卡门涡街

Posted 2022-12-29 卡门

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卡门涡街

钱学森是我国无人不知无人不晓的科学家、工程师，而天才的学生往往也不会缺少天才的老师，钱学森的导师就是大名鼎鼎的「 ”超声速时代之父”——冯·卡门。钱学森（中）与冯卡门（右）关于冯·卡门的故事有很多，以他的名字命名的理论、发明、现象也很多，比如说「 ”冯卡门曲线”、「 ”卡门旋成体”、「 ”卡门-钱学森公式”等等，而我们今天要说的，是生活中经常可见的一个现象：「 ”卡门涡街”。这是一次试验中的偶然发现冯·卡门曾经在德国哥廷根大学任助教的时候，监督学生做了一个很简单的试验：一个流水槽里面放了一个圆柱体，然后让流动的水流流过这个圆柱体。试验很假单，但是做试验的时候发现了很大的问题：水流流过圆柱体的时候，圆柱体居然不安分地振动了起来。冯·卡门的老师——更鼎鼎大名的「 ”现代流体力学之父”普朗特对此不以为意，觉得是圆柱体做的不圆，但是冯·卡门却不这么想，他认为是这是流体的流动发生了问题，而不是试验设备产生的误差。冯·卡门认为是水的流动让圆柱体振动了起来冯·卡门发现，水流在经过圆柱体的时候，如果速度足够快，就会导致圆柱后水流的流动方向不再是垂直向后，而是会神奇地「 ”摆动”起来，一边带动圆柱体振动，一边在圆柱体后面留下来一个个的漩涡。在细致地研究之后，冯·卡门于是从这一现象中总结出来流体不稳定流动性，并且将其命名为卡门涡街，还以此为内容写出了他的第一篇论文。从此「 ”卡门涡街”这个名字成了空气动力学中最为经典的一个概念。流体是一种运动很不稳定的物质相比较于流体，固体真的是一种运动、变化很简单的物质形态。当我们对固体施加力的时候，固体的形状大体不变。比如说你对一个立方体是施加一个力，这个立方体可能会变长长方体，可能会歪一点儿，但是这个立方体不会变的千疮百孔、七扭八歪。同时，固体在外力作用下形状的变化一般来说是「 ”线性”的，随着外力变大，固体的变形也等比例地变大。当我们撤去这个力的时候，物体的形状也往往能够恢复。固体的变形、运动很简单而流体就大不一样了。首先流体就没有稳定的形状，随着外力的变化，流体外部形状就是歪七扭八，而且不仅仅是外部形状，内部的结构更加是像赶集一样热闹，流体的不同部分之间相互摩擦、碰撞、剪切、分离、混合……跟齐齐整整的固体相比，流体的运动规律真的是让科学家伤透了脑筋。流体的运动让人捉摸不透而卡门涡街这个现象出现的原因，就是跟流体的不稳定性有关。显示出了跟固体完全不一样的性质。大自然里到处都是卡门涡街不要以为卡门涡街只是试验室里面的东西，实际上大自然到处都有「 ”卡门涡街”。比如说当我们从太空中看云层的时候，就经常会发现风吹过巍峨高耸的山峰后，会在下游的云层中形成一个个的漩涡——而这些美丽的漩涡就是卡门涡街。大气云层中的卡门涡街再比如说，鱼在水中游动的时候，就是利用这种周期脱落的「 ”涡”，从而获得向前的动力——而这种现象就叫做「 ”反卡门涡街”。飞鱼在身后的水面上甩下一串旋涡卡门涡街造成的毁灭性灾难卡门涡街很美，但是如果你只是觉得它美、不重视它可能带来的灾难，那么迟早是要受到来自科学之神的惩罚。比如说著名的「 ”塔科马海峡吊桥崩塌事故”中，工程师没有想到风在吹过桥面的时候会产生卡门涡街现象，而就好像最开始冯·卡门观察到水流流过圆柱体会让圆柱体振动的现象类似，卡门涡街会对桥面产生一个反复的、周期性的外力作用。而当这个外力作用的频率达到某一个值的时候，大桥的振动会越来越大——这就是我们所说的「 ”共振”现象，于是水泥、钢铁制成的大桥居然像面条一样抖动起来，最终彻底崩溃。塔科马海峡吊桥崩塌事故塔科马海峡吊桥崩塌事故的原因从此，任何建筑物在设计之初就要把建筑物模型放到风洞模型中吹一吹，保证神奇的卡门涡街不会再次让这些建筑物崩塌。总结卡门涡街的出现本质上来源于流体的神奇性质，我们在水中、空气等流体中都会看到这种现象。而且，卡门涡街不仅仅是「 ”美”，更重要的是，这是一种自然科学中客观存在的现象，如果你尊重它、并且运用得当，那么就会如虎添翼，如果你不知道这种现象的可怕，那么很有可能无意之中就会让自己的作品毁于一旦。