大自然中的“卡門渦街”
你聽說過“卡門渦街”現(xiàn)象嗎？當(dāng)水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪、電線、島嶼時(shí)就可能會(huì)形成卡門渦街，它是一連串交替分布的美麗漩渦，是大自然的杰作?？ㄩT渦街是流體力學(xué)中的現(xiàn)象，得名于著名力學(xué)家馮?卡門。
1911年，物理學(xué)家路德維希?普朗特讓一位攻讀博士學(xué)位的研究生哈依門茲設(shè)計(jì)一個(gè)流水槽，以便觀察流水經(jīng)過一個(gè)圓柱體時(shí)的邊界層，并測(cè)量圓柱體表面不同點(diǎn)的壓力。哈依門茲做好水槽后卻發(fā)現(xiàn)水槽中的水流不斷地發(fā)生劇烈振動(dòng)，幾次嘗試后仍不見改善。
哈依門茲在水槽實(shí)驗(yàn)中遭遇的難題引起了馮?卡門的注意，他想，也許振動(dòng)并非偶然，而是由內(nèi)在原因決定的，于是便嘗試從理論上進(jìn)行思考，研究漩渦的排列規(guī)律。起初馮?卡門設(shè)想圓柱體后的水流形成兩道對(duì)稱排列但方向相反的漩渦，然而這種狀態(tài)并不能維持，很快就不穩(wěn)定了。于是他又假設(shè)兩道漩渦交錯(cuò)排列，計(jì)算結(jié)果表明這種狀態(tài)能夠維持。在經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)后，馮?卡門發(fā)表了相關(guān)論文，他關(guān)于卡門渦街的理論也被后來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
卡門渦街不僅會(huì)在圓柱體后出現(xiàn)，也可能會(huì)在其他形狀的物體后形成，如可在高層大樓、電視發(fā)射塔、煙囪等建筑物后形成，這些建筑物受風(fēng)作用而引起的振動(dòng)倒塌往往也可能與卡門渦街有關(guān)。所以，在設(shè)計(jì)高層建筑物時(shí)，往往會(huì)進(jìn)行計(jì)算和風(fēng)洞模型測(cè)試，以避免因卡門渦街導(dǎo)致建筑物被破壞。
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