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大自然中的“卡門渦街”

2019年03月14日   文章來源:科技日報   

  你聽說過“卡門渦街”現(xiàn)象嗎?當水流過橋墩,風吹過高塔、煙囪、電線、島嶼時就可能會形成卡門渦街,它是一連串交替分布的美麗漩渦,是大自然的杰作??ㄩT渦街是流體力學中的現(xiàn)象,得名于著名力學家馮?卡門。

   

  1911年,物理學家路德維希?普朗特讓一位攻讀博士學位的研究生哈依門茲設計一個流水槽,以便觀察流水經(jīng)過一個圓柱體時的邊界層,并測量圓柱體表面不同點的壓力。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,幾次嘗試后仍不見改善。

  哈依門茲在水槽實驗中遭遇的難題引起了馮?卡門的注意,他想,也許振動并非偶然,而是由內(nèi)在原因決定的,于是便嘗試從理論上進行思考,研究漩渦的排列規(guī)律。起初馮?卡門設想圓柱體后的水流形成兩道對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。于是他又假設兩道漩渦交錯排列,計算結果表明這種狀態(tài)能夠維持。在經(jīng)過了大量的實驗后,馮?卡門發(fā)表了相關論文,他關于卡門渦街的理論也被后來的實驗證實。

  卡門渦街不僅會在圓柱體后出現(xiàn),也可能會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,這些建筑物受風作用而引起的振動倒塌往往也可能與卡門渦街有關。所以,在設計高層建筑物時,往往會進行計算和風洞模型測試,以避免因卡門渦街導致建筑物被破壞。

  本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創(chuàng),轉載時務請注明出處。

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