鲸鱼吐的泡泡，居然和原子弹的蘑菇云是一个原理？

编辑丨Cloudiiink

大家一定都看过《猫和老鼠》，或者其他的什么动画片，里面都有这种吐烟圈的镜头。《猫和老鼠》动画片中的吐烟圈镜头，虽然现实生活中做不到吐出那么多字，但是还是能够吐出一个圆圆的烟圈的

无独有偶，喜欢这种圈圈的并不只有人类……

在海洋里与自己吐出的圈圈戏耍的鲸鱼

这个圈圈在流体力学中被广泛研究，其正式的名字被称为涡环（vortex ring）。

泡沫环（bubble ring）是在水里的涡环，在环内充满了空气。当泡沫环在水里移动时，环内空气与附近的水都会呈角向转动（poloidal rotation），就好像当滚动一串柔软的手镯于手臂时，手镯会呈平移运动与角向转动一样。泡沫环角向转动越快，就会变得越稳定。

涡环中流体的流动方向示意图。可以看到圆环中的流体在绕着轴进行旋转，而且如果这个环的角向转动越快，那么这个环就会变得越稳定

为了更方便让大家理解涡环里面的角向转动，可以看上图，两个人在泳池内产生了一个涡环。随着涡环的上升，放入其中的小物体也随着涡环快速旋转，展示了涡环内部的流体流动的方向

涡环的存在十分地普遍，我们可以在很多地方都见到它们。

上图直观地展示了一个高速飞过的飞机，其产生的下降气流也会导致涡环的产生

在很多展示实验中有空气炮这个项目，实际上也是使用了类似的原理，拉动底部的弹性薄膜，释放以后就会向外吹出空气，这个吹出的空气就会在空气阻力的作用下形成稳定的涡环，传递十分远的距离。上图涡环带动了可燃气体，从而点燃以后形成了一个火焰环

BBC 纪录片展示了一个涡环大炮。其内部通过点燃气体向外喷射形成涡环，炮口处看到的涡环并不是内部的气体，而是气体快速收缩膨胀使得水蒸气凝结形成的涡环

虽然不能「八百里开外」打倒目标，但是摧毁这种近距离的小目标还是轻轻松松的

慢镜头下的一个十分完美的涡环在不断前进

涡环的现象普遍到随便一个和流体有关的实验里你都能见到它。比如下图这个酒精火箭，内部酒精蒸汽在点燃的过程中也会有肉眼可见的涡环。

酒精火箭演示实验。可以看到瓶子内部的淡蓝色的圈圈在不断向前移动

不得不说，涡环无处不在。这个「甜甜圈」实在是太过迷人。

就连原子弹和氢弹爆炸形成的蘑菇云，其本身就是一个巨大的涡环在不断上升。

氢弹爆炸

在原子弹和氢弹爆炸的过程中，都会形成大量的高温高压气体迅速膨胀，从而形成冲击波。

而这突然产生巨大体积的低密度气体都会形成蘑菇云，这一过程导致瑞利－泰勒不稳定性。大量气体急剧上升，导致沿其边缘弯曲向下形成涡旋，从而形成一个涡环组成中心柱状「蘑菇梗」。气体以及夹带的潮湿空气最终上升到外界与其密度相同的高度并散开，而从低处升来的尘埃则会沉积）。这一稳定高度取决于温度、露点以及起始高度上方空气的风切变。

关于涡环也有许许多多的研究课题，比如，两个涡环相撞，会发生什么有趣的现象呢？上图为 27 年前发表在 Nature 上的关于两个涡环相撞的视频。T. T. Lim & T. B. Nickels (Published in Nature 1992)

现代借助高清成像设备还原的视频图像

两个涡环相撞会发生什么？其实是一个十分有趣的课题。在 27 年前的一个研究论文揭示了这样相撞以后，在涡环相撞的平面上会形成很多个垂直的小涡环。在这现象背后还有很多值得研究的地方。

关于涡环我们还有太多没讲的故事，如果你也想在现实中看到涡环的话，不如……这样就转起来吧

来源：中科院物理所 环球科学