原創 超模君 超級數學建模 1月2日

 鄭重聲明

本期沒加特效

沒見過沒關系，接下來不要看傻了就行。

2012年，為捷克電視節目《自然奇觀》（Zázrakyp?írody）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，仍然是游刃有余。

最后，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KONGQIPAO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 高清無碼的動圖里，都出現了一個 若隱若現的煙霧環圈圈！

是的，你沒有看錯！之所以這炮打得這么猛，都是因為這流體力學的 渦流在搞怪！

什么是渦環

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，那么這個環就會變得越穩定

為了更方便讓大家理解渦環里面的角向轉動，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持久性。

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。這也解釋了為什么煙圈停止吹散后，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，他用表達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，并嘗試一步步展開深入的研究。

直至如今，出現了很多關于渦環的有趣研究。其中最著名的，莫過于 兩個渦環的相撞實驗。 

用被動標記可視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： 沿碰撞平面徑向擴展后形成小環。

為了揭開神秘的面紗，實驗員通過收集這些可視化數據進行判斷。

他們發現，當渦環發生碰撞時，外圈先開始分解并形成小結點。在這些結點里，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，至于分解的時候為什么只旋轉了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，渦流的奇妙并不僅僅在于其自身神秘的獨特性，更多原因而是在于， 它是 自然界普遍存在的令人驚嘆的奇跡。

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。

它們熱衷于與之嬉戲、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，在很長一段時間里，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可視化處理。

通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。  

圖片來源于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。  

 

他的喜悅都在這炮里了  

就連氫彈和原ZIDAN爆炸形成的蘑菇云，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，直接導致沖擊波的形成。

而這突然產生的低密度大體積氣體，又將演變為蘑菇云，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，由于重力加速度的作用，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

寫在最后

如果這世界上沒有數學家

人類將會變成怎么樣？

如果沒有了牛頓

就沒有近代科學及文明

如果沒有歐拉

就沒有統一的數學符號

如果沒有馮諾依曼

就更沒有現代計算機