Франц Грасгоф

Франц Грасгоф (нем. Franz Grashof; 12 июля 1826, Дюссельдорф — 26 октября 1893, Карлсруэ) — немецкий инженер-механик, учёный в области прикладной механики и термодинамики, один из основоположников технической термодинамики. Наиболее известен как автор безразмерного числа Грассгофа, используемого в теории конвективного теплообмена. Оказал значительное влияние на становление инженерного образования в Германии и развитие теории прочности материалов.

Биография

Ранние годы и образование

Франц Грасгоф родился в семье учителя. После окончания гимназии в Дюссельдорфе в 1844 году поступил в Берлинскую королевскую ремесленную академию (Königliche Gewerbe-Akademie zu Berlin), где изучал машиностроение и химию. В 1847 году прервал обучение из-за финансовых трудностей и работал механиком на заводе в Дюссельдорфе. Вернувшись к учёбе, в 1851 году окончил академию с отличием.

Академическая карьера

В 1852 году Грасгоф получил должность преподавателя в Берлинской ремесленной академии. В 1854 году защитил диссертацию на тему «О движении жидкостей в трубах» и получил степень доктора философии в Гиссенском университете. В 1855 году был назначен профессором прикладной механики и машиностроения в Политехническом институте Карлсруэ (ныне Технологический институт Карлсруэ), где проработал до выхода на пенсию в 1891 году.

В 1863 году Грасгоф стал одним из основателей Союза немецких инженеров (Verein Deutscher Ingenieure, VDI) и в течение многих лет занимал пост его председателя. Под его руководством VDI превратился в ведущую профессиональную организацию инженеров в Германии. Также он был редактором журнала «Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure» (Журнал Союза немецких инженеров).

Последние годы

После ухода из Политехнического института в 1891 году Грасгоф продолжал научную работу. Скончался 26 октября 1893 года в Карлсруэ от сердечного приступа. Похоронен на Главном кладбище Карлсруэ.

Научный вклад

Число Грассгофа

Основным достижением Грасгофа является введение в 1873 году безразмерного критерия подобия, названного его именем — числа Грассгофа (Gr). Оно характеризует соотношение подъёмной силы, возникающей из-за разности плотностей нагретой и холодной среды, и сил вязкости в свободном конвективном потоке. Число Грассгофа определяется формулой:

\[ Gr = \frac{g \beta (T_s - T_\infty) L^3}{\nu^2} \]

где \( g \) — ускорение свободного падения, \( \beta \) — коэффициент теплового расширения, \( T_s \) и \( T_\infty \) — температуры поверхности и окружающей среды, \( L \) — характерный линейный размер, \( \nu \) — кинематическая вязкость.

Число Грассгофа широко применяется в расчётах теплообмена при естественной конвекции, например, при проектировании радиаторов отопления, теплообменников, в метеорологии и океанографии. В сочетании с числом Прандтля (Pr) оно позволяет определить число Нуссельта (Nu), описывающее интенсивность конвективного теплообмена.

Техническая термодинамика

Грасгоф внёс фундаментальный вклад в становление технической термодинамики как самостоятельной дисциплины. В 1857 году он опубликовал работу «О тепловых свойствах пара», где предложил метод расчёта паровых машин. Его учебник «Теоретическое машиностроение» (Theoretische Maschinenlehre, 1875—1890) в трёх томах стал классическим трудом, в котором систематизированы знания по термодинамике, гидравлике и теории упругости применительно к инженерным задачам. В этой работе Грасгоф впервые дал строгое математическое описание цикла паровой машины и ввёл понятие термического коэффициента полезного действия.

Теория прочности и упругости

Грасгоф занимался также теорией упругости и прочности материалов. Он разработал методы расчёта балок, рам и ферм, которые вошли в практику инженерного проектирования. В 1859 году он опубликовал статью «О прочности цилиндрических сосудов», где предложил формулы для расчёта толщины стенок паровых котлов. Эти работы способствовали повышению безопасности промышленного оборудования.

Гидравлика и гидродинамика

В области гидравлики Грасгоф исследовал течение жидкостей в трубах и каналах. В 1854 году в диссертации он вывел уравнение для потерь напора при ламинарном и турбулентном течении, которое позже было обобщено в формулу Дарси — Вейсбаха. Он также изучал истечение жидкости через отверстия и насадки, что имело практическое значение для проектирования водопроводов и гидротехнических сооружений.

Педагогическая деятельность

Грасгоф был сторонником практико-ориентированного инженерного образования. В Политехническом институте Карлсруэ он ввёл обязательные лабораторные работы по механике и термодинамике, что было новшеством для того времени. Под его руководством было подготовлено более 30 докторских диссертаций. Среди его учеников — известные инженеры и учёные, в том числе Август Фёппль, внёсший вклад в теорию упругости.

Общественная деятельность

Будучи председателем Союза немецких инженеров (VDI), Грасгоф активно участвовал в разработке стандартов и норм в машиностроении. Он выступал за унификацию технической документации и создание единой системы единиц измерения. При его участии были изданы первые немецкие инженерные справочники. Грасгоф также был членом ряда научных обществ, включая Немецкую академию естествоиспытателей «Леопольдина» (с 1887 года).

Память

• В 1894 году Союз немецких инженеров учредил памятную медаль Грассгофа (Grashof-Denkmünze), которая вручается за выдающиеся достижения в области инженерных наук.
• Имя Грассгофа носит число Грассгофа в теории конвективного теплообмена.
• В Карлсруэ одна из улиц названа его именем (Grashofstraße).
• В Технологическом институте Карлсруэ установлен бюст учёного.

Основные труды

• Die Bewegung der Flüssigkeiten in Röhren (О движении жидкостей в трубах, 1854) — диссертация.
• Über die Wärme-Eigenschaften des Dampfes (О тепловых свойствах пара, 1857).
• Theoretische Maschinenlehre (Теоретическое машиностроение):
• Том 1: Allgemeine Grundlagen der Mechanik und Hydraulik (Общие основы механики и гидравлики, 1875).
• Том 2: Wärmelehre und Wärmemaschinen (Теплота и тепловые машины, 1880).
• Том 3: Festigkeitslehre und Elastizitätstheorie (Теория прочности и упругости, 1890).
• Die Festigkeit der Zylinder (Прочность цилиндров, 1859).

Источники

• Grashof, Franz // Allgemeine Deutsche Biographie (ADB). — Band 49. — Leipzig: Duncker & Humblot, 1904. — S. 510–512.
• Szabó, I. Geschichte der mechanischen Prinzipien. — Basel: Birkhäuser, 1979. — S. 235–240.
• Hager, W. H. Franz Grashof (1826–1893) — Pioneer of Fluid Mechanics // Journal of Hydraulic Research. — 2003. — Vol. 41, No. 4. — P. 343–348.
• Eckert, E. R. G. The Number of Grashof // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 1976. — Vol. 19, No. 9. — P. 985–986.
• Verein Deutscher Ingenieure (VDI): Grashof-Denkmünze. — Официальный сайт VDI.