Анри Бенар

Анри Клод Бенар (25 октября 1874 г. – 29 марта 1939 г.) был французским физиком, наиболее известным своими исследованиями конвекции в жидкостях, которые теперь носят его имя, конвекция Бенара . Кроме того, исторические обзоры как Токати ^[2], так и фон Кармана ^[3] признают, что Бенар изучал явление вихреобразования , позже названное вихревой дорожкой Кармана , до собственных вкладов фон Кармана. Бенар специализировался на экспериментальной динамике жидкостей и использовании оптических методов для ее изучения. Он был преподавателем в университетах Лиона , Бордо и, наконец, Сорбонны в Париже. ^[4]

Бенар защитил докторскую диссертацию в Коллеж де Франс 15 марта 1901 года на тему « Клеточные турбийоны в жидком покрове, распространяющемся по поверхности волос с конвекцией в постоянном режиме ».

Бенар был избран президентом Французского физического общества (SFP) в 1929 году, после президентства Луи Люмьера . ^[5] В следующем году его сменил на посту президента его друг и бывший учитель Жан Перрен . В 1929 году Бенар получил премию Бордена за свою работу по вихрям от Французской академии наук . ^[6] После его смерти в 1939 году его вдова получила от его имени премию Понселе , также от Французской академии наук. ^[7]

Его именем назван исследовательский центр ERCOFTAC в Лионе. ^[8]

Анри Бенар был единственным сыном мелкого инвестора Феликса А. Бенара (1851–1884) и его жены Элен М. Манжан (1837–1901). ^[9] Он посещал начальную школу в Лизьё и Кане и среднюю школу в лицее Луи-ле-Гран . В 1894 году Бенар был одним из 17 студентов, отобранных из 307 кандидатов для поступления в École normale supérieure (ENS) на факультет естественных наук. Его одноклассниками там были Анри Лебег и Поль Ланжевен , ^[10] а одним из его учителей был Жан Перрен . ^[11] Бенар получил степень преподавателя физики в 1897 году, а затем начал работать ассистентом Элеутера Маскара и Марселя Бриллюэна в Коллеж де Франс в Париже. В это время Бенар присоединился к Французскому физическому обществу (SFP). ^[12]

Первоначальные научные усилия Бенара были связаны с оптическим вращением сахаров, что привело к статьям, написанным в соавторстве с Маскаром ^[13] и студентом факультета химии ENS Л.-Ж. Симоном. ^[14] Первым из них было экспериментальное измерение угла вращения поляризованного света чистым сахаром в растворе для определения его концентрации для использования в сахариметрии , предпринятое по просьбе Комиссии по сахарам и спиртам Министерства финансов. Результаты Бенара были приняты в качестве юридических значений во Франции Министерством финансов. ^[15] Тем временем Марсель Бриллюэн читал курс по вязкости жидкостей и газов и попросил Бенара повторить эксперименты Пуазейля по скорости потока воды в капиллярных трубках. ^[16] Однако Бриллюэн также хотел провести эксперименты с ртутью вместо воды. Результаты Бенара (полученные в течение первых 6 месяцев 1899 года) были обобщены в 1907 году в учебнике Бриллюэна, основанном на этом курсе. ^[17] Бриллюэн также руководил переводом на французский язык учебника Больцмана по кинетической теории газов, выполненным Бенаром и Александром Галлотти. ^[18]

Темой диссертации Бенара была клеточная тепловая конвекция, вдохновленная случайными наблюдениями, сделанными Адриеном Гебхардом, конвекции в ванне с заброшенным проявителем пленки. Работая в лаборатории Маскара, Бенар провел первые контролируемые, систематические научные эксперименты по конвекции в неглубоком слое жидкости, нагретой снизу. ^[19] Он обнаружил, что конвективные движения организовывались в полурегулярные, полупостоянные ячеистые узоры. Восходящие потоки возникали в центрах ячеек, а нисходящие — на их периферии. Также наблюдалось небольшое понижение верхней свободной поверхности жидкости в центре каждой ячейки, что привело Бенара к размышлениям о роли поверхностного натяжения. Он также измерил соотношение сторон ячеек и обнаружил, что существует критическая температура, ниже которой конвекция не происходит. К сожалению, он приписал это затвердеванию жидкости, которую он использовал ( спермацет , китовый жир, который находится в твердом состоянии при комнатной температуре). По иронии судьбы, гораздо позже Бенар стал скептически относиться к самой концепции критической разницы температур, хотя и открыл ее. ^{[20] [21]} В 1900–1901 годах Бенар представил результаты этой работы (и связанные с ней оптические методы) в четырех различных журналах: Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences , ^[22] the Revue Générale des Sciences Pures et Appliquées et Bulletin de l'Association Française pour. l'Avancement des Sciences , ^[23] Journal de Physique Théorique et Appliquée , ^[24] и Annales de Chimie et de Physique . ^[25] Он также представил свои выводы как минимум на двух научных конференциях, ^[26] а также в первой диссертации своей диссертации. (Вторая часть его диссертации была посвящена оптическому вращению в сахарах.) Эта работа заложила основу для изучения конвекции Рэлея–Бенара , потока жидкости, заключенной между горизонтальными проводящими поверхностями, под действием плавучести, с более высокой температурой внизу; и конвекции Бенара–Марангони , потока жидкости, под действием поверхностного натяжения, с верхней свободной поверхностью и нагретой проводящей поверхностью внизу. Эти проблемы продолжали занимать ученых, начиная с лорда Рэлея и продолжая в 21 веке.

Бенар провел два месяца в качестве учителя средней школы в Шербуре (октябрь-ноябрь 1900 г.), прежде чем получить пенсию от Фонда Тьера (ноябрь 1900 г. — апрель 1902 г.). Он защитил диссертацию 15 марта 1901 г. в возрасте 26 лет и был удостоен звания Docteur ès Sciences physiques, not très honorable . В его диссертационный комитет входили Габриэль Липпман , Эдмон Бути и Эмиль Дюкло . В сентябре 1901 г. Бенар посетил конференцию Британской ассоциации в Глазго, где познакомился с рядом выдающихся британских физиков, таких как лорд Кельвин , Сильванус П. Томпсон , Эндрю Грей и Джозеф Лармор . ^[27] К сожалению, «излишняя скромность» (собственные слова Бенара ^[28] ) помешала ему показать результаты своей работы лорду Кельвину в Глазго, а также на предыдущей Парижской конференции. ^[29] Покойный брат Кельвина, Джеймс Томсон , изучал тепловую конвекцию качественно до работы Бенара.

23 декабря 1901 года Бенар женился на Клементине Ольге Малевр, через несколько месяцев после смерти матери; детей у них не было. ^[30]

Бенар был назначен старшим преподавателем в Лионском университете (1902), отвечая за вводные курсы. ^[31] Несмотря на свою преподавательскую нагрузку, в 1904 году он начал экспериментальные исследования вихревого потока за препятствием; работа проводилась в подвале. ^[32] В 1906 году он начал использовать кинокамеру для записи этих явлений. Первые публикации этой работы состоялись в 1908 году, ^[33] но фильмы не будут полностью использоваться до 1920-х годов. Тем не менее, экспериментальная работа Бенара в Лионе стала началом его вклада в изучение того, что мы сейчас называем вихревой дорожкой Кармана .

В 1910 году Бенар переехал в Бордо , где он теперь был профессором и заведующим кафедрой общей физики. Одним из его коллег там был Пьер Дюгем . ^[34] Бенар продолжал изучать вихреобразование, анализируя лионские пленки для измерения длины волны и частоты вихреобразования при изменении других параметров, таких как скорость потока и геометрия препятствия. Он также делал пленки тепловой конвекции.

Также в 1910 году Бенар начал сотрудничать с Камилем Дозером (1869–1944), который стал ключевым соавтором в исследованиях Бенара по динамике жидкости. Дозер изучал проблемы тепловой конвекции и затвердевания, что побудило самого Бенара вернуться к этой теме ^[35] и даже предположить, основываясь на работе Дозера, что лунные кратеры могли быть образованы тепловой конвекцией и затвердеванием. ^[36] Анри Десландрес также заметил аналогию с лунными кратерами, а также указал (как оказалось, правильно) на дальнейшую аналогию с солнечной грануляцией. ^[37]

В 1913–1914 годах Бенар и Дозер сняли серию из восьми фильмов о конвекции и затвердевании в испаряющейся жидкости, которые были произведены при поддержке крупной фирмы, студии Gaumont . ^[38] Также в эти годы двое ученых получили субсидии от Фонда Бонапарта, управляемого Французской академией наук, на свои исследования. ^[39]

Дозер получил докторскую степень в 1919 году в Париже, после того как провел год, проводя эксперименты по затвердеванию под руководством Шарля Фабра в Тулузе. ^[40] Затем Дозер стал директором обсерватории Пик-дю-Миди в 1920 году и проработал там до своей отставки в 1937 году. ^[41]

В 1919 году Бенар был избран в Совет Университета Бордо ^[42] и начал публиковать результаты своей работы военного времени (см. следующий раздел).

Первая мировая война изменила акценты в исследованиях Бенара. Он был назначен ответственным за изучение вопроса перевозки замороженного мяса в рефрижераторных вагонах (1914–1916), а затем присоединился к Высшей комиссии по военным изобретениям в Париже и Физическому отделу Управления изобретений (обе должности в период с 1917 по 1919 год). ^[43] Позже он стал начальником Физического отдела. Его выводы из проекта по замороженному мясу были приняты, и около миллиона тонн замороженного мяса были перевезены в рефрижераторных вагонах в течение четырехлетнего периода на различные фронты французской армии. ^[44] Бенару в этой работе помогал студент ENS Пьер-Мишель Дюффье , который позже (во время Второй мировой войны) основал область Фурье-оптики.

Собственные военные работы Бенара по оптике включали различные системы линз с применением в широкоугольной фотографии; использование поляризованного света для улучшения видимости удаленных объектов; и условия видимости следов подводных лодок. ^{[45] [46]} Приложения включали оптические устройства для военного использования, такие как обнаружение следов подводных лодок и кораблей.

В 1916 году Бенар встретился в Париже с метеорологом Полем Идраком. Позже Идрак опубликовал экспериментальные наблюдения конвективных валов (согласующиеся с предсказаниями лорда Рэлея). ^[47]

Во время войны Бенар имел звание сержанта территориальной пехоты, прикрепленной к Корпусу снабжения. ^[48] 14 июля 1919 года он был награжден кавалером ордена Почетного легиона (воинское звание), а 10 ноября 1920 года — аналогичной наградой (но с гражданским званием). К сожалению, вторая награда, присужденная ему за изобретение поляризованного бинокля, принятого на вооружение французского флота, была аннулирована из-за «двойной занятости» в следующем месяце.

В 1922 году Бенар перешёл в Парижский университет , Сорбонна, в качестве старшего преподавателя физики. В 1926 году он стал полным профессором и преподавал вводную физику. ^[49] В 1920-х годах он продолжил свою работу с вихревыми дорожками, определяя экспериментальный закон для частоты в терминах скорости потока, вязкости жидкости и размера препятствия; он утверждал, что его закон противоречит теоретическим результатам фон Кармана. ^{[50] [51] [52]} В этот период между Бенаром и фон Карманом разгорелся спор о приоритете открытия вихревого срыва, подробно описанный Весфрайдом. ^[53] Тем временем Бенар снова вернулся к своей работе по тепловой конвекции, заявив о согласии между своими результатами и теорией лорда Рэлея. ^[54]

Бенар руководил конференциями в 1927–1928 годах в Сорбонне, посвященными чередующимся вихрям и ячеистым вихрям. ^[55] В 1928 году Бенар был избран президентом Французского физического общества (SFP) и на этой должности взаимодействовал с рядом важных современников, таких как Луи де Бройль , Поль Ланжевен , Дмитрий Рябушинский и Пьер Вайс . ^[56] Бенар был членом SFP с 1897 года. Одной из главных забот Бенара в SFP было увеличение членства общества, в частности среди инженеров и техников. К концу своего срока ему удалось увеличить членство с 1222 до 1260: «Это медленный рост, но в конце концов он есть». ^[57]

В 1929 году французское министерство аэронавтики основало Институт механики жидкости в Сорбонне (возглавляемый Анри Виллатом ) и назначило Бенара директором его Лаборатории механики жидкости и заведующим кафедрой экспериментальной механики жидкости. ^[58] Он выступил с инаугурационной речью для лаборатории в ноябре. ^[59] В декабре Бенар получил премию Бордена от Французской академии наук в честь его работы по вихрям. ^[60] Список членов комитета по присуждению премии представляет интерес для чтения: Аппель , Пенлеве , Лекорню, Адамар , Гурса , Лебег и Пикар .

В 1935 году Бенар был назначен главой секции по атмосферной конвекции Комиссии по атмосферной турбулентности, организованной французским Министерством авиации и возглавляемой Филиппом Верле. ^[61] Тем временем к нему уже присоединились несколько студентов: Дюсон Авсек, Мишель Лунц, К. Воронец, Х. Журно, Виктор Волковыски, Поль Шварц, В. Романовский и Ж. Сартори и другие. ^[62] Эти студенты изучали тепловую конвекцию в различных режимах, включая электроконвекцию, конвекцию, вызванную поверхностным натяжением, и т. д. Сам Бенар вернулся к вопросу о конвекции на солнечной фотосфере (солнечной грануляции) в 1935 году. ^[63]

В 1937 году Бенар был назначен ответственным за преподавание в Высшей школе авиации. ^[64] Он и его студент Авсек опубликовали большую обзорную статью о своей работе по тепловой конвекции в 1938 году. ^[65] Наконец, 29 марта 1939 года, в возрасте 64 лет, «неожиданная смерть прервала его научную деятельность». ^[66] Французская академия наук в том же году присудила премию Понселе его вдове в честь ее покойного мужа. ^[67] Во время Второй мировой войны здание было предоставлено Бенару для использования, поскольку его лаборатория была захвачена немецкой армией в 1940 году. ^[68]

Ранние экспериментальные работы Бенара по тепловой конвекции обсуждались Чандрасекаром ^[69], Бергом , Акривосом и Бударом ^[70] , а также подробно Кошмидером. ^[71] Более поздняя работа Бенара по конвекции в сдвиговых потоках включена в обширный обзор RE Kelly. ^[72] Работа Бенара по вихреобразованию кратко обсуждается Провансалом ^{[73] .}

Астрофизик Эдвард А. Шпигель высказал свою точку зрения, что

Бенар и его ученики вскоре поняли, что его первые экспериментальные результаты были нетипичны для обычных жидкостей. Они продолжили попытки «определить и измерить в горизонтальном слое жидкости, нагретом снизу, преобладающие конвекционные потоки, рассматриваемые как можно ближе к их состоянию наибольшей устойчивости». Проблема, сформулированная таким образом, находится в центре современных исследований конвективных схем, и работа учеников Бенара предвосхитила некоторые важные современные открытия и методы. Удивительно, но их раннее понимание основных вопросов обычно игнорируется в современной литературе. ^[74]

Пьер Шевенар вспоминает Бенара как «прекрасного коллегу» и «всегда радого оказать услугу молодым физикам, которые приходили к нему за советом». ^[75] Также говорили, что Бенар был скромен до крайности, поскольку он «не любил публиковаться и никогда не представлял обобщения своих взглядов». ^[76]

• Научные явления названы в честь людей

• Дэвид Обен (2008). Память о самой жизни: клетки Бенара и кинематография самоорганизации. Исследования по истории и философии науки, т. 39, стр. 359–369.
• Анри Бенар. (1926 и 1929). Обратите внимание на «Sur les Titres et Travaux Scientifiques» М. Анри Бенара (Готье-Виллар, Париж).
• Франсуа Шарру (2023). Механика жидкости во Франции в первой половине двадцатого века. Annual Review of Fluid Mechanics т. 55, стр. 11-44.
• Пьер Шевенар (1939). [Некрология Анри Бенара.] Bulletin des Séances de la Société Française de Physique vol. 433, стр. 83С.
• Филипп Л. Шерешевский (1976). Le soixante-quinzième anniversaire des cellules atmosphériques de Bénard. Journal de Recherches Atmosphériques , vol. 10, стр. 1–7.
• Хосе Эдуардо Весфрайд. (2006). Научная биография Анри Бенара (1874–1939) в Dynamics of Space-Temporal Cellular Structures: Henri Bénard Centenary Review под редакцией И. Мутабази, Дж. Э. Весфрайда и Э. Гийона (стр. 9–37). ISBN  0-387-40098-2
• Весфрид, Хосе Эдуардо (1 июля 2017 г.). «Анри Бенар: Тепловая конвекция и образование вихрей». Comptes Rendus Mécanique . 345 (7): 446–466. arXiv : 1712.07039 . Бибкод : 2017CRMec.345..446W. doi :10.1016/j.crme.2017.06.006. S2CID  119340489.