不可思議的湍流，他們在哪裡都有甚至對飛機飛行都有很大的影響

下反角對飛機有什麼影響

坐在清澈的溪水旁，鳥聲奏樂，樹影婆娑，怡然世外。這不能不說 是人間美事。腳下流水潺潺，“魔術”彰然顯露：平緩流動的溪水倏然忽 左忽右旋轉起來，旋渦一個套一個，井然有序，一個精巧別緻的旋渦體 系須臾形成。這就是湍流，怡然世外者碰上了令科學家至今還頭痛的 難解景觀。

湍流隨處可見。在煙囪冒出的滾滾濃煙中；在奔瀉著的江河中；在 飛機航線上（旋渦氣流顛簸飛機）；在大氣層中（旋渦氣流使天氣難以預 報）。它與人們生活緊密相關。科學家已對揣流進行了長時間研究，發 現揣流的基本形式是小旋渦或渦流。當你攪拌咖啡或糖水時，就會產 生一兩個旋渦，而在江河流水或大氣層中的大規模湍流中卻有成百上 千的旋渦，它們一個套一個，一個連線一個，彼此相關。這一特性可以 列成方程，用計算機顯示出來。這種方程叫做非線性方程。

19世紀，英國物理學家雷諾做過一個名垂物理學史的實驗。首先 將染料注人水流緩緩流動的管道中心，發現染色線以直線或流線的形 式透過管道，他將這種型別的流動叫做層流；後在大管道中將水流加 速，結果染料以複雜的方式旋轉，透過管子後就交相融合或混合了，水 流變成了揣流。他發現，流體變成湍流的可能性可由一個無量綱數表 示，後人稱這個數為雷諾數，它等於流體的速摩乘以管道的直徑，再除 以流體的粘性係數。雷諾數越大，湍流越容易出現，反之則較難出現。 流速大且粘性較小的液體在較大尺寸的物體中流動時容易產生湍流， 而粘性大的液體則難產生揣流。水流動時的雷諾數可髙達數百萬，而 湯匙攪拌的糖槳則只有約0。1，地殼下的岩漿則更小，不逾百萬分之一。因此，它是決不會變成湍流的（人類之幸事！），除非在火山爆發時。

當流過圓柱體的流體的雷諾數約為40時，流體在圓柱體周圍開始 擺動；當雷諾數增至300時，擺動就開始分解為規則的、沿圓柱體順流 而下的揣流；雷諾數髙達數千時，湍流環繞著圓柱體流動。層流如何轉 變為湍流是一個妙理幽深、誘人研究的問題，現已基本清楚，它原來與 紊亂或混沌休慼相關，所謂混沌就是一種極端的無序。美國麻省理工 學院的E。N。洛倫茲在本世紀70年代發現的混沌性表明，只有幾個因 素的簡單確定性系統也會產生隨機性的行為。洛倫茲曾在60年代用 “蝴蝶效應”風趣地說明了天氣為什麼難以長期預報。氣象臺也許能全 面地考慮各種氣象條件。如果由這些氣象條件決定的天氣再不受其他 因素影響，氣象臺原則上應能長期預報天氣，然而氣象臺卻無法考慮到 諸如（在何時何地有）“蝴蝶拍打它的翅膀”這樣一些小因素的影響，這 些小因素本身並不能直接左右天氣，而是因為天氣是一個混沌系統，對 這些小因素很敏感，它們很容易與某些氣象條件（如風速、風向等）一道 （或者說被某些氣象條件放大）使整個氣象條件發生急劇變化，如使大 氣層流變成湍流，產生一個個大氣旋渦，最終使氣候發生變化，造成天 氣誤報。

上述蝴蝶拍打翅膀（這樣一些小因素）對大氣湍流的形成起到了 “種子”的作用。物理學家認為，湍流就是因這些“種子”（或小因素）的 影響被急劇放大而形成的。物體表面某些不規則或規則的部分，如溪 底某個凸起的尖石（溪流在這裡可能形成湍流）或圓柱體（水流過圓柱 體時可能形成湍流）等是種子，物體的各種振動及原始旋渦均是種子。 從時間角度看，層流具有明顯的週期性，湍流則無週期性可言，或者說 週期為無窮長。所謂週期性是指系統具有#隔一定時間就恢復原來狀 態的特性。科學實驗表明，層流週期隨雷諾數增加（或減少）而變化。 在某一雷諾數上週期將倍增，雷諾數進一步增加會導致進一步的倍增， 週期增至無窮大後，層流就成了湍流。物理學家菲金鮑姆還發現了預 測連續週期倍增間隔的方法，這個連續間隔比率由一個通用“幻數” 4。66920給出。如上所述，科學家雖已對湍流（問題）花了不少功夫，但 距最終揭示這個問題的謎底和準確預測湍流還路途遙遠。這正是：物 含妙理總堪尋，自然探謎無已時。