流体力学中能否讲因果律？

zdong_hn

牛顿运动定律说：力是引起物体运动发生变化的原因。那在流体力学里面，这个说法还靠谱吗？
比如：

1 到底是流动分离引起了逆压梯度，还是逆压梯度造成的流动分离？

2 伯努利方程中速度与压力的相互变化，是因为压力变化造成的速度变化还是速度变化导致的压力变化？

3 钝体绕流的涡脱，到底是周期性的涡脱导致钝体上出现周期的力，还是由于其他的原因导致了周期的力，而周期涡脱，仅仅是种现象？

希望这个帖子没有发错地方

通流

这些问题其实是很有意义的。既然是科学，当然要讲因果。这个想法应该贯彻到所有的科学领域中去。我们学习和研究的目的就是理解和证明这些因果关系。

对于你说的具体的问题。1和3是流体现象。2就是牛顿第二定律。

nihao1975

钝体周期性的侧力从机理上已经很清楚了吧，就是一定雷诺数下，非定常、非对称脱落涡引起的非定常力。

coolboy

在热力学或统计物理里面有一个热力学第二定律，意味着时间变量的“有向性”，即时间是有箭头的。流体力学的基础其实是热力学或统计物理故一般也讲因果关系。但其因果关系的存在及解释与具体问题是否“时变”有关。对于定态问题，或即使实际上是“初值”问题或“时变”问题但从定态的角度来理解，则就说不清是否存在因果关系了。

此外，“力”与“加速度”也是在同一时间层次上的概念，从而也就很难有明确的因果关系。熟知的例子就是“离心力”还是“向心加速度”，“科里奥利力”还是“科里奥利加速度”，等等也只是不同的坐标系或某项处于不同位置的不同称呼而已，并不存在本质上不同的因果关系。

lcw

我认为牛顿的因果律没有错，力是引起物体运动发生变化的原因。对于1楼的三个例子，力仍然是引起物体运动的原因，首先有力施加在主流上引起主流的运动，才产生了逆压梯度、速度与压力的相互变化和脱体旋涡现象。如果没有主流流体的运动，这些现象就不会发生。至于局部区域的相互影响，那是系统内的相互作用。因此，从整个主流运动来说，力仍然是造成流体运动的原因。

zdong_hn

我是一枚小菜鸟，所以发问题纯属请假，而不是探讨。
感叹，这是我第二次觉得发帖有收获。。。
谢谢版主，谢谢各位的回复。
coolboy的回答，震撼到我了。。感谢。

周华

我讲课时经常把牛顿第二定律F=ma倒过来写成ma=F，也有时把a写成动量对时间的导数，因为这样比较符合物理解释。

通流

我想如果力的大小跟加速度没有直接关系，那么力是因，加速度是果。反之，如果力的大小与加速度相关，那么这里的因果关系就有点模糊。
coolboy用离心力和科氏力作为例子并不是很合适。因为那两个是虚拟力，也就是那是加速度造成的。
所以因果律是物理，而不是数学处理造成的。

周华

第一个问题应该是流场整体形态发生了变化，以常见的翼型绕流为例。首先翼型攻角增加，导致流动方向出现逆压梯度。在逆压梯度超过某个临界点时，原来是附着流的流场形态发生突变，出现分离流，从一个稳态到达另一个稳态。在这里，逆压梯度是分离的原因，翼型攻角增加则是逆压梯度的原因。

周华

第二个问题就是动能与压力位能之间的互相转化，动能与位能之间不是互为因果的关系。如果一定要找一个原因，则这个原因就是流场条件发生了变化。类似的例子可以参考一下小球下落的过程。在这个过程中小球的势能转化为动能，可以说重力是导致这个变化的原因，当然原本将小球吊在半空的力被去掉也可以说是原因（约束条件发生了变化），但势能和动能不互为原因或结果。

周华

第三个问题中旋涡脱落是周期性力的原因。在这个问题中，钝体的横向力取决于钝体环量的大小，旋涡脱落周期性地改变了钝体的环量，于是其横向力也就发生周期性改变。

周华

这几个问题问得很漂亮，加2点威望以示鼓励！

coolboy

一个球在地上处于静止状态，用脚踢它一下则球动了，这就是牛顿定律：mdv/dt=F。
不踢球不动，一踢球就动了，这是很明显的牛顿定律，这是很明显的因果关系。
我知不知道这简单的道理呢？知道，我在中学就知道这没错。我在中学就知道这一层次上的牛顿定律和因果关系。
但我有时还考虑牛顿定律所能表达的更多、更一般的一些现象或过程。楼主所举的三个例子也是挺有意义的，明显地就要比踢一下球要复杂一点。我们是否能在更高的层次或更一般情形下也能得出相同的结论呢？
最近的研究有部分同等离子物理有关。导致带电粒子加速度的外力是电力和磁力，但电磁场则又由带电粒子的运动及分布决定，电磁场本身的变化还需满足麦克斯韦尔方程组，麦克斯韦尔方程组同牛顿定律联立但其本身又不象mdv/dt=F那样有明显的因果关系。这时对整个问题又该如何确定各物理量之间或各物理量变化之间的因果关系呢？

从热力学第二定律出发所能得出的结论应该更具有简明性和一般性。

不同层次上的考虑所得出的不同结论都可以是合适正确的。

通流

我觉得coolboy说的很对。F=ma本身还真的不能证明那个是因那个是果。因果还是要分析具体的问题才能确定。电磁力跟物体的速度有关。最多只能说是在某个时间点上，加速度可以通过牛顿定律计算，并预计下一个时间点上的速度分布。

coolboy

原帖由 coolboy 于 2013-12-11 18:47 发表

                               
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一个球在地上处于静止状态，用脚踢它一下则球动了，这就是牛顿定律：mdv/dt=F。
不踢球不动，一踢球就动了，这是很明显的牛顿定律，这是很明显的因果关系。
...

这踢球的外力又是怎么产生的呢？根据牛顿定律：F=mdv/dt。这里m就是脚和鞋子的质量，dv/dt则就是鞋子同球接触的瞬间时脚的速度变化所产生的加（减）速度。换句话说，在这里，物体（即脚和鞋）运动发生的变化产生了力，这个力作用于球又产生了球的运动。当然，我们有时也省略中间的一步，就直接说两物体相碰撞时，一物体的动量被传递到了另一个物体。