流体力学中的神秘旋涡:卡门涡街

流体力学中的神秘旋涡:卡门涡街

首页游戏大全卡门的故事中文版更新时间:2024-04-30

钱学森是我国无人不知无人不晓的科学家、工程师,而天才的学生往往也不会缺少天才的老师,钱学森的导师就是大名鼎鼎的“超声速时代之父”——冯·卡门。

钱学森(中)与冯卡门(右)

关于冯·卡门的故事有很多,以他的名字命名的理论、发明、现象也很多,比如说“冯卡门曲线”、“卡门旋成体”、“卡门-钱学森公式”等等,而我们今天要说的,是生活中经常可见的一个现象:“卡门涡街”


这是一次试验中的偶然发现

冯·卡门曾经在德国哥廷根大学任助教的时候,监督学生做了一个很简单的试验:一个流水槽里面放了一个圆柱体,然后让流动的水流流过这个圆柱体。

试验很假单,但是做试验的时候发现了很大的问题:水流流过圆柱体的时候,圆柱体居然不安分地振动了起来。冯·卡门的老师——更鼎鼎大名的“现代流体力学之父”普朗特对此不以为意,觉得是圆柱体做的不圆,但是冯·卡门却不这么想,他认为是这是流体的流动发生了问题,而不是试验设备产生的误差

冯·卡门认为是水的流动让圆柱体振动了起来

冯·卡门发现,水流在经过圆柱体的时候,如果速度足够快,就会导致圆柱后水流的流动方向不再是垂直向后,而是会神奇地“摆动”起来,一边带动圆柱体振动,一边在圆柱体后面留下来一个个的漩涡。

在细致地研究之后,冯·卡门于是从这一现象中总结出来流体不稳定流动性,并且将其命名为卡门涡街,还以此为内容写出了他的第一篇论文。从此“卡门涡街”这个名字成了空气动力学中最为经典的一个概念。

流体是一种运动很不稳定的物质

相比较于流体,固体真的是一种运动、变化很简单的物质形态。

当我们对固体施加力的时候,固体的形状大体不变。比如说你对一个立方体是施加一个力,这个立方体可能会变长长方体,可能会歪一点儿,但是这个立方体不会变的千疮百孔、七扭八歪。

同时,固体在外力作用下形状的变化一般来说是“线性”的,随着外力变大,固体的变形也等比例地变大。当我们撤去这个力的时候,物体的形状也往往能够恢复。

固体的变形、运动很简单

而流体就大不一样了。首先流体就没有稳定的形状,随着外力的变化,流体外部形状就是歪七扭八,而且不仅仅是外部形状,内部的结构更加是像赶集一样热闹,流体的不同部分之间相互摩擦、碰撞、剪切、分离、混合……跟齐齐整整的固体相比,流体的运动规律真的是让科学家伤透了脑筋。

流体的运动让人捉摸不透

而卡门涡街这个现象出现的原因,就是跟流体的不稳定性有关。显示出了跟固体完全不一样的性质。

大自然里到处都是卡门涡街

不要以为卡门涡街只是试验室里面的东西,实际上大自然到处都有“卡门涡街”。比如说当我们从太空中看云层的时候,就经常会发现风吹过巍峨高耸的山峰后,会在下游的云层中形成一个个的漩涡——而这些美丽的漩涡就是卡门涡街。

大气云层中的卡门涡街

再比如说,鱼在水中游动的时候,就是利用这种周期脱落的“涡”,从而获得向前的动力——而这种现象就叫做“反卡门涡街”。

飞鱼在身后的水面上甩下一串旋涡

卡门涡街造成的毁灭性灾难

卡门涡街很美,但是如果你只是觉得它美、不重视它可能带来的灾难,那么迟早是要受到来自科学之神的惩罚。

比如说著名的“塔科马海峡吊桥崩塌事故”中,工程师没有想到风在吹过桥面的时候会产生卡门涡街现象,而就好像最开始冯·卡门观察到水流流过圆柱体会让圆柱体振动的现象类似,卡门涡街会对桥面产生一个反复的、周期性的外力作用。

而当这个外力作用的频率达到某一个值的时候,大桥的振动会越来越大——这就是我们所说的“共振”现象,于是水泥、钢铁制成的大桥居然像面条一样抖动起来,最终彻底崩溃。

塔科马海峡吊桥崩塌事故

塔科马海峡吊桥崩塌事故的原因

从此,任何建筑物在设计之初就要把建筑物模型放到风洞模型中吹一吹,保证神奇的卡门涡街不会再次让这些建筑物崩塌。


总结

卡门涡街的出现本质上来源于流体的神奇性质,我们在水中、空气等流体中都会看到这种现象。而且,卡门涡街不仅仅是“美”,更重要的是,这是一种自然科学中客观存在的现象,如果你尊重它、并且运用得当,那么就会如虎添翼,如果你不知道这种现象的可怕,那么很有可能无意之中就会让自己的作品毁于一旦。

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