解决科学家难题的例子，这位致力于用科学解决实际问题的科学家
解决科学家难题的例子，这位致力于用科学解决实际问题的科学家家庭环境孕育科学兴趣奥斯本·雷诺而雷诺却对大自然有着敏锐的观察，对科学有着无限热忱，在每一项研究中，他都在努力探究问题的核心，体现着他对大自然敏锐的观察以及对科学的无限热忱。奥斯本·雷诺有许多科学贡献，但大多是在去世之后的生产生活中才得到实际运用。奥斯本·雷诺在前人所得出的结论上继续进行实验研究，推导出了雷诺数以及雷诺应力，使其在流体力学史上占有一席之地。
奥斯本·雷诺（Osborn Reynolds，1842-1912）在力学与工程学中做出了突出贡献，是将力学与工程学相结合的先驱者，流体力学中被广泛应用的雷诺数便是以他来命名的。
为纪念他在力学研究中的重要贡献，1969年在英国曼彻斯特举行了奥斯本·雷诺百年研讨会，以纪念雷诺把一生都奉献给了科学事业。
本文梳理了奥斯本·雷诺的生平、求学经历以及在力学与工程学的贡献，探讨了雷诺一生的研究历程，指出他的研究成果有许多在当时看起来并不起眼但在若干年后产生了重要作用。
在雷诺生活的年代，人们并不认为科学能带动社会的发展，能思考生活中问题的原因并深入研究的人更是少之又少。
而雷诺却对大自然有着敏锐的观察，对科学有着无限热忱，在每一项研究中，他都在努力探究问题的核心，体现着他对大自然敏锐的观察以及对科学的无限热忱。
奥斯本·雷诺有许多科学贡献，但大多是在去世之后的生产生活中才得到实际运用。
奥斯本·雷诺在前人所得出的结论上继续进行实验研究，推导出了雷诺数以及雷诺应力，使其在流体力学史上占有一席之地。
奥斯本·雷诺
家庭环境孕育科学兴趣
奥斯本·雷诺于1842年8月23日出生在北爱尔兰的贝尔法斯特，不久后便随父母移居到英格兰东南部埃塞克斯的小镇戴德姆。
雷诺早期的教育是其父亲所承担的，他的父亲对机械制造有浓厚的兴趣，申请过一些农业机械改造的专利；具有较强的数学能力，可熟练运用数学知识解决机械上的问题。
在父亲的影响下，雷诺对机械问题产生了浓厚的兴趣，并很早地表现出了这方面的天赋。
19岁时，雷诺在一家造船厂里工作了一年，期间了解到流体动力学的实用性问题，并发现数学知识是研究机械学必不可少的，因此决定到剑桥大学学习数学专业的课程。
1868年，雷诺毕业一年后，他便当选为曼彻斯特大学欧文学院的教授，成为英国第一位工程学教授。
1869年11月，雷诺成为曼彻斯特文学和哲学学会会员，同时也积极参与曼彻斯特科学与机械学会的活动。
雷诺在他的整个职业生涯中对热传导和热功率有着极大兴趣。1870年，焦耳发表的关于“水射流的稳定性”的论文引起了雷诺对这一问题的探究。
1871-1874年，雷诺致力于用科学的方法来研究和解决一些实际问题，包括“弹性与断裂”“高压蒸汽的使用”“如何将钢的属性应用于建筑材料”等。
随心所欲的研究时代
雷诺对船舶动力学问题有着浓厚的兴趣，特别是带有螺旋桨轮船的驱动装置，通过工作实践，他发现在绘制机械学图纸、进行船舶实验研究时，力学和数学知识起着很大的作用。
1873-1874年，在“理论和实验中使螺旋桨蒸汽船引擎加速的原因”“蒸汽锅炉受热面的程度”这2篇论文中，雷诺解释了蒸汽机驱动的内在原因，还推断，为确保螺旋桨能够完全淹没，应增大其直径。
1874年，雷诺研究了“螺钉和螺旋桨转向之间的关系”，并做过许多实验，其中有一个开创性的实验——蒸汽驱动。他制作了2个模型，当2个模型即将发生碰撞时，可以通过改变螺旋桨方向或使用船舵掉头来应对。在当时，他利用实验证实观点，是很大的突破。
雷诺认为，每个自然现象背后都有其物理学的本质。1875年，雷诺通过实验表明，雨滴形成后大量水汽聚集在其表面从而对波运动产生了影响。1878年，他又对雨滴形成冰雹和雪花的方式进行了研究，并借助实验来验证结论。1881年，雷诺还做过关于“流动的液滴表面上的水仅依赖于表面的纯度”的报告。
兴趣的转变
雷诺希望自己的研究是完整的、有理可循的，在工程学方面进行很多深入的研究后，在气体、流体与颗粒材料方面开展了一系列的猜想与实验，这些工作虽然在当时没有受到重视，但为后人对流体动力学的研究打下了很好的基础。
在刚到欧文学院时，雷诺对气态流体动力学的研究很感兴趣。他发明了一个简单的光度计来表征由热传递产生、在稀薄气体表面的力，还与同事合作进行光磨实验，得出了“使叶片转动的力不直接源于热辐射”的结论。
蒸腾的气体也引起了雷诺的注意，雷诺利用气筒通过多孔塞、带孔的薄板以及微小的毛细管来描述气体运动。
1879年，“气态物质的某些维度属性”的论文表明，不止压力差，温度差也会引发气流从多孔板一侧流向另一侧；在多孔板两侧压力相同的情况下，温度差异同样能够引发此现象。他将这种现象命名为“热蒸腾”。
雷诺还进行了各种关于气体压力的实验来验证自己的想法，发现气体浓度大小与其通过多孔介质的多少或者光磨中叶片大小有关，并最终证实了气体的尺寸特性。雷诺对于气体蒸腾的研究对之后的热蒸腾动力学理论起到了重要的奠基作用。
雷诺能够把理论和实验结合起来，而经过不断探索，他不再仅凭兴趣去钻研科学问题，而更希望通过研究解决实际问题，由此开始采用力学与工程学相结合的方式进行研究。
雷诺对于流体动力润滑的研究是刺激机械工程学会进行摩擦研究的一个重要原因。他的研究表明，轴承之间可能发生油阻问题，由此产生的压力上升使其足以支撑轴。他发现轴和轴承之间油膜的维护正是基于流体力学，转轴的中心偏离轴承的中心，能够使油膜变厚，从而保护油膜。
在特定的温度下，雷诺通过黏度的变化观测到了压力的数据，并发表了一篇关于润滑理论研究的论文。在论文中，雷诺以力学为基础，观察生活中频繁出现却被人们忽视的润滑问题，发现如果两物体表面之间存在压力，少许润滑油就能够使得二者无法保持相对静止状态。
雷诺能够运用物理知识来解决生产生活中的实际问题，再将物理知识进行梳理和解释后重新加工运用到生产生活当中，从而产生了更有利于人类发展的效果，这是雷诺最擅长也最与众不同的地方。
学科间结合的研究
尽管拥有很多项关于涡轮泵和离心泵的改进专利，但在创新和发明的问题上，雷诺并不看重经济利益。
在研究的鼎盛时期，雷诺通过颗粒介质的特性开始了对液体性质的思考，又由液体引申到对流体力学的研究，从而在流体动力学上做出了极大贡献。
雷诺对于颗粒介质的特性及渗流理论进行了实验总结，为后人进行理论推导奠定了坚实的基础。1885年，雷诺把这种介质的属性命名为“膨胀性”，即通过大量的颗粒材料中的颗粒排列变化一致改变其体积所拥有的特性。1886年，雷诺写出了“对由刚性粒子在接触媒体的扩容”的论文，最终获得了大家的认可。
雷诺用一种典型却简单的方式进行了说明：如果用一个有着玻璃瓶颈的橡胶瓶子装满水，橡胶瓶将收缩，水会被逼迫到瓶颈；但如果在瓶子里装满粒状材料和水，由于橡胶瓶的压缩会作用在每一个点上，粒状物质会把水从瓶颈压迫到瓶内，这些小的硬颗粒起到了吸收、排列的作用，使瓶内的空隙增加了。
雷诺的许多研究都与流体有关，他首先对流体力学的基础知识——波运动和涡旋运动进行了研究，借助绘制彩色带来描述这种运动。
1883年，雷诺发表了最为著名的论文——“一项关于决定运动的水应该按照平行通道阻力定律以直接的方式还是弯曲的方式通过某一环境的研究”，这是流体力学发展的一个重要里程碑。
在这篇论文中，雷诺引入了无量纲雷诺数，研究了从层流到湍流的临界雷诺数。研究真实液体运动主要特征及其之间的联系，引发了雷诺对黏性液体运动的思考；继而通过运动方程的计算及观察实验的结果，发现了在运动中，阻抗完全对应速度比的规律。
随着温度的升高，水的黏度逐渐减弱，而这种物理特性——运动黏度，使大部分物质的物理特性可用距离和速度描述。此时，他开始考虑建立一个运动方程，其中包含两种特性——惯性和黏性，它们的比率与无量纲组相联系得到：
Um：涡流的平均速度；D：管道直径，n：运动黏性
在这个工作中，雷诺用玻璃管制造了一个彩色的“乐队”。该实验装置四面是玻璃储水箱，里面是一个敞口玻璃管，木质的表面和玻璃管相连，右侧的玻璃管连接一个装有阀门可用长杆控制的铁管，左侧是一个小号。
当浮盘到达一定水位时，水会从玻璃管中排出。可以从这个实验中观察到各个波段美丽的条纹，进一步开启阀门增加流量时，颜料会混着水填充到玻璃管的其余部分，管中颜料的分解就会显现出旋涡。
雷诺数实验装置
之后，雷诺又改变玻璃管的直径与温度从而测量旋涡的临界速度，发现在较低的速度下，压力与速度成正比，而临界速度又可借助泊肃叶公式计算出。
在整个运动过程中，阻力定律精确地与下式一致：
μ：流体的黏度系数；ρ：液体密度、c：常数
为了消除干扰，雷诺用不同直径的管子在不同温度下进行测试，用类似的计算方法得出的流速都相等，暗示着雷诺数的临界值是相同的。
他引入了一个无量纲的量，即“雷诺数”：
流速越大，流过物体表面距离愈长；密度愈大，层流边界层愈容易变成湍流边界层。相反，黏性越大，流动起来愈稳定，愈不容易变成湍流边界层。流体由层流向湍流过渡时转变点的雷诺数，叫做临界雷诺数，记作Re。
为了奖励雷诺对力学和工程学作出的贡献，1888年雷诺获得了皇家奖章，这是当时至高无上的荣誉。
雷诺另一个广为人知的成就是对湍流的研究，即“对黏性流体动力学理论和标准的确定”的论文。雷诺发现，摩尔运动和热运动之间区别的分析方法是成立的；对这种分析方法的应用，是区分平均摩尔运动和相对摩尔运动是在稳态平均的情况下（湍流）沿管道流动的基础，该理论是现代湍流研究的基础。
1887年，“有关河流河口的一定规律，以及对其进行小规模实验的可能性”的论文中，雷诺设计了有着平缓的河床和垂直的边缘，从而在涨潮时可以表现出河口形状的实验模型。
在模型中可以认为，通道中速度的平方可作为垂直尺度的平方根，与周期的比值为水平尺度除以这个速度。这一进展开辟了模拟流动的河流和河口的巨大可能性。
雷诺在机械动力学和材料力学的研究成果还有弹性和断裂性能、应力集中、惯性力和应力、摩擦、皮带打滑等方面。在1905年退休之前，雷诺依旧沉浸在工程学与力学世界中，相继开展了一系列小的研究，如气穴现象。
结论
奥斯本·雷诺是一位不折不扣的将力学与工程学相结合的先驱者。
许多问题所以被人们所理解，是因为这些问题都发生在人们身边，只不过在雷诺进行研究之前，人们没有发现并思考，或者是没有理论基础来辅助人们研究。
雷诺喜欢观察生活，思考科学问题，他对科学产生的兴趣源于父亲和祖父，他想要追求自己感兴趣的问题，而不理会当时科学发展所需要的到底是什么。
为纪念他在力学研究中的重要贡献，1969年在英国曼彻斯特举行了奥斯本·雷诺百年研讨会，以纪念雷诺把一生都奉献给了科学事业。
作者简介：董鑫，首都师范大学初等教育学院，硕士研究生，研究方向为科学与技术教育、科学与技术史；白欣（通信作者），首都师范大学初等教育学院，教授，研究方向为科学与技术史、科学与技术教育。
论文全文发表于《科技导报》2021年第22期，原标题为《力学与工程学结合的优秀践行者——奥斯本·雷诺》，本文有删减，欢迎订阅查看。
