德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了……

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 郑重声明
本期没加特效
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没见过没关系,接下来不要看傻了就行。

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......2012年,为捷克电视节目《自然奇观》(Zázrakypřírody)建造了大型空中涡旋加农炮他们不断增加纸箱与加农炮的距离,以此发起挑战。
 
从20米开始,可以说根本毫无压力。
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再到60米,仍然是游刃有余。
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德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......最后,在100米(330英尺)的极远位置,创造了一波吉尼斯世界纪录。
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为了切实感受空气炮的威力,两名工作人员还亲自上场,直接来了一波面对疾风
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脸都被打肿了
 

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而细心的模友可能已经发现,在超模君发的这些都是高清无码的动图里,都出现了一个若隐若现的烟雾环圈圈!

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......是的,你没有看错!之所以这炮打得这么猛,都是因为这流体力学的涡流在搞怪!
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什么是涡环

涡环(又称涡旋),是指流体顺着某个方向环绕直线或曲线轴的区域,它是由被扰动的流体,如液体、气体、等离子体所形成的。就像这样:
 
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绕理想涡流环流
 
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

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......为了更方便让大家理解涡环里面的角向转动,超模君还邀请了两位专业人士为你进行水底解读!
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水中涡环:泡沫环
你会看到,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。
而更为神奇的是,这内部气流旋转极大增强了涡环的运动持久性。

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......就像旋转的车轮减少了汽车与地面之间的摩擦一样,涡环的涡流也减少了核心与周围静止流体之间的摩擦,从而使它能够在不损失质量和动能的情况下保持尺寸或形状,进行较长距离的运动。
 
因此,与流体射流相比,涡环可以较好的保持原状,走得更远。这也解释了为什么烟圈停止吹散后,仍保持长时间运转。
 

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这神奇的涡环,让人们大呼妙哉的同时,也引起了物理界的强烈好奇。

妙不可言的涡环研究

自17世纪至今,人们对它的研究一刻都没有停过。

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......1858年,德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)发表了论文《表达涡环的流体动力学方程的积分》,对其进行了数学分析。
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Hermann
 
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其中,他用表达式描述了涡环的强度。
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正是亥姆霍兹的论文,让人们开始对涡环的形成、运动和相互作用有了基础的认识,并尝试一步步展开深入的研究。

直至如今,出现了很多关于涡环的有趣研究。其中最著名的,莫过于两个涡环的相撞实验
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用被动标记可视化两个涡旋环的碰撞
德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......透过动图,你会看到,如果两个相同涡环之间产生正面碰撞,就会出现了神奇的现象:沿碰撞平面径向扩展后形成小环。

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为了揭开神秘的面纱,实验员通过收集这些可视化数据进行判断。

他们发现,当涡环发生碰撞时,外圈先开始分解并形成小结点。在这些结点里,都存在有一个低压力点。

正是这些低压区域,对附近的物质产生吸引,从外圈将环分解为小块。

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德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......但是,至于分解的时候为什么只旋转了90度,且方向只朝外的等等问题,至今仍然没有准确的解释。

处处可见的流体力学专家

 
事实上,涡流的奇妙并不仅仅在于其自身神秘的独特性,更多原因而是在于,它是自然界普遍存在的令人惊叹的奇迹
 
比如说,海豚的花式吐泡泡
 
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海豚和白鲸可以吹出完美的气泡涡环,这是它们的拿手绝活。

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......它们热衷于与之嬉戏、追逐,甚至有时候用脚蹼阻止涡环上升。对它们来说,饭可以少吃,但吹涡环不能没有。
 
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又比如说,蒲公英的超远飞行
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德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......要知道,在很长一段时间里,蒲公英如何保持飞行是物理界一直想解开的谜题。
直到2018年10月在《自然》发表的一篇论文A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion,才真正揭示了蒲公英种子的飞行机制。
 
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英国爱丁堡大学的中山真美、Ignazio Maria Viola及其同事构建了一个垂直风洞,对自由飞行的和固定的蒲公英种子的绕流做可视化处理。

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......通过长曝光摄影和高速成像,他们发现分离的涡流环是蒲公英飞行的基础。
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图片来源于Nature自然科研
当然,除了自然界之外,在航空、军事当中,也同样充斥着涡环的影子。
 
举个栗子,当飞机以高速飞过时,其产生的下降气流就会导致涡环的产生。
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再譬如没有感情的杀手:空气大炮。
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他的喜悦都在这炮里了
就连氢弹原子弹爆炸形成的蘑菇云,其本质也是一个不断上升的巨大涡环。
 
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事实上,在爆炸过程中,大量的高温高压气体迅速膨胀,直接导致冲击波的形成。

德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!看完跪了......而这突然产生低密度大体积气体,又将演变为蘑菇云,直接引发瑞利-泰勒不稳定性
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瑞利-泰勒不稳定性
一般来说,当密度更小的流体在密度更大的流体下方时,由于重力加速度的作用,就会发生瑞利-泰勒不稳定性。

 

大量急剧上升的气体,致使沿其边缘弯曲向下形成涡环,从而形成一个围绕中心“蘑菇柱状的大涡环。
 
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涡环的存在,在展现流体力学独有魅力的同时,也像在告诉着我们:生活处处是科学,就看你能不能get到而已。
对此,超模君最有发言权,因为超模君发现:
 
每一个普通人,其实都是隐藏的流体力学专家。

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不要误会,不是针对你
 
 
写在最后

如果这世界上没有数学家

人类将会变成怎么样?

如果没有了牛顿

就没有近代科学及文明

如果没有欧拉

就没有统一的数学符号

如果没有冯诺依曼

就更没有现代计算机

数学不能遗失

数学家更不能遗忘

原文始发于微信公众号(超级数学建模):德国惊现神操作!物理学家创造最强涡环公式!用空气打破吉尼斯世界纪录!看完跪了......

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