皇家工艺大学,这是当时匈牙利唯一一所工科大学,只不过教学水平一般。在校期间,冯·卡门在一次偶然的机会中发现一种引擎在运转到某一速度时,就会颤动起来,并发出非常大的噪声。冯·卡门通过仔细观察和思考,发现原来是阀门的开关和引擎之间产生了共振,得益于良好的数学训练,冯·卡门很快为这个现象进行了数学建模,然后提出了圆满的解决办法。

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约瑟夫皇家工艺大学

大学毕业后,冯·卡门在军中服役了一年,然后当了他在大学时候的老师的助教。在此期间,冯·卡门基本解决了"欧拉压杆问题"。25岁的时候,冯·卡门争取到了匈牙利科学院的奖学金,来到了哥廷根。哥廷根大学当时是世界理论科学的中心,也是近代流体力学的发祥地。当时被誉为"空气动力学之父"的普朗特正好在哥廷根大学工作。在普朗特的指导下,冯·卡门对非弹性杆的弯曲现象做了一系列的研究,并通过了博士学位的答辩。1908年,冯·卡门听从父亲的建议,去了巴黎,因为他父亲一直很钦佩法国的思想家和哲学家。冯·卡门在巴黎期间,参观了一次飞行表演,使他对飞行产生了浓厚的兴趣。正在这时,普朗特从哥廷根寄来聘请信,邀请他回去担任实验室的助手,参加哥廷根第一个风洞的筹建和"齐柏林"的设计。冯·卡门接受了邀请,开始了航空科学家的生涯。

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路德维希·普朗特

在哥廷根大学,数学家克莱因主持了一系列的讨论会,讨论当时最新的科学思想,爱因斯坦、希尔伯特、闵可夫斯基、洛伦兹等人都是讨论会上的常客。冯·卡门厕身其间,眼界大开,受益终身。1911年,冯·卡门的老师普朗特正在研究边界层分离现象,他观察了水槽中圆柱体后面水流的分离现象,却发现水流不断发生摆动,普朗特认为是圆柱体不够圆引起的,但是冯·卡门并不这么认为,他对这个现象进行了数学分析,从理论上证明了只有交叉排列的涡旋才是稳定的。他在3个星期内完成了两篇出色的论文,成为流体力学中的一次重大的发现。后来人们就把这种现象称为"卡门涡街"。"卡门涡街"在建筑设计时是必须要考虑的重要因素。1912年,冯·卡门成为了亚琛工业大学空气动力研究所所长,并在那里工作了14年。在此期间,冯·卡门和他的老师一起对"湍流"现象进行了研究,取得了重大的进展。直到现在"湍流"仍是流体力学中最难的一个内容。

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卡门涡街

1926年,加州理工学院决定把原来的航空小组扩大为航空研究生院,并建立一个实验室。实验室需要一个能干的主任,冯·卡门无疑是主任这个位置最合适的人选。当时具有犹太血统的冯·卡门已经在德国感受到了纳粹排犹主义的压力,而美国学术界那种昂扬奋发的气氛又跟他的性格十分契合,于是,在1929年,冯·卡门同意出任实验室的主任。冯·卡门领导的实验室每周举办一次学术研究会,会上所有人都要简短报告自己的工作进度,坦率讲出工作中遇到的困难,然后大家一起想办法解决问题。这种研究会大大激发了师生的创造热情。1936年,英国著名流体力学家豪沃斯来访,他和冯·卡门一起完成了有关湍流统计理论方面的论文。第二年,豪沃斯的老师戈尔茨坦来到加州理工学院,完成了《流体力学现代发展》一书的校订。后来,比奥特教授还和冯·卡门合写了《工程中的数学方法》一书。顺便说一下,1936年,我国的空气动力学泰斗、航天之父、导弹之父、自动化控制之父、火箭之王钱学森先生也来到加州理工学院学习,师从冯·卡门。钱学森先生当时看到了火箭技术的发展远景,和其他5个青年科学家成立了一个名叫"火箭俱乐部"的研究小组,这个小组后来成长为著名的加州理工喷气推进实验室,成为火箭喷气技术的一大中心。

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普朗特、钱学森和冯·卡门(师徒三代人)

二战临近结束的时候,美国军用航空公司的首脑阿诺德将军意识到将德国的先进军事科学成果和技术专家接手过来对美国的军事建设有着非凡的意义,他让冯·卡门率领包括钱学森在内的一批专家来到德国,将德国研究V-2导弹的大批工程师和技术人员以及重达一千五百吨的资料统统都带回了美国。1945年,冯·卡门向当局提交了一份题为"通向新地平线"的报告,在报告中论证了有效的科学组织对武器制造的决定作用,还具体探讨了超声速飞机和火箭的一些技术问题。这篇报告对美国当局产生了十分深远的影响,随后,各种研究机构相继建立。50年代,冯·卡门还主持了在巴黎和哥本哈根召开的两次国际航空会议,创建了国际宇航科学协会,该协会有个附属机构--国际宇航科学院,一度推动了国际宇航事业的发展。

1929年,冯·卡门在经过中国的时候,曾建议清华大学开设航空课程。后来清华大学为了培养航空人才,创办了航空系,冯·卡门派遣他的养子、青年航空技术专家沃登道夫来华担任航空系的科学顾问。后来,在沃登道夫的指导下,清华大学航空系在南昌建造了一座大型风洞。1938年,冯·卡门应邀来到中国,见到了即将竣工的大型风洞,这个风洞也是当时世界上最大的风洞之一,冯·卡门非常高兴,他认为一旦中国摆脱了内外困境,就一定会迸发出巨大的科学潜力。

冯·卡门在加州理工学院期间,桃李满天下,光是中国的科学家就包括:钱学森、郭永怀和钱伟长。

1963年,在冯·卡门接受国家科学勋章后不久,因心脏衰竭,去世在去亚琛的路上,享年82岁。


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