曾令達·芬奇驚奇不已的現(xiàn)象,終于得到了解釋?
來源:科研圈
當(dāng)水流落到水池底部,可以看到水柱周圍形成一個薄薄的“圓盤”,圓盤邊緣水位陡然上升。早在五百多年前,達·芬奇就已經(jīng)注意到了這一現(xiàn)象,但是我們今天才了解它的成因。
達·芬奇思考的問題
每當(dāng)達·芬奇不在畫他的藝術(shù)杰作,或者不在思考如何制作將人類送到天上的機器時,他就會來到戶外,面對流水中的漩渦陷入沉思。
讓這位文藝復(fù)興大師困惑的問題也困擾著無數(shù)的科學(xué)家。五百年后的今天,我們?nèi)匀辉诳嗫嗨妓饕环N叫做水躍(hydraulic jump)的現(xiàn)象。
達·芬奇手稿中對水流的研究。| 圖片來源:The Royal Collection @2004,Her Majesty Queen Elizabeth II
水躍現(xiàn)象隨處可見,我們可能會誤以為人們已經(jīng)完全理解了它是如何形成的。當(dāng)我們打開水龍頭,觀察水池底部的水的流動,會看到水在水注周圍形成一層薄薄的水膜,在邊緣處水膜則陡然上升,堆積成一個環(huán)形的“臺階”。
同一介質(zhì)中,兩列傳播方向相反,而振幅、頻率相同的波(藍色與紅色)相遇時,形成駐波(黑色)。其結(jié)果是在一系列固定的位置產(chǎn)生波腹(振動加強點)和波節(jié)(即振動減弱點)。一列波與自身的反射波很容易形成駐波。與行波不同,駐波的波形無法前進,因而也無法傳播能量。| 圖片來源:Wikipedia
這種停駐的沖擊波也出現(xiàn)在堰、瀑布的底部、潮涌等等……幾乎任何不同速度的流體相遇的地方。
(1)向垂直平面發(fā)射水注(2)向水平面上發(fā)射水注(3)從水平面的下方向上發(fā)射水注。不同方向的平面上以相同的速率發(fā)射同樣的水注,水躍現(xiàn)象形成的環(huán)形半徑相同。| 圖片來源:DOI: 10.1017/jfm.2018.558
因為粘性力產(chǎn)生的表面能沿著徑向傳輸,這意味著水流難以提供足夠的動能保持迅速流動,形成薄層的水膜,而是很快就慢下來,在邊緣堆積形成陡峭的環(huán)形“臺階”,也就是所謂的環(huán)形水躍現(xiàn)象。對于潮汐等平面水躍現(xiàn)象,他們提出的理論同樣適用。
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