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大自然中的“卡門(mén)渦街”

2019年03月14日   文章來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)   

  你聽(tīng)說(shuō)過(guò)“卡門(mén)渦街”現(xiàn)象嗎?當(dāng)水流過(guò)橋墩,風(fēng)吹過(guò)高塔、煙囪、電線、島嶼時(shí)就可能會(huì)形成卡門(mén)渦街,它是一連串交替分布的美麗漩渦,是大自然的杰作??ㄩT(mén)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(mén)。

   

  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(mén)茲設(shè)計(jì)一個(gè)流水槽,以便觀察流水經(jīng)過(guò)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(mén)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(jiàn)改善。

  哈依門(mén)茲在水槽實(shí)驗(yàn)中遭遇的難題引起了馮?卡門(mén)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(mén)設(shè)想圓柱體后的水流形成兩道對(duì)稱(chēng)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(guò)了大量的實(shí)驗(yàn)后,馮?卡門(mén)發(fā)表了相關(guān)論文,他關(guān)于卡門(mén)渦街的理論也被后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

  卡門(mén)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(mén)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(mén)渦街導(dǎo)致建筑物被破壞。

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