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德國物理學家創造最強渦環公式！用空氣打破吉尼斯世界紀錄
- 由 超級數學建模 發表于 武術
- 2022-04-19
渦旋是什麼操作
鄭重宣告
本期沒加特效
沒見過沒關係，接下來不要看傻了就行。
2012年，為捷克電視節目《自然奇觀》（Zázrakypřírody）建造了
大型空中渦旋加農炮
。他們不斷增加紙箱與加農炮的距離，以此發起挑戰。
從20米開始，可以說根本毫無壓力。
再到60米，仍然是遊刃有餘。
最後，在100米（330英尺）的極遠位置
，創造了一波吉尼斯世界紀錄。
為了切實感受空氣炮的威力，兩名工作人員還親自上場，直接來了一波
面對疾風。
臉都被打腫了
而細心的模友可能已經發現，在超模君發的這些都是
高畫質無碼的動圖裡
，都出現了一個
若隱若現的煙霧環圈圈！
是的，你沒有看錯！之所以這炮打得這麼猛，都是因為這流體力學的
渦流
在搞怪！
什麼是渦環
渦環（又稱渦旋），是指流體順著某個方向環繞直線或曲線軸的區域，它是由被擾動的流體，如液體、氣體、等離子體所形成的。就像這樣：
繞理想渦流環流
可以看到圓環中的流體在繞著軸進行旋轉，而且如果這個環的角向轉動越快，那麼這個環就會變得越穩定
為了更方便讓大家理解渦環裡面的角向轉動，超模君還邀請了兩位專業人士為你進行水底解讀！
水中渦環：泡沫環
你會看到，隨著渦環的上升，放入其中的小物體也隨著渦環快速旋轉，展示了渦環內部的流體流動的方向。
而更為神奇的是，這內部氣流旋轉極大增強了渦環的運動永續性。
就像旋轉的車輪減少了汽車與地面之間的摩擦一樣，渦環的渦流也減少了核心與周圍靜止流體之間的摩擦，從而使它能夠在不損失質量和動能的情況下保持尺寸或形狀，進行較長距離的運動。
因此，與流體射流相比，渦環可以較好的保持原狀，走得更遠。這也解釋了為什麼菸圈停止吹散後，仍保持長時間運轉。
這神奇的渦環，讓人們大呼妙哉的同時，也引起了物理界的強烈好奇。
妙不可言的渦環研究
自17世紀至今，人們對它的研究一刻都沒有停過。
1858年，德國物理學家
赫爾曼·馮·亥姆霍茲
（Hermann von Helmholtz）發表了論文
《表達渦環的流體動力學方程的積分》
，對其進行了數學分析。
Hermann
其中，他用表示式描述了渦環的強度。
正是
亥姆霍茲
的論文，讓人們開始對渦環的形成、運動和相互作用有了基礎的認識，並嘗試一步步展開深入的研究。
直至如今，出現了很多關於渦環的有趣研究。其中最著名的，莫過於
兩個渦環的相撞實驗
。
用被動標記視覺化兩個渦旋環的碰撞
透過動圖，你會看到，如果兩個相同渦環之間產生正面碰撞，就會出現了神奇的現象：
沿碰撞平面徑向擴充套件後形成小環。
為了揭開神秘的面紗，實驗員透過收集這些視覺化資料進行判斷。
他們發現，當渦環發生碰撞時，外圈先開始分解並形成小結點。在這些結點裡，都存在有一個低壓力點。
正是這些
低壓區域，對附近的物質產生吸引
，從外圈將環分解為小塊。
但是，至於分解的時候為什麼只旋轉了90度，且方向只朝外的等等問題，至今仍然沒有準確的解釋。
處處可見的流體力學專家
事實上，渦流的奇妙並不僅僅在於其自身神秘的獨特性，更多原因而是在於，
它是自然界普遍存在的令人驚歎的奇蹟
。
比如說，
海豚的花式吐泡泡
。
海豚和白鯨可以吹出完美的氣泡渦環，這是它們的拿手絕活。
它們熱衷於與之嬉戲、追逐，甚至有時候用腳蹼阻止渦環上升。對它們來說，飯可以少吃，但吹渦環不能沒有。
又比如說，
蒲公英的超遠飛行
。
要知道，在很長一段時間裡，蒲公英如何保持飛行是物理界一直想解開的謎題。
直到2018年10月在《自然》發表的一篇論文
A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion
，才真正揭示了蒲公英種子的飛行機制。
英國愛丁堡大學的中山真美、Ignazio Maria Viola及其同事構建了一個垂直風洞，對自由飛行的和固定的蒲公英種子的繞流做視覺化處理。
透過長曝光攝影和高速成像，他們發現分離的渦流環是蒲公英飛行的基礎。
圖片來源於Nature自然科研
當然，除了自然界之外，在航空、軍事當中，也同樣充斥著渦環的影子。
舉個栗子，當飛機以高速飛過時，其產生的下降氣流就會導致渦環的產生。
再譬如沒有感情的殺手：空氣大炮。
他的喜悅都在這炮裡了
就連氫彈和原子彈爆炸形成的蘑菇雲，其本質也是一個不斷上升的巨大渦環。
事實上，在爆炸過程中，大量的高溫高壓氣體迅速膨脹，直接導致衝擊波的形成。
而這突然產生的低密度大體積氣體，又將演變為蘑菇雲，直接引發
瑞利-泰勒不穩定性
。
瑞利-泰勒不穩定性
一般來說，當密度更小的流體在密度更大的流體下方時，由於重力加速度的作用，就會發生瑞利-泰勒不穩定性。
大量急劇上升的氣體，致使沿其邊緣彎曲向下形成渦環，從而形成一個圍繞中心“蘑菇”柱狀的大渦環。
渦環的存在，在展現流體力學獨有魅力的同時，也像在告訴著我們：
生活處處是科學
，就看你能不能get到而已。
對此，超模君最有發言權，因為超模君發現：
每一個普通人，其實都是隱藏的流體力學專家。
不要誤會，不是針對你