科技工作者之家
科技工作者之家APP是专注科技人才，知识分享与人才交流的服务平台。
来源：中学生英才计划
1
湍流无处不在，它存在于高速行使的飞机尾流之中，也存在于装满水的浴缸里。如此随处可见的存在，却是经典物理学中最不为人知的现象之一。
湍流的精髓在于通过漩涡的形成、相互作用和消亡，将能量从最大尺度注入到最小尺度。简单说来，就是有序的流体流动会形成一个个的漩涡，这些漩涡会相互作用，分裂成更小的漩涡，然后更小的漩涡继续相互作用，如此等等……
但是，这种混沌却已经困扰了科学家们好几个世纪。目前，还没有一个机械论框架可以解析漩涡之间的相互作用是如何驱动这样一种能量级联的。
2
当遇到难以理解的事物时，有一种物理学家常会采用的解决方法，那就是将这些事物放到一起彻底“击碎”。比如为了理解宇宙的基本组成部分，他们将粒子加速然后让它们发生碰撞。这一次，为了揭示湍流的基本机制，物理学家决定让漩涡与漩涡发生碰撞！
○ 涡旋炮在一个75加仑的水箱中产生涡环。每个涡环被染成不同颜色，以方便研究人员观察它们的相互作用。| 图片来源：Harvard SEAS
在实验中，他们在一个75加仑的水箱里用涡流炮来制造涡环。每个涡环都被染成不同的颜色，这样研究人员就可以观察它们在发生激烈碰撞时的相互作用。在碰撞后不到一秒钟的时间里，这些环就消散在一片染料之中，但在这段时间里，发生了许多有趣的物理现象。
首先，当涡环相互碰撞时，它们会被向外拉伸，其边缘会形成反对称的波。这些波的波峰会发展成像手指一样的丝状物，沿着垂直于碰撞发生的核心生长。
○ 当涡旋相撞时，涡旋的边缘会形成反对称波。这些波的波峰会发展成手指状的细丝，在碰撞的核心之间垂直生长。| 图片来源：Harvard SEAS
这些“手指”的旋转方向与相邻“手指”相反，于是形成一个新的微型漩涡阵列，这种微型漩涡之间的相互作用会持续几毫秒。这些微型漩涡也会形成细丝，从而又形成漩涡。研究团队对三代这样的级联循环进行了观察，发现每一代都和之前一代一样，只是会变得更小，整个过程就好比一个混沌版的俄罗斯套娃。
论文的第一作者Ryan McKeown说：“在全部分解成湍流之前，这种从大尺度到小尺度上的相似行为出现得非常迅速而有序。这种级联效应真的很令人兴奋，因为它可能为解析这些相互作用是如何运作的提供了一种与尺度无关的普遍机制。”
除了实验之外，为了理解湍流形成的动力学并量化级联的能谱会如何演变，研究团队还进行了数值模拟。湍流具有一个非常明确的能谱。虽然研究人员所模拟的系统比让飞机发出轰响的湍流要简单得多，但他们发现，在后期形成的漩涡的能谱，与前面形成得更完整的湍流具有相同的模式。
McKeown说：“这是一个很好的迹象，它表明虽然这是一个不同的系统，但它能创造出相同的湍流，是一个起点。”
本文转载自公众号“原理”
来源：zxsycjh 中学生英才计划
原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1NDM2MzgyMQ==&mid=2247490035&idx=2&sn=004911ed0bcec1457fc5dec4e504cd34&chksm=e9c70831deb08127880247852474e4bd49dd5c4a6babb882d4cc543999f6d9a17c42589de2ea&scene=27#wechat_redirect
版权声明：除非特别注明，本站所载内容来源于互联网、微信公众号等公开渠道，不代表本站观点，仅供参考、交流、公益传播之目的。转载的稿件版权归原作者或机构所有，如有侵权，请联系删除。
电话：（010）86409582
邮箱：kejie@scimall.org.cn
微信
科技工作者之家
京公网安备11010202008424号
