牛顿桶新探——有关流体运动的新发现

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牛顿桶新探——有关流体运动的新发现

查字典物理网 2016-03-15

在一个盛满水的圆桶中，快速旋转水下的一个圆盘将会发生什么？根据丹麦物理学家的最新报告，你可能会在水的表面制造出一个六角形的漩涡。这种对“不稳定性”的新发现，有助于对许多复杂系统的研究，包括全球范围内的旋转流动，工业中的液压机械，漩涡和龙卷风等等。

旋转流动是经典流体力学中的重要课题，它可以产生很多令人感兴趣的非稳结构，如漩涡。在旋转的地球上，大气和海洋中的这种流动总是会引起地球物理学家的研究兴趣，在水轮机械中也会产生这样的流动。在实验中，旋转容器产生漩涡也是科学家们研究象龙卷风之类的自然现象的一种手段。

这个实验装置相当简单地用了一个“牛顿桶”。TomasBohr与来自丹麦理工大学和尼尔斯·玻尔学院的合作者一起完成了这个实验。与以前的牛顿桶有所不同的是，这次桶壁固定，旋转的是桶中的一个圆盘。桶用树脂玻璃制成，在底部有一个可以转动的圆盘，圆盘用马达驱动。在容器中充入一定高度的水后，令圆盘转动。当旋转速率足够大的时候，在液面上出现了一个六角形的漩涡。其后研究人员们用粘度为水15倍的乙二醇来代替水，重复这一实验，得到了三角形、四边形的漩涡，其中一些时候还出现了星形的漩涡。（图为方形漩涡）

丹麦人说，这些自然形成的打破轴向对称的多边形系统，将有助于简化硬质和固定旋转体的外形。目前人们所知的非轴对称流有Couette-Taylor系统中的波动涡流和经典的KelvinHelmholtzRayleigh剪刀。目前科学家们还没有搞明白这些多边形是如何形成的，他们计划用不同直径的圆桶和更粘稠的液体来重复这个实验。他们认为变换参数可以令他们得到关于这些结构成因的有价值的信息。

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