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灵动画卷里的流动现象

已有 4221 次阅读 2016-11-3 11:49 |个人分类:漫话科学小知识|系统分类:科普集锦


贵州的冬天既寒冷又潮湿,某一年的冬天,我与朋友坐在一辆行驶在贵州黔东南山间公路的汽车上,我坐在靠窗的位置,眺望远处的风景,忽然,我看到在崇山峻岭间漂浮着一圈白纱般如雾似云的雾,那一座座因为寒冷而阴郁的天气变得黯淡的山峦就在一瞬间又展现出另一种说不出的美,我瞬间被这种美景给吸引了,连忙使劲摇了摇坐在身边、已经昏昏睡去的朋友,他的美梦显然被我给惊醒了,表情无奈地抬抬眼皮,算是对我的回应,接着又沉沉睡去。我一边叹息没有人和我分享这般美景,一边扭头望向窗外,只见那轻纱一样的白雾随风轻舞,缓慢地在山峦间上下起伏,在那一刻,我真的有一种冲动,想要用手中的相机拍下眼前的美景,可是转念一想,即使是再高级的相机,恐怕也只能将此等美景定格在某一瞬间,却是无法拍出白雾曼妙灵动的感觉来的。

古人很早就曾对这种现象有过观察,唐代大诗人张九龄曾在诗中写道:

万丈红泉落,

迢迢半紫氛。

奔流下杂树,

洒落出重云。

日照虹霓似,

天清风雨闻。

灵山多秀色,

空山共氤氲。

你瞧,这“氤氲”二字,就展现了水汽和烟云融成一片弥漫流动的样子。这幅美景不正和我在山间公路上所看到的场景有异曲同工之妙么?只是诗人张九龄看到的是烟云和水汽,而我所看到的是在山间随风起舞的白雾。

你可知道,氤氲弥漫、白雾缭绕……这些美景的背后却有一双魔法的手,让我们看到了一种灵动轻盈的自然风光,那就是流动的空气。

最常见的流体,比如空气或水,都是无色透明的,若要观察它们流动的状态,那是不容易的,倘若在里面加入一些视觉感官明显的示踪材料,比如烟雾或颜料,在散射光的作用下,可以模拟出空气和水的流动,使这种流动可视化,这种方法就叫做流动显示,值得一提的是,实现流动显示需要满足三个要素,首先必须是流动的介质,其次在流体中还需要加入能够体现流动状态的材料,我们称为“示踪材料”,示踪材料的密度要与流体介质的密度相近,在流体中不可上浮或下沉,另外,还需要有散射光的作用,这样可视性更强,观测到的现象也就会更加明显了。

早在15世纪文艺复兴时期,达芬奇就曾在观察中发现,流体在常态下是稳定的,当流体的速度达到一定大小时,稳定状态就受到破坏,形成由一个个涡旋组成的湍流。在这里,我们就不得不提到有过科学家奥本·雷诺著名的圆管湍流实验”。实验的装置看似非常简单:在一个水箱的地步安装了一个喇叭形进口的玻璃管,在玻璃管的另一侧则用一个阀门来调节水的流量,再将一个装有颜料的小瓶放在水箱的上方,并用一根细管连接注入喇叭形口的玻璃管中。这样,当水流经过玻璃管时,彩色液体也会被送到玻璃管中。于是,有趣的现象发生了。雷诺发现,当玻璃管的水流速度不大时,彩色的液体并不与水混合。但是当水流速度增大到某个临界值时,这条彩色的细流就会抖动、弯曲,最后与水完全混合在一起。这说明,玻璃管内的水的质点在沿着管道向前运动的同时,各个质点也在进行着不规则的运动,它们彼此碰撞、相互混合,质点速度的大小和方向也在随时发生变化,这种现象就是湍流。雷诺在这个实验里发现了湍流这一基本形态,直到今天,当科学家们研究湍流时,最先想到的仍然是这一经典实验。

实际上,对于流动显示的研究,是早于流体力学研究的,因为人们最初是在流体流动的过程中观察到流动显示现象,不同的是,在科学家的眼中,看到的是流体运动的规律,而在诗人和画家的笔下,流动显示是一幅幅美轮美奂的画卷,这艺术和科学,恰似硬币的两面,相互补充,共同组成了人类文明的精神宝库。




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