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木星上的大红斑
热度 5 zhongwei2284 2016-4-10 15:41
第一节：木星上的大红斑 木星大红斑是木星上一个有趣的现象。巨大的大红斑是一个长约 25000-40000 千米，上下跨度 12000-14000 千米的巨大的风暴气旋，比地球上的台风的气旋壮观许多，能够卷起高达八千米的云塔。 Fig.1 木星大红斑 这个大红斑存在了很长时间，据推测其可能存活几百年甚至更长的时间。研究显示，大红斑内部的温度比木星上面的其他地方的气体云的温度更加低。由于这个有趣而又壮观的现象，人们对它进行了长达三百多年的观察和研究，最早的观察始于 Robert Hooke （ 1664 年 5 月），而近几十年，由于更加先进的航空航天技术和各种成像和分析手段，我们对木星大红斑进行了更多的深入的观测和研究，近几年的发展可见附录的一些相关新闻。 当然，木星大红斑之所以吸引许多人，不只是因为有趣，更因为这种自然现象的出现对于我们更好的了解大气中的一些涡旋以及从理论上进一步了解球面上的流体运动具有很大的帮助。可以认为，木星大红斑为我们提供了一个天然的实验室，通过更先进的观测手段，我们可以积累更多的有用的关于大红斑形成的数据，从而了解更多关于它的神秘以及球面上流体的运动规律。 第二节：大红斑与流体力学 木星大红斑为我们提供了一个更加好的了解木星以及气态星球上面可能产生的壮观的现象，为我们的理论和实验提供了数据上的帮助。同时，理论以及数值模拟为我们更好的了解它也提供了巨大的帮助。 由于和星球本身的尺寸相比，云层的厚度始终算是比较小的数量级，因而，理论上把木星大红斑当作一个很好地二维球面上的流体运动的例子。通过二维的球面上的流体涡旋运动的模拟，可以得到许多有用的知识来帮助我们理解大红斑的各个方面。 Marcus 在 1988 年通过数值模拟的方法得到了木星的大红斑，模拟的结果是让我们印象深刻的，当然，这也为理论的改进提出了新的要求。关于球面上的流体运动，在计算机技术还不成熟之前，发展比较缓慢，知道的并不是很多，而且实验设备的更新为我们提供了更多的关于球面上的流体运动的例子。近些年，关于肥皂膜上的湍流 以及球面上毛细波的湍流 的实验研究的进展，使我们能够在实验室中看到许多有趣的事情。当然，我们在理论计算的时候，往往把球面的这种流体运动当作二维的运动来对待，实际上正如之前的博文“ 二维湍流之肥皂膜上的小世界 ” 中提到的，事实上球面上的湍流以及涡旋运动是准二维的，第三维度依然很重要。但是，二维的流体理论能够在数值模拟上面给与极大的简化，并且依然能够给我们提供许多有用的信息，因而我们希望通过二维球面上的计算模拟以及实验，来理解这种球面上的流体运动。 Fig.2 Marcus 关于木星大红斑的数值模拟 当流体不考虑粘性的时候，流体运动的 Navier-Stokes 方程可以简化为欧拉方程， Miller 等 利用欧拉方程进行了一些列分析，并用其探讨了木星大红斑的性质。由于欧拉方程创造了一个无耗散的哈密顿系统，因而，球面上的涡旋运动的长时间的演化过程只是将涡旋场进行了重新的分布，即产生越来越小尺度的涡旋结构，但是却不会改变整体的动能以及角动量总和，且不会改变无穷多个的涡的动量族（ ， ω 为涡量 ） 。由于球面上涡的演化可以用点涡、涡斑（如之前的 Marcus 的模拟）以及其他初始涡旋分布来进行模拟，而计算时间的限制，使初始分布的长时间的演化的模拟成为了一个非常棘手的问题。木星上的大红斑可以认为就是涡旋长时间不断重新分布的结果。 以前的统计理论显示，长时间的涡旋场的演化最终将使涡量分布达到一个定态的大尺度分布。近几年， Dritschel 等 利用两种不同的方法进行模拟，发现了长时间的演化结果中可能出现不稳定的态：即是一个四极子涡旋场，且周围环绕了许多小尺度的涡旋。但是依然需要更多的理论对其进行解释。 Fig.3 二维的涡旋分布的一种长时间演化的结果 第三节：大红斑在肥皂膜上？ 为了研究球面上的涡旋运动， Seychelles 等在一个半球形的肥皂泡的赤道上进行加热，慢慢的，球面上的涡旋开始出现热对流运动，然后，一个孤立的巨大的涡旋出现了，并保持着一定的稳定性，其结构与自然界中的飓风相似，而木星上的大红斑也与此结构有一定的相似性。 Fig.4 单个巨大涡旋的产生和发展 这个实验在肥皂膜上制造出了与木星大红斑的相似的结果，虽然尺度差距很大，但是，从某些方面，这些结果也反映了球面上的二维涡旋运动的不同结果的影响因素。 当然，此时依然缺乏一个好的理论来描述得到的相关的结果。 第四节：结论 尽管木星大红斑只是一个天文观测的现象，但是它为我们了解大气的内部变化以及气态星球上的一些物理环境提供了不小的帮助。通过实验与计算机模拟的发展，新的关于球面上的涡旋的运动以及演化的理论需要更多的研究工作。另外，为了得到更好的结果，需要重新审视关于球面上的流体运动的物理条件以及三维效应带来的影响。 参考文献： https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Red_Spot P. S. Marcus, “ Numerical simulation of Jupter’s Great Red Spot.” Nature, 331, 693 (1988). 见之前的博文 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=739225do=blogid=895667 R. Glynn Holt and E. H. Trinh, “FaradayWave Turbulence on a Spherical Liquid Shell”, Phys. Rev. Lett. 77, 1274 (1996). J. Miller, P. B. Weichman, and M. C.Cross,“Statistical mechanics,Euler’s equation, and Jupter’s Red Spot.” Phys.Rev. A, 45, 2328 (1992). P. K. Newton, “The fate of randominitial vorticity distributions for two-dimensional Euler equations on asphere.” J. Fluid Mech., 786, 1(2016) doi:10.1017/jfm.2015.607. D. G. Dritschel, W. M. Qi and J. B.Marston,“On the late time behaviour of a bounded, inviscid two-dimensionalflow”, J. Fluid Mech., 783, 1(2015). F. Seychelles et al. , ”Thermal Convection and Emergence of Isolated Vortices inSoap Bubbles” Phys.Rev.Lett. 100, 144501(2008) 附录：科学网关于木星大红斑的研究进展的新闻摘录 1. 观察发现：木星第三大红斑被两个兄弟红斑撕碎（ 2008 年 7 月 11 日） 地址： http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2008/7/208987.html 2. 最新木星大红斑热成像图显示其内部惊人变化（ 2010 年 3 月 9 日） 地址： http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2010/3/229703.shtm 3.NASA 首次解密木星大红斑风暴构造（ 2011 年 9 月 12 日） 地址： http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/9/252320.shtm?id=252320 、 4. 美国科研组发现木星大红斑神秘能量源（ 2013 年 11 月 19 日） 地址： http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/11/285245.shtm 5.NASA 发布木星高清录像：大红斑正缩小（ 2015 年 11 月 1 日） 地址： http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/11/330773.shtm?id=330773 6. 宇宙射线或赋予木星大红斑颜色（ 2016 年 3 月 29 日） 地址： http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/201632914545872739084.shtm
个人分类: 那些贝壳们|4837 次阅读|17 个评论
二维湍流之肥皂膜上的小世界（笔记）
热度 10 zhongwei2284 2015-6-5 10:38
第一章：肥皂膜与 2D 湍流 1 、肥皂泡与肥皂膜 小时候，吹泡泡是经常玩耍的一个游戏，我们总是喜欢吹出一个泡泡然后追逐不舍，阳光下肥皂泡总是显现出动人的舞姿，绚丽的色彩还有丰富的变化。当颜色变淡，一声轻轻的撕裂声，泡泡破了，这是一种多么怀念的感觉呢！ 当仔细观察吹出来的肥皂泡的时候会发现，肥皂泡由于自身的特别的构造和成分，色彩斑斓，但是随着时间的推移，泡泡上面的小世界在发生着惊人的变化，颜色开始混杂，仿佛风气云涌，然后变化越来越快，直到最后，在空气中的泡泡看上去只剩下了一个可怜的骨架，随之而来的便是破裂时最后的声响。 （ a ） （ b ） （ c ） Fig.1(a) 一个空中飞舞的肥皂泡 ;(b) 一个人肥皂泡的破裂 ;(c) 泡泡表演 . （图片来自网络） 对于肥皂膜的研究和探索这已经进行了数百年，因为它美丽动人，更因为它蕴含哲理，肥皂泡被用来做了一系列很有意思的研究和演示，《 The Science of Soap Films and Soap Bubbles 》一书中介绍了许多漂亮的例子，看看这书实在美不胜收，再自己动手做做会更加感觉到它的美。就连魔术师也经常喜欢用肥皂泡泡表演一出出动人的魔术呢！ 下面的 Fig.2 是肥皂泡上面的肥皂膜的骨架。仅仅只有几微米厚的肥皂膜竟然能够有那么丰富多彩的变化真的是一件很了不起的事情！或许我们该多关心关系那些我们生活中常见的家伙们，也许就是习惯让我们把它们忘记了，但是往往它们身上就蕴藏着大自然赋予的深刻的奥秘。 Fig.2 肥皂膜以及肥皂泡的骨架（来自 M.Rutgers 制作的 ppt ） 2 、二维湍流 流体力学中，一直有一个诱人却让无数爱它的人头疼的课题，那就是湍流问题，数百年来，人们在观察和实践中看到了许许多多湍流现象。当流体从层流过渡到湍流的时候，流体的性质发生了巨大的变化，看上去貌似已经不可捉摸，然而，科学的目的就是为了了解未知的事物并发现其中蕴含的规律，这是科学家们的无止境的追求。在湍流研究的道路上曾经闪耀着无数人的名字： G.I.Tylor 、 A.N.Kolmogorov 、 G.K.Batchelor 、 R.Kraichnan 、 P.G.Saffman 、 F.Frisch ······其中 Kolmogorov 得到的著名的关于能谱的-5/3 定律，这个无疑是湍流史上最重要的成就之一。 当然，关于湍流至今我们也没有完全了解它，朗道也曾经提出过一个湍流模型可惜后面被证明是错误的。由于二维湍流相对于三维湍流而言简单的多，因此，关于二维湍流的理论早就有了， Kraichnan 以及 Batchelor 等等都在这里做了非常多非常优秀的开创性工作。例如预言了动能能谱的 k -3 规律以及拟能 能谱的 k -1 的规律。 2D 与 3D 湍流的基本区别在于三维的涡量可以因涡的拉伸而增强但是二维湍流的涡量只能耗散。因此在二维湍流中涡量和拟能都像能量 E 一样近似是一个守恒量。在三维湍流的 cascade （级串）图像中，当粘性不起作用可以忽略的时候，动能是从大的尺度转移到小的尺度的， 而二维的湍流中则预言有一个直接的传到小尺度的拟能级串以及传递到更大的尺度的能量逆级串！当然对于衰减的二维湍流，逆级串是不存在的 。 3 、肥皂膜与二维湍流 早期，Y· Couder 以及M.Gharib 等用一系列实验测量了肥皂泡的性质，主要是肥皂膜上面的卡门涡街以及涡的相互作用的实验，这给后面的研究提供了很大的帮助。而二维湍流之所以让人着迷是因为相比于三维湍流而言，二维湍流简单的多，并且有可能运用到一些几何物理问题中。 (a) (b) Fig.3Y.Couder （左）以及 M.Gharib （右） 的实验的示意图 对于发现肥皂膜可以用来研究二维的湍流，这个是一个惊喜。因为虽然二维湍流的理论已经有了很多年，后面还有了一些计算机的模拟结果，但是一直在实验上没有找到一个合适的平台研究二维湍流，虽然相比于地球地，球表面表面的海洋中充满了许多准二维的湍流的例子，但是做为实验研究这显然并不合适，因此理论的验证工作也就停滞不前。当发现肥皂膜是一个很好的湍流研究系统的时候，小小的肥皂膜变成了实验室的宠儿，对二维或者严格的说是准二维湍流的实验研究就取得了很大的进展并且发现了许多有用的结果。 第二章：肥皂膜上湍流的产生 1 、实验平台 虽然吹的泡泡在空中飘荡的时候，由于重力之类的作用，肥皂膜上也会产生湍流，但是这并不能给我们的实验需要提供太多的帮助，空中飘的肥皂膜随时可能破裂，而且它在运动不利于测量，我们几乎很难对它进行控制，更难以进行分析了，因此实验室中用的是制作出来的肥皂膜。如下图是实验平台 Fig.4 肥皂膜的实验平台 该平台做出来的肥皂膜有以下几个好处：存在的时间长，尺寸可以随便设定，可以控制肥皂膜上流体的速度以及厚度并且能够保证厚度比较均匀，还能够迅速的重新做一个新的膜。总结一句话就是这个平台做出来的肥皂膜均匀易于控制和测量，因此这符合我们实验中的需要。再加上激光测速仪以及粒子镜像测速仪等仪器，就构成了整个实验平台的主体。有时候为了考虑尽量减少空气阻力的影响，会将实验平台放进真空室内。仿佛万事俱备，只差测量了！ 2 、湍流的“制备” 虽然有了实验平台，但是接下来还有一个很重要的问题需要解决，就是在这个肥皂膜上面制造湍流。 对于湍流而言，细分之后会发现，里面充满了各种涡的融合（ merger ）、分离以及能量的输运过程。要想在这个小小的平台上面制作出湍流来该怎么做呢？ 之前有提到过 Y.Couder 他们的关于肥皂膜的研究工作。他们在肥皂膜上面研究了卡门涡街以及各种涡的相互作用。这给现在这个实验提供了很大的额启发和鼓舞。设想如果在肥皂膜的一端放置数十个小球体或者圆柱让肥皂膜上的流体经过后在后面产生卡门涡街，那么会是一副怎样的场景呢？无数的涡旋的相互作用最终是否导致了湍流？ Fig.5 展示了它的结果： Fig.5 肥皂膜上湍流的产生 第三章：实验结果 1 、肥皂膜厚度与涡量之间的强关联与二维压缩效应 下面我们看下实验测量的结果： （a） （ b ） Fig.6 上图中 a 、 b 都是实验测量的结果。其中左上的是速度场、右上的是涡量场、左下的是流线、右下的是厚度场。对于厚度场而言颜色越深的地方越薄。 从上面的结果中我们可以粗略的看出来，涡量与厚度之间具有强的关联性：涡量大的地方肥皂膜越薄！由于内部的损耗和空气阻力，该湍流是衰减的（ decaying ）！ 中的数值模拟很好的描绘了衰减的2D湍流。为了与理论进行比较以及计算出压缩效应的重要程度，我们取了不同位置的图进行了系宗平均，从而来得到能量E=v 2 ,拟能 Ω = ω 2 ,divergence的平方的平均为 ，以及厚度的相对标准差为 。结果如图3所示，其中是依赖于时间t（t=d/v m ），仿照 中的办法用归一化的涡量的方均根ω0作为参考值.E、 Ω 、D都经过了归一化。E的误差为1-2%， Ω 、D的误差均为5%左右，而与厚度关联的误差不到5%。 Fig.7 图的说明如上图下方所示 二维压缩效应由D/ Ω 的值大体表示，范围大约是0.1-0.2，我们可以看到压缩效应此时应该是不能够被忽略的。压缩效应在下游并不会耗散的厉害，但是D以及拟能都会很快的衰减。减小的最慢的当属E了， 都表明E比拟能衰减的更慢，但是所得到的数据却没办法进行一个定量的比较。 所得到的数据可以用来测量 Taylor-microscale Reynolds number ，其中 Taylor-microscale λ= （ E/ Ω ） 1/2 ， ， ν =0.75px 2 /s 。 一开始涡量和厚度的关联据推测是因为每个 comb tooth 周围的流体被 shedding vortices （脱落涡）包围造成了涡旋中心薄边缘厚的结果。这种关联的持久性表明，被平流输送的涡量和厚度大体是相类似的 way 。用图像描述就是厚度也是被像一个标量那样 advected 。 δh/h一开始的增长是由于压缩效应导致的表面张力的作用。因此对于实验得到的结果的最简单的解释是： thickness is advectedlike a passive scalar but in a compressible medium so that a term like needs to be retainedin the hydrodynamics equation for the thickness field. 2 、两点结构函数（ thetwo-point structure functions ） 除了可压缩效应，肥皂膜系统还表现出了许多二维不可压缩湍流的特性：如图 5 中涡尺度的粗粒化（大涡与小涡！！）以及 Ω 比 E 衰减的更快。为了和 2D 不可压缩湍流的统计理论进行比较，我们计算了两点结构函数（ the two-pointstructure functions ）。选用 实空间的分析 因为我们的速度和涡量矢量的相关性如果用傅里叶分析在有限的 grid size 下面会出现问题（即： windowingeffect ！！ ） 对五十一张图的系宗平均的纵向的速度、涡量以及拟能流的二阶结构函数计算如下，结果在 Fig.8 中所示： Fig.8 second order structure function 计算结果与理论的比较 分析得到的最有意思的结果是 其中η是拟能的衰减率。这与三维湍流中4/5定率同类。从Fig.8中可以看到r近似一个常数，得到了η约等于6*10 5 s -3 。相应的耗散尺度 得到的 l d =0.2mm 与得到结果符合的很好！ 3 不同速度的两点的第三阶动量（ thirdmoment ） 我们普遍相信 Navier-Stokes 方程支配着牛顿流体中的湍流运动。然而，从 NS 方程只能得到少数 incompressibleisotropic and homogeneous turbulence 中的结论。其中最有名的一个是关于不同速度的两点之间的三阶动量。 Kolmogorov 得到了三维中的结果 其中 ， ν 为运动粘滞系数， ε 为整个系统的能流率，括号内的是系宗平均或者是时间的平均。当粘性不重要的时候（高雷诺数或者其他），就会得到著名的 4/5定律（注意与 Kolmogorov另一个关于能谱的-5/3定律区分！ ） ，这个定律与实验结果符合的很好！ 肥皂膜湍流系统中存在一些 decaying 2D turbulence 的特性，肥皂膜仅有几个微米厚，这比它自身的直径的尺度相比小的多。实验结果显示即便描述三维湍流的方程可以通过修正从而用来描述二维的湍流，但是不同项的平衡是不一样的：在二维中 forced 与 decaying 的 turbulence 的差别起到了重要的作用（一种竞争！）！最直接的效应就是 S3(r) 的变化，这与速度的关联函数有关，同时这也与能量被传输到更大的尺度联系起来。在三维耗散的湍流中 S3(r) 一直都是负的。但是在二维湍流中，实验结果表明第三阶动量 在很小的尺度的时候值很小而且是负的，但是在较大尺度的时候是正的！ δ v(r) 为径向速度差！结果如 Fig.9 所示： （ a ） （ b ） Fig.9 第三阶动量的实验结果（ a ）以及一个模型结果与实验结果的比较（ b ） Fig.9(a) 中的 S3(r) 出现了有正有负。通过一定的理论推导（用的均匀绝热湍流中的理论），得到该实验结果与理论得到的结果的趋势是一致的（ Fig.9 (b) ），但是公式推导过程中，由于以下几个问题没有搞清楚因此出现了不小的偏差： l 推导过程中有些近似不恰当，如偏微分直接用偏差之比； l 该湍流可能是不够均匀的或者大尺度的时候并非绝热的； l 此时可能还没达到完全湍流； l 即便厚度很小，肥皂膜依然不能被认为是二维不可压缩的； l 此时肥皂膜的可压缩性依赖于膜上产生的毛细波的相速度，这导致了膜厚度的变化。 第四章：未完的话题 对于肥皂膜以及相关的实验、理论方面的工作还有很多故事，例如木星大红斑的模拟 ！即便是肥皂膜上面的湍流，它的拟能的级串以及能量的逆级串，还有 intermittency 湍流的间歇现象，这里都未提及。相关的研究已经有了一定的累积。相信问题总会解决的，我们的认识总是会进一步深入的。 文中虽然提及了涡量与厚度的强大关联，还有可压缩性可能造成的影响，但是我们却并没有完全弄明白真相！可以随气压以及tilt角变化的空气阻力以及厚度的涨落对问题的影响仍然没有被系统的研究。在近似是高雷诺数的时候这些因素就需要更多的注意了！ 对于二维湍流中的三维效应，至少在现实的物理里面几乎是不能够避免的，但是很遗憾的是至今我们对它的了解也非常有限！肥皂膜厚度的涨落、海洋上的湍流涡动在大尺度上看都是非常好的二维系统但是对于小尺度而言，但细节更多的被放大之后，有些不能够被忽视的东西开始呈现并影响到最后的结果。貌似有点像量子力学与统计力学，尺度够大的时候，粒子表现出来的统计性质，当考虑到极少数的粒子的时候，统计力学又开始出现了些问题。终究还是与我们看待事物的眼光和角度有关吧！ 参考文献： R. Kraichnan, Phys. Fluids 10 ,1417 (1967). G. Batchelor, Phys. Fluids Suppl. II ,233 (1969). 流体中，拟能（ enstrophy ）是跟涡量的平方有关的量（类比于动能），而涡量又是速度求旋度。在量纲上涡旋拟能不具有能量的量纲，物理意义上，它是与能量的耗散率有关系。 A. Belmonte and W. I.Goldburg, Phys. Fluids, 11 ,1196(1999). Y. Couder, J. Phys. Lett. 45 , 353(1984). Y. Couder, J. M.Chomaz, and M. Rabaud, Physica (Amsterdam) 37D , 384 (1989). M.Gharib and P.Derango, Physica 37D ,406(1989). J. Chasnov,Phys. Fluids 9 , 171 (1997). M. Rivera, P.Vorobieff and R. E. Ecke, Phys. Rev. Lett. 81 , 1417,(1998). P. Vorobieff, M.Rivera and R. E. Ecke,Phys. Fluids ,11 , 2167 (1999); A. Belmonte et al.,Phys. Fluids, 11 ,1196(1999). F.Seychelles et al, Phys.Rev.Lett. 100, 144501 (2008) 注：有些没有标明的图片大多来自于 M.Rutgers 制作的 ppt 附录： 肥皂膜和肥皂泡的科学.pdf
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流体涡旋漫谈
热度 36 zdwang 2012-7-8 11:29
流体涡旋漫谈
流体 涡旋 漫谈 王振东 涡旋 （ vortex ） 是流体团的旋转运动 （见参考文献 ［ 1 ］的 495 页 ） 。近代力学的奠基人之一、德国力学家普朗特（ L . Prandtl ）的学生、空气动力学家屈西曼（ D . K üchemann ）曾经说过：“涡旋是流体运动的肌腱。”这句话 是 流体力学中的至理名言，深刻概括了涡旋在流体运动中的作用。普朗特的另一位学生、北 京 航 空航天大学 陆士嘉教授曾更进一步地指明“流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”这句话既道出了流体与固体的本质区别，又点明了流体运动中出现涡旋的原因。这里的“搓” ， 是指作用在流体上的剪切力。只要有物体（如飞行器、船舰、汽车、火车等）在流体中运动，紧贴在物面上的流体由于 黏 附在物面上，会被物体带着一起运动，而远处的流体却在静止中，这就产生了 对 流体 发生 “搓”的剪切力。 涡旋产生的原因很多，也十分复杂。近代流体力学己经证明， 只要在流体中有“涡量源”，就会产生涡 量 。 己证明如有下面几种情况，都会有“涡量源”出现： （ 1 ） 流体团所受到的力，可以分为体积力（如引力、惯性力、电磁力 、柯氏力 等）和表面力，表面力又可分解为垂直于流体团表面的法向力（即压力） ， 和与表面相切的切向力（即剪切力）。如果体积力不能表示为一个势函数的梯度，就 是 一个“涡量源” 。 （ 2 ）黏 性 流体 加上固体边界，会有“搓”流体的剪切力， 也 是一个“涡量源” 。 （ 3 ） 如果流体的状态方程中有两个以上独立的热力学变量（在流体力学中称作是斜压流动）， 又 是一个“涡量源”。 因为上述几种“涡量源”普遍存在 于 流体运动中，所以涡旋 运动 就成为流体运动中极普遍的运动形态。 我们可以从下面一些例子来了解存在于大自然中形形色色的流体涡旋。 涡 旋 星 系 宇宙空间的涡旋星 系 ，是 大自然中 尺度最大的涡旋 ，其尺度是“光年” 。 美囯科学院院士、 中国科学院外藉院士、美国麻省理工学院林家翘教授曾在涡旋星 系 研究方面，做出过开创性的贡献。 哈勃空间望远镜（ HubbleSpace Telescope ）是以天文学家哈勃为名，在环绕著地球的轨道 上工作的 望远镜，由美国宇航局和欧洲航天局共同管理。其位置在地球的大气层之上：影像不会受到大气湍流的扰动，视相度很高，又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线，所以获得了地基望远镜所没有的好处。 哈勃空间望远镜 自 1990 年发射之后，拍摄到了许多美妙的涡旋星 系 照片，让我们认识到在宇宙中还存在那么多姿多态的星系， 也 说明 了 涡旋状态是星系存在的常态之一。 猎犬座的涡旋星系 哈勃望远镜的3号宽视场照相机2010年12月17日拍摄到的涡旋星系 台 风 每年， 随着仲夏季节的到来，在 我国 气象预报的卫星云图上，经常可以看到由大团白云显示的反时针旋转的大尺度流体涡旋。 台风是诞生在热带海洋上 风速达到 3 2 . 7 米 / 秒以上的 大气涡旋 （ 见参考文献［ 7 ］ ） ，其半径可达数百公里。它在 世界上 不同地方有不同的称谓：发生在西北太平洋和南海上的，称为台风；在北大西洋、加勒比海、墨西哥湾以及东北太平洋上的，称为飓风；在印度洋和孟加拉湾上的，称为热带风暴；在澳大利亚，则称为热带气旋。 台风之所以受到人们的关注，是因为它具有很强的破坏力，是一种严重的气象灾害。美国 2005 年 8 月的卡特里娜（ Katrina ）飓风， 曾 造成 1330 人死亡，损失 960 亿美元。 这 些 尺度相当大的流体涡旋 ，我国 曾统称为台风，现在按气象部门的定义，当热带气旋中心附近的风力为 8 ～ 9 级时称为热带风暴， 10 ～ 11 级时称为强热带风暴， 12 级及以上 才 称为台风。在北半球，热带气旋是反时针方向旋转的强烈的涡旋，其形状如漏斗，下层周围的空气向中心流入并向上升，而上层空气则向四周流出，其半径可达数百公里。由于它对人类的生活、生产有极大的破坏力，所以气象部门已将每年发生的热带气旋编号并命名来进行观测和预报。 全球热带海洋上每年生成约80 ~ 100个气旋。其中约36%发生在西北太平洋和南 中国 海上，这里是全球生成台风最多的海区 之一 。南大西洋热带海区，因为南极流来的冷洋流降低了水温， 而 不易发生台风。有人统计了42年资料，西北太平洋上共发生台风（包括热带风暴）1178个，平均每年约28个。 台风具有很强的破坏力，是一种气象灾害；但 对于干旱地区而言 ， 台风 又可带来降水，以解除伏旱。 有时候，也能在电视台气象预报的卫星云图上，看到同时产生 的 两个 或多个 热带气旋。 龙卷风 龙卷风是一种风力极强而范围不太大的涡旋，状如漏斗，风速极快，破坏力很大 （见参考文献［ 5 ］） 。其中心的气压可以比周围气压低百分之十。 龙卷风 的 平均直径为200 ~ 300米，直径最小的不过几十米，只有极少数直径大的才达到1000米以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均每秒15米，最快的可达70米；移动路径的长度大多在10公里左右，短的只有几十米，长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度，一般有l ~ 2公里。 龙卷风上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向前移动。远远看去，它不仅很像吊在空中晃晃悠悠的一条巨蟒，而且很像一个摆动不停的大象鼻子。发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷” （或称 “ 海龙卷 ” ， waterspout ） ；出现在陆上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷” （ landspout ，美国国家气象局称 dust-tubetornado ） 。 世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美國，水龙卷通常发生在美国东南部海岸，尤其在 佛罗里达 南部和 墨西哥湾 。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一種，其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小，但是它们仍然是相当危险的。 龙卷风的生存时间一般只有几分钟，最长也不超过数小时。龙卷风经过的地方，常会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象，有时把人吸走，危害十分严重。 沙尘暴 沙尘暴(sandduststorm)是沙暴(sandstorm)和尘暴(duststorm) 两者兼有的总称，是指强风把地面大量沙尘物质吹起卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于1km的严重风沙天气现象 （见参考文献［ 4 ］） 。其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地层所形成的挟沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。 沙尘暴是我国西北地区和华北北部地区出现的强灾害性天气，可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人蓄伤亡，污染自然环境，破坏作物生长，给经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害。 海 啸 海啸在许多西方语言中称为“ tsunami ” ， 它 由 日语中“tsu”和“nami”两个词组成的，“tsu”的词意是海港，“nami”的词意是波浪。 此 词源自日文“津波”，即「港边的波浪」（津， 是 港口；波， 指 水流）。 国际科学大会 于 1963年 决定采用 这一词 汇来表示海啸 。 除北冰洋外，地球上的其他三大水域即太平洋、大西洋和印度洋，都多次发生过海啸，也都有重大灾难性海啸的记录。 海啸是 是一种具有强大破坏力的海浪 （见参考文献［ 8 ］） ，海啸的波速高达每小时700～ 9 00 km ， 用不了一天时间 就能横过大洋；波长达数百 千米 ，可以传播几千公里而能量损失很小；在茫茫大洋里波高不足一米，但当到达海岸浅水地带时，波长减短而波高急剧增高，可达数十米，形成有巨大能量的 破坏性 “水墙”。 由于 地震、海底 火 山 爆发或海底 崩塌 、以及 宇宙天体的影响 ，引发 地壳运动造成海底板块变形 、断裂 ， 板块之间出现滑移， 使 部分地层猛然出现 抬 升或下沉， 从而 造成从海底到海面的整个水 体 发生 了 剧烈“抖动” 。这种“抖动”与平常所见到的海浪大不一样。一般海浪只在海面附近起伏，涉及的深度不大，波动的振幅随水深衰减很快。地震 等原因 引 发 的海水“抖动”则是从海底到海面整个水体的波动，其所含的能量惊人 ，引发海水开始大规模的运动，形成海啸。 在海啸发生时，也会出现海水的大涡旋。 2011年3月11日在日本东北部名取，海啸引发的大涡旋 飞 机 飞机的升力、阻力都与涡旋密切有关。飞机飞行时，接近飞机的空气层在飞行产生的剪切力作用下，会搓出各式各样的涡旋。从下面的几个图，可以看出飞机飞行时产生的涡旋。 卡门涡街 美国宇航局 2009年5月 公布 了 所 评 选出的50年十佳地球卫星照片，排 在 十佳第一张的 照片 是 “陆地卫星7 号 ”2007年拍摄 的以下 这张图片 ， 它 展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向，这正是“冯·卡门涡街” （见参考文献［ 6 ］） 。当风或者洋流被岛屿挡住去路时，会出现这种图形。 此 图片中的这些卡门涡街，是当风吹过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。 2009年2月24日，来自北方的冷空气（可能是来自格陵兰的重力风）遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气，在扬曼因（JanMayen）岛附近上空形成了一排排的积云。扬曼因岛阻碍了风的行进 ， 对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样，吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉，然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处，当冷空气从岩石表面刮过时，形成 了 一连串螺旋状的涡旋， 这也正是 卡门涡街。在图片的左上角，可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。这张照片 是 由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。 实际上，也还有卫星拍摄到的另外一些很清晰的卡门涡街照片。 这些卫星拍摄的卡门涡街照片，引起了人们对 冯·卡门 和 卡门涡街进一步了解的兴趣。 冯·卡门（TheodorevonKármán １８８１—１９６３ ） 被誉为“航空航天时代的科学奇才”， 他 是美藉匈牙利 裔 力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀 ，以及美藉华人科学家林家翘 在美国加州理工学院 学习 时的导师。 卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。 流体运动通常是随时间变化的，但有时随时间变化不大，如河水在相当长一段时间内，流动几乎一样；飞机上的观测者来看，流动也几乎沒有变化。这时就可以认为流场状态不随时间变化，是定常流动。 在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落 出 旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街 。 卡门涡街的图片十分漂亮，有时可 当 作为艺术品 来 欣赏。 在一油流中圆柱后尾流中卡门涡街的形成 （取自 F.Homann, Forrch Ing-Wes,1936,7.I） 卡 门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动，往往与卡门涡街有关。因此，现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解，北京、天津的电视发射塔，上海的东方明珠电视塔在建造前，都在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。 燃烧气流中的涡旋 燃烧是在气体中进行的，燃烧产生的湍流中有许多涡旋。 各种各样的涡旋 在许多自然现象和研究领域中都可以看到各种各样的涡旋，也还有一些人们常见到的涡旋，如在小河转弯处常看到的涡旋，放掉家里澡盆里洗澡水时在澡盆出水口看到的澡盆涡，在高层楼房底部感觉到的马蹄涡，以及在两同轴旋转圆筒间出现的泰勒涡等等。 H.J.Lugt曾列表总结了各种涡旋的尺度谱（见参考文献［9］），如下表所示： 涡旋的名称 涡尺度结构 液氦中的量子涡 10 -8 cm 最小的湍流涡 0.1cm 昆虫引起的涡旋 乌贼喷射的涡环 0.1~10cm 尘卷 潮水中的涡 旋 1~10m 火山爆发的涡环 热对流云 100~1000m 湾流的涡旋 台风 大气高压和低压系统 100~2000km 海洋环流 大气环流 地球内部的热对流胞涡 2000~5000km 木星的红斑 土星环 太阳黑子 5000~10 5 km 银河的涡旋星系 用光年计 各种涡旋的尺度谱 涡旋的害与利 前面所谈到的台风，龙卷风 ，海啸 等 现象， 常常伴随着灾难或惊险，从而引起人们全神贯注的集中关心或全力拼搏、抢救，所以社会科学也将“涡旋”一词移植了过去，用来比喻遇到了极大的麻烦，像“陷入了某问题的涡旋 之中 ”。 实际上，在人们的生活与生产活动中，有时需要防止涡旋的不利作用，有时也需要涡旋 帮 忙，发挥涡旋的积极作用。 涡旋的产生伴随着机械能的耗损，从而使物体（飞机、船舰、车辆、汽轮机、水轮机等）增加流体阻力或降低其机械效率。但另一方面，也正是依靠适当设计的外形，才能产生使飞机获得升力、又减少阻力的涡旋。 在水利工程中，例如水坝的泄水口附近，为保护坝基不被急泻而下的水流冲坏，需采用消能设备，人为地制造涡旋以 加速 消耗水流的动能。还可以利用涡旋这种急剧的旋转运动，完成加快掺混媒质的任务，以加快化学反应的速度，增强轻工、冶金过程的混合速度，大大提高燃烧效率和热交换效率等。 人为制造涡旋所制成的旋风分离器，可用来分离由锅炉排放出烟气中的固体颗粒，使烟筒排放的气体较洁净，以达到环境保护的目的。 涡旋有害也有利，所以科学工作者 一直在 研究如何在生产过程中控制涡旋的产生和发展，并 加強 对自然界中有巨大破坏作用的 这类 涡旋 的 预报，研究减轻灾害的方法。 注： Vortex 过去曾译为“旋涡”，现 依 据全国自然科学名词审定委员会公布的《力学名词》，译为“涡旋”。 （本文部分图片自网络收集，来源不详，仅供力学科普之用，特此致谢图片的原作者） 参考文献 1、中国大百科全书编委会，中国大百科全书 · 力学卷，北京：中国大百科全书出版社，1985 2 、周光坰、严宗毅、许世雄、章克本编著，流体力学（第二版），北京：高等教育出版社， 2000 3 、王振东，诗情画意谈力学，北京：高等教育出版社， 2008 4、 王振东，平沙莽莽黄入天 — 漫话沙尘暴， 自然杂志， 2009 ， 31 （ 6 ）： 360 ～ 362 5 、 王振东，龙尾不卷曳天东 —— 漫话龙卷风， 力学与实践，20 10 ，3 2 （ 4 ）： 112 ～ 115 6、王振东，冯·卡门与卡门涡街， 自然杂志， 2010 ， 32 （ 4 ）： 243 ～ 245 7 、 王振东，风如拨山怒，雨如决河倾 —— 漫话台风， 力学与实践，20 11 ，3 3 （ 1 ）： 97 ～ 100 8、 王振东， 山抬风雨来，海啸风雨多 —— 漫话海啸 ， 力学与实践，20 11 ，3 3 （ 2 ）： 108 ～ 111 9 、 H.J.Lugt ， VortexFlowinNatureandTechnology ， NewYork ： JohnWileySons ， 1983 10 、 G.K.Batchelor 著，沈青、贾复译，流体动力学引论，北京：科学出版社， 1997 ( 己刊登于中科院高能物理所主办的《现代物理知识》 2012 年 24 卷 2 期 ) 附：《现代物理知识》 2012 年 24 卷 2 期 流体涡旋漫谈.pdf 另：应王号先生之邀，将“两个涡旋互相吸引、旋转和融合的图象”放在下面 这个图与太极图有点相像吧！ 又注：据天津大学力学系姜楠教授告知，在百度搜索上可知这张图片是 美国普林斯顿大学 2009 牟 5 月 举办科学艺术微观摄影展 上的 十大美丽科学艺术照 片之一，作者是 摄影师卢克-彼德森 ，作品名为“ 漩涡华尔兹 ”。 这幅作品捕获的是漩涡旋转过程的一瞬间。 图中看到是两个流体漩涡相互吸引、旋转和融合的奇妙图像。这种自然行为感应现象到处都有，从大气云图的产生到核聚变装置的运行。最开始是两个漩涡中心(图中暗红色部分)，随着螺旋纹和冲击波扩散到整个背景流体，最后两个漩涡互相环绕、互相结合。在图中，二维液态漩涡彼此吸引、旋转、融合形成涌动的华尔兹舞蹈。 （在文学艺术及社会科学领域中，常将“涡旋”称为“漩涡”或“旋涡”，但在力学领域的正式出版物中仍应按“力学名词”称为“涡旋”。）
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风如拔山怒，雨如决河倾—漫话台风
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风如拔山怒，雨如决河倾—漫话台风
风如拔山怒，雨如决河倾 —— 漫话台风 王 振 东 风如拔山怒，雨如决河倾。 屋漏不可支，窗户俱有声。 乌鸢堕地死，鸡犬噤不鸣。 老病无避处，起坐徒叹惊。 三年稼如云，一旦败垂成。 夫岂或使之，忧乃及躬耕。 邻曲无人色，妇子泪纵横。 且抽架上书，《洪范》推五行。 这是宋朝诗人陆游（1125—1210年）所写的《大风雨中作》 ,这次大风雨，据原注是发生于“甲寅八月二十三日夜”。甲寅年为宋绍熙五年（1194年），当时作者退居在家乡越州山阴（今浙江绍兴）。农历八月，是浙东沿海台风活动最频繁的月份，这次“如决河”般的大风雨，很可能是强台风过境时出现的。诗中：噤（jìn禁）意为闭口；夫（fú扶），系发语词；三年句,指近二年庄稼长得很好，今年也丰收在望，不料风雨一下子摧毁了；《洪范》是《尚书》篇名,以水、火、木、金、土“五行”释自然现象，含有朴素的唯物主义因素。 陆游还有一首五言古诗《十月二十八日夜风雨大作》，也描述了浙东台风到来时的情景 风怒欲拔木，雨暴欲掀屋。 风声翻海涛，雨点堕车轴。 拄门那敢开，吹火不得烛。 岂惟涨沟溪，势已卷平陆。 辛勤蓺宿麦，所望明年熟； 一饱正自艰，五穷故相逐。 南邻更可念，布被冬未赎； 明朝甑复空，母子相持哭。 每年，随着仲夏季节的到来，在气象预报的卫星云图上，我们经常可以看到由大团白云显示的反时针旋转的大尺度流体涡旋，人们在关心台风的形成、发展、在什么地方登陆、行走途径，以及其消失过程。 台风是有很强破坏力的气象灾害 台风是诞生在热带海洋上风速达到32.7米/秒以上的大气涡旋，其半径可达数百公里。它在不同地方有不同的称谓：发生在西北太平洋和南海上的，称为台风；在北大西洋、加勒比海、墨西哥湾以及东北太平洋上的，称为飓风；在印度洋和孟加拉湾上的，称为热带风暴；在澳大利亚，则称为热带气旋。 从流体力学的角度看，台风或飓风的形成、发展加强、移动、减弱和消失都是大尺度流体运动不稳定的过程。 台风之所以受到人们的关注，是因为它具有很强的破坏力，是一种严重的气象灾害。美国2005年8月的卡特里娜（Katrina）飓风，造成1330人死亡，损失960亿美元。中国2006年7月Bilis台风登陆福建，死亡843人，损失人民币348.2亿元 台风生成的条件 台风生成的条件主要有三： 一是生成在海表以下60米深的水温在26℃以上广阔的高温洋面上。温暖的海水是其动力“燃料”。 二是要有适当的地转偏向力（柯氏力），即地球自转产生的改变风向的力（北半球向右）。 三是有足够大的外部扰动，使大规模高温、高湿、高度不稳定的空气发生强烈扰动，释放大量能量，引起幅合上升形成气旋。 地转偏向力随地理纬度的降低而减小，在赤道地区为零。所以纬度低于5°的海洋上没有台风生成。 按照我国气象部门的定义：热带气旋中心附近的风力为6―7级称为热带气压，8―9级称为热带风暴，10―11级称为强热带风暴，12级及以上称为台风。风速小于17米/秒的热带气旋，称为热带低压。 有报道说，2008年9月11日在浙江台州登陆的卡努台风，最大风力达17级。这是因为通常发布风力预报时，凡32.7米/秒以上都称为12级。其实在气象学中还可以细分：13级（37.0―41.4米/秒）；14级（41.5―46.1米/秒）；15级（46.2―50.9米/秒）；16级（51.0―56.0米/秒）；17级（56.1―61.2米/秒）。卡努台风的最大风速59.5米/秒，自然就是17级了。 美国国家飓风中心则将飓风分为5级：1级飓风：119―153公里/小时；2级飓风：154―177公里/小时；3级飓风：178―209公里/小时；4级飓风：210―249公里/小时；5级飓风：249公里/小时以上。 台风 己编号和命名进行观测和预报 20世纪以前，台风命名是比较随意的。1953年美国开始用女性名字来命名台风。但由于台风是一种巨大的灾害，从而不断受到妇女运动的反对，于是在1979年达成用一男一女的名字交替命名。事先拟好4列88个，轮流使用。卡特里娜就是其中一个。 2000年元旦起，亚洲和太平洋地区，统一在台风编号后面再加上台风名字。台风的名字由该区域14个国家（地区）共同提供（大多是美好事物），每个国家（地区）提供10个，共140个，编成10组。第一组用完后用第二组。因为每年台风不过20个左右，因此一年中不会发生重复。台风命名的好处是可以避免因各国台风编号不一致而造成混乱。如果台风造成了特别巨大的灾害，可以停用该名字（例如云娜台风），再另补充新的名字。 台风眼 台风是结构十分特殊的天气系统，其中最特殊的是它有个台风眼。台风眼位于台风的中心，直径一般10―50公里，多为圆形。眼区中气流下沉，所以常常天气晴好，风速也很小。但台风眼的四壁是高耸的云墙（台风眼壁），一般厚几十公里，是台风中上升气流最强，风雨最猛烈的地方。云墙内外，咫尺之间天气截然相反，却又和谐地并存着，堪称自然界中的一个奇迹。所以，当台风来袭过程中，在台风眼区域突然风停日出，人们往往以为台风已经过去。实际上台风眼一过去，暴风雨立刻重又袭来。台风内虽是好天气，但海上的浪潮却非常汹涌。这是因为台风中心的气压，和其四周比起来要低的缘故。因此在台风中心登陆的地方，往往引起很高的浪潮，造成很大的损害。 台风从生成到消亡的3阶段 台风从生成到消亡一般经过3个阶段: 第一个是生成阶段（大多数热带气旋消失在这个阶段，不能形成台风）。 第二个阶段是成熟阶段，一般有一个完整清晰的台风眼。此时台风中心气压达到最低，大风和暴雨的范围也达到最大。 第三阶段是减弱消亡阶段。西北太平洋台风的寿命一般2―7天，平均约124小时。 台风消亡的原因主要有两个: 一是登陆后，切断了海水潜热能源供应，加上陆地摩擦力大，大量消耗了台风的动能。 另一是台风北上到达较高纬度地区后，进入了冷空气，热带气旋变成温带气旋而消亡。 所以我们经常在气象预报节目中听到：台风登陆后减弱为强热带风暴，又减弱为热带风暴，再减弱为热常气压，从而結束了一次台风过程。 每年平均有7个台风登陆我国 全球热带海洋上每年生成约80–100个气旋。其中约36%发生在西北太平洋和南海上，这里是全球生成台风最多的海区之一。南大西洋热带海区，因为南极流来的冷洋流降低了水温，因此不易发生台风。有人统计了42年资料，西北太平洋上共发生台风（包括热带风暴）1178个，平均每年约28个。42年中登陆我国的台风（包括热带风暴）共有297个，平均每年约7个，居世界各国的前列。 台风具有很强的破坏力，是一种气象灾害；但台风影响的地区，又可带来降水，以解除伏旱。 有时候，也能在电视台气象预报的卫星云图上，同时看到产生了两个热带气旋。 至今人们还不能准确知道热带气旋何时在何地形成，何时加强为台风，何时在什么地方登陆，行走途径，以及其消失过程。只能根据卫星云图做出大致的预报。 从流体力学角度可以看出，台风的形成与发展是大尺度的流动不稳定性过程： 1. 生成过程不稳定，多数气旋夭折，少数加强为台风； 2. 移动路径不稳定，经常突然变向； 3. 消亡过程也不稳定。
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龙尾不卷曳天东—漫话龙卷风
zdwang 2010-6-21 06:51
龙尾不卷曳天东—漫话龙卷风
龙尾不卷曳天东 ——— 漫话龙卷风 王 振 东 成都六月天大风，发屋动地声势雄。 黑云崔巍行风中，凛如鬼神塞虚空。 霹雳并火射地红，上帝有命起伏龙。 龙尾不卷曳天东，壮哉雨点车轴同。 山摧江溢路不通，连根拔出千尺松。 未言为人作年丰，伟见一洗芥蒂胸。 这是宋代诗人 陆游（1125-1210年）在成都为官时所写的七言古诗《龙挂》，他曾先后担任成都府安抚司和四川制置司的参议官。黑云崔巍（ w é i 惟）,是指积雨云垂直发展旺盛，云色乌黑，从地面望去，好像耸立于天空的一座座大山。凛（ l ǐ n 林）如,指可怖的样子。 “ 霹雳并火射地红 ” 句， 描述了 龙卷风的出现时，伴有大风、雷电和暴雨。曳（ y è 叶）,是拖的意思。 “ 龙尾不卷曳天东 ” 的龙尾，是指龙卷风的漏斗状下垂尾巴，它一边旋转，一边拖着前进；龙卷风的中心气压低，上卷力非常大，如连接地面，就能 “ 连根拔出千尺松 ” 。一洗芥蒂胸,表示当看到了龙卷风的奇伟壮观之后，使胸襟为之开。 苏轼（1037-1101年）《连雨江涨》一诗,也说到了龙卷风 床床避漏幽人屋，浦浦移家疍子船。 龙卷鱼虾并雨落，人随鸡犬上墙眠。 这是作者在贬位于东江下游南岸的惠州（今广东惠阳县）时所作。“龙卷鱼虾并雨落”，是发生在水域的“水龙卷”的特点。幽人,指隐逸之人,为作者自称，有遂臣的意思。浦,指小河流入江海的地方。疍（dàn但）子,是过去广东、广西、福建内河和沿海一带的水上居民，多以船为家，从事渔业、运输业。 龙卷风是一种灾害天气 龙卷风是一种风力极强而范围不太大的涡旋，状如漏斗，风速极快，破坏力很大。其中心的气压可以比周围气压低百分之十。龙卷风的出现和消失都十分突然，很难进行有效的预报。 龙卷风上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向前移动。远远看去，它不仅很像吊在空中晃晃悠悠的一条巨蟒，而且很像一个摆动不停的大象鼻子。发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷” （或称 “ 海龙卷 ” ，waterspout） ；出现在陆上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷” （landspout，美国国家气象局称dust-tube tornado） 。 世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美国，水龙卷通常发生在美国东南部海岸，尤其在 佛罗里达 南部和 墨西哥湾 。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一种，其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小，但是它们仍然是相当危险的。 龙卷风的生存时间一般只有几分钟，最长也不超过数小时。龙卷风经过的地方，常会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象，有时把人吸走，危害十分严重。 有记录以来美国最致命的龙卷风是发生于 1925年 3月18日，越过了 密苏里州 东南部、 伊利诺伊州 南部和 印地安那州 北部的“三洲大龙卷”，导致695人死亡。 龙卷风的力气是很大的。据报道记载，1879年5月30日下午4时，在美国堪萨斯州北方的上空有两块又黑又浓的乌云合并在一起。15分钟后在云层下端产生了涡旋。涡旋迅速增长，变成一根顶天立地的巨大风柱，在三个小时内像一条孽龙似的在整个州内胡作非为，所到之处无一幸免。但是，最奇怪的事是发生在刚开始的时候，龙卷风涡旋横过一条小河，遇上了一座峭壁，显然是无法超过这个障碍物，涡旋便折抽西进，那边恰巧有一座新造的75米长的铁路桥。龙卷风涡旋竟将它从石桥墩上“拔”起，把它扭了几扭然后抛到水中。在我国，1956年9月24日上海曾发生过一次龙卷风，它轻而易举地把一个22万斤重的大储油桶“举”到15米高的高空，再甩到120米以外的地方。 在美国，龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。它对建筑的破坏也相当严重，经常是毁灭性的。在强烈龙卷风的袭击下，房子屋顶会像滑翔翼般飞起来。一旦屋顶被卷走后，房子的其他部分也会跟着崩解。1995年在美国俄克拉何马州阿得莫尔市发生的一场陆龙卷,诸如屋顶之类的重物被吹出几十英里之远。大多数碎片落在龙卷通道的左侧，按重量不等常常有很明确的降落地带。较轻的碎片却飞到300多千米外才落地。 龙卷风的产生原因 龙卷风究竟是怎样形成的？可以从夏天在操场上常能看到的一种现象，得到启示：一阵风刮来，突然在操场中间出现了一个气流涡旋，它卷起了沙土和树叶随气流旋转，而且越转越快地在移动着，过了一会，又迅速慢了下来，突然消失了。这是很小尺度的气流不稳定性造成的。 龙卷风则是中尺度的气流不稳定性造成的，其平均直径为200-300米，直径最小的不过几十米，只有极少数直径大的才达到1000米以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均每秒15米，最快的可达70米；移动路径的长度大多在10公里左右，短的只有几十米，长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度，一般有l-2公里。 普遍认为，龙卷风是云层中雷暴的产物，是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式。 龙卷风的形成过程，大致可分为四个阶段： （1）大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。 （2）由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。 （3）随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，形成龙卷核心。 （4）龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。 由上可以看出，龙卷风的形成和消失，都是气流运动不稳定的过程。 美国的龙卷风为什么多 美国的龙卷风不仅数量多，而且强度大 , 被称之为 “ 龙卷之乡 ” 。这主要是和美国的地理位置、气候条件以及大气环流特征有关。美国东濒大西洋，西靠太平洋，南面又有墨西哥湾，大量的水汽不断从东、西、南面流向美国大陆。美国主要处在中纬度，春夏季常受副热带高压控制，即使在秋冬季，也常受其边缘影响。在副高南部和西部是偏东和东南气流最活跃的地方，它把大西洋和墨西哥湾的大量暖湿空气源源不断向美国大陆输送，这是产生雷雨云的充分条件。雷雨云不断地强烈发展，龙卷风就伴随而来。 美国龙卷风发生最多的是中西部 和南部的广阔区域,有人将美国这一常发生龙卷风的区域称为“龙卷风道”。美国 约有 54% 的龙卷风发生在春季， 5 月份副热带高气压控制美国，其西缘正好停留在中西部，这时，东南气流把墨西哥湾的暖湿空气从南向北大量输送。空气中有了充足的水汽，又有了强烈的垂直上升运动，雷雨云就会强烈产生，经常发展成龙卷云而产生龙卷。 6 月份大量的暖湿空气向北移到堪萨斯州、内布拉斯加州和衣阿华州， 7 月份移到加拿大，从此，美国的龙卷数量就大大减少了。 据近 50 年的统计，美国上空发生龙卷的次数至少增加 35 倍。有时没有龙卷云，但也会发生 “ 龙卷 ” ，这种特殊的龙卷称为 “ 无云龙卷 ” ，竟占美国龙卷的一半左右。这种怪现象是怎样形成的呢？ 有人认为，这是和奔驰在公路上的汽车数量增多有着密切的关系。现在美国公路干线上经常运行的小汽车不下 200 万辆，卡车 60 多万辆，美国交通实行靠右侧行驶，每当高速运行的两辆车错车时，就会形成逆时针方向的空气涡旋。众多辆汽车产生的空气涡旋叠加起来，就会形成一股强大的涡旋。这股强大的涡旋，一旦遇到合适的天气系统和大气温湿条件，也会诱发龙卷风。 在 北美洲 ，尽管龙卷风季节通常从3月到10月，但一年中随时都可能出现龙卷风,且在 午后 和 晚上 容易出现,超过80%的龙卷风在 正午 和 午夜 之间發生。 除 南极洲 外的每块大陆都发现有龙卷风，只是美国遭受的龙卷风比其他任何国家或地区都多些。除此之外，龙卷风在 加拿大 南部、 亚洲 中南部和东部、 南美洲 中东部、 非洲 南部、 欧洲 西北部和东南部、 澳大利亚 西部和东南部以及 新西兰 等地区也常有出现。
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梵高《星月夜》及太空版《星月夜》
热度 1 zdwang 2009-8-5 07:49
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美妙的涡旋星系
热度 1 zdwang 2009-7-25 13:04
美妙的涡旋星系
王 振 东 哈勃空间望远镜（ Hubble Space Telescope ）是以天文学家哈勃为名，在轨道上环绕著地球的望远镜，由美国宇航局和欧洲航天局共同管理。其位置在地球的大气层之上，所以获得了地基望远镜所没有的好处：影像不会受到大气湍流的扰动，视相度很高，又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。 哈勃空间望远镜于 1990 年发射之后，已经成为天文上最重要的仪器，填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本问题，对天文物理有了更深入的认识 。 哈勃望远镜拍摄到了许多很美妙的涡旋星系照片，让我们认识到在宇宙中还存在那么多姿多态的星系。现将笔者收集的一些涡旋星系照片，列出来供大家欣赏。哈勃望远镜所拍摄到的每张远处的太空图像，实际上是 x x x x 光年前的，现在应又该有变化了，但是这些涡旋星系图像己说明涡旋状态是星系存在的常态之一。 注： Vortex 过去曾译为“旋涡”，现根据全国自然科学名词审定委员会公布的《力学名词》，译为“涡旋”。
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修复哈勃宇航员回望地球
zdwang 2009-7-14 17:25
修复哈勃宇航员回望地球
王 振 东 哈勃太空望远镜发射于 1990 年，重约 2 ﹒ 45 万磅 ( 约 11 ﹒ 11 吨 ) ，长约 13 ﹒ 3 米，其主镜面直径约为 2 ﹒ 4 米。隶属于美国宇航局和欧洲航天局。哈勃太空望远镜服役 19 年来对太空中的 2 ﹒ 5 万个天体拍摄了 50 多万张照片。科学家根据哈勃太空望远镜的观测结果，撰写了 7000 多篇科学论文，这使哈勃太空望远镜成为人类制造的最高产的科学仪器之一。服役期间，哈勃还帮助测定了宇宙年龄，证实了主要星系中央都存在黑洞，发现了年轻恒星周围孕育行星的尘埃盘，提供了宇宙正加速膨胀的证据以及帮助确认了宇宙中存在暗能量。哈勃望远镜拍摄过许多著名宇宙图片，如蟹状星云、鹰状星云、哈勃深空等，因此，它已成为世界上最著名的太空望远镜。 如今，哈勃太空望远镜已到了“晚年”。它的某些技术已日显老旧，比如仍然在使用 INTEL486 计算机处理器。它在太空的十几年中，经历 5 次大修，分别为 1993 年、 1997 年、 1999 年、 2001 年，以及今年 5 月份的最后一次维修。美国正与欧洲以及加拿大联合开发下一代太空望远镜 —— 詹姆斯 · 韦布望远镜，后者有望于 2013 年发射升空代替哈勃。 2009 年 5 月 19 日，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机上的宇航员完成了对哈勃太空望远镜的最后一次维护工作后，将其“释放”回工作岗位，这是哈勃太空望远镜的最后一次维修。 修复哈勃望远镜的宇航员回望地球，拍摄了一些照片，特别是在他们拍摄的地球大气云层的照片中，可以明显看到在云层里有许多涡旋。这也又一次说明，涡旋在流体中是普遍存在的，是流体运动的肌腱。
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仲夏时节话台风
zdwang 2009-6-28 05:41
仲夏时节话台风
王 振 东 随着仲夏季节的到来，在气象预报的卫星云图上，又经常可以看到由大团白云显示的反时针旋转的大尺度流体涡旋，人们在关心台风的形成、发展、在什么地方登陆、行走途径，以及其消失过程。 台风是诞生在热带海洋上 风速达到 32 . 7 米 / 秒以上的 大气涡旋， 其半径可达数百公里 。它在不同地方有不同的称谓：发生在西北太平洋和南海上的，称为台风；在北大西洋、加勒比海、墨西哥湾以及东北太平洋上的，称为飓风；在印度洋和孟加拉湾上的，称为热带风暴；在澳大利亚，则称为热带气旋。 从流体力学的角度看，台风或飓风的形成、发展加强、移动、减弱和消失都是大尺度流体运动不稳定的过程。 台风之所以受到人们的关注，是因为它具有很强的破坏力，是一种严重的气象灾害。美国 2005 年 8 月的卡特里娜（ Katrina ）飓风，造成 1330 人死亡，直接经济损失 960 亿美元。中国 2006 年 7 月 Bilis 台风登陆福建，死亡 843 人，直接经济损失人民币 348 . 2 亿元 台风生成的条件 主要有三： 一是生成在海表以下60米深的水温在 26 ℃以上广阔的高温洋面上。 温暖的海水是其动力 “ 燃料 ” 。 二是要有适当的地转偏向力（柯氏力），即地球自转产生的改变风向的力（北半球向右）。 三是有足够大的外部扰动，使大规模高温、高湿、高度不稳定的空气发生强烈扰动，释放大量能量，引起幅合上升形成气旋。 地转偏向力随地理纬度的降低而减小，在赤道地区为零。所以纬度低于5°的海洋上没有台风生成。 按照我国气象部门的定义：热带气旋中心附近的风力为 6 ― 7 级称为热带气压， 8 ― 9 级称为热带风暴， 10 ― 11 级称为强热带风暴， 12 级及以上称为台风。风速小于 17 米 / 秒的热带气旋，称为热带低压。 有报道说， 2008 年 9 月 11 日在浙江台州登陆的卡努台风，最大风力达 17 级。这是因为通常发布风力预报时，凡 32 . 7 米 / 秒以上都称为 12 级。其实气象学中还可以细分： 13 级（ 37 .0―41.4米/秒 ）； 14 级（ 41 .5―46.1米/秒 ）； 15 级（ 46 .2―50.9米/秒 ）； 16 级（ 51 .0―56.0米/秒 ）； 17 级（ 56 .1―61.2米/秒 ）。卡努台风的最大风速 59 .5米/秒，自然就是17级了。 美国国家飓风中心则将飓风分为 5 级： 1 级飓风： 119 ― 153 公里 / 小时； 2 级飓风： 154 ― 177 公里 / 小时； 3 级飓风： 178 ― 209 公里 / 小时； 4 级飓风： 210 ― 249 公里 / 小时； 5 级飓风： 249 公里 / 小时以上。 台风 现己编号和命名进行观测和预报 20 世纪以前，台风命名是比较随意的。 1953 年美国开始用女性名字来命名台风。但由于台风是一种巨大的灾害，从而不断受到妇女运动的反对，于是在 1979 年达成用一男一女的名字交替命名。事先拟好 4 列 88 个，轮流使用。卡特里娜就是其中一个。 2000 年元旦起，亚洲和太平洋地区，统一在台风编号后面再加上台风名字。台风的名字由该区域 14 个国家（地区）共同提供（大多是美好事物），每个国家（地区）提供 10 个，共 140 个，编成 10 组。第一组用完后用第二组。因为每年台风不过 20 个左右，因此一年中不会发生重复。台风命名的好处是可以避免因各国台风编号不一致而造成混乱。如果台风造成了特别巨大的灾害，可以停用该名字（例如云娜台风），再另补充新名字。 台风眼 台风是结构十分特殊的天气系统，其中最特殊的是它有个台风眼。台风眼位于台风的中心，直径一般 10 ― 50 公里，多为圆形。眼区中气流下沉，所以常天气晴好，风速很小。但台风眼的四壁是高耸的云墙（台风眼壁），一般厚几十公里，是台风中上升气流最强，风雨最猛烈的地方。云墙内外，咫尺之间天气截然相反，却又和谐地并存着，堪称自然界中的一个奇迹。所以，当台风来袭过程中，在台风眼区域突然风停日出，人们往往以为台风已经过去。实际上台风眼一过去，暴风雨立刻重又袭来。 台风眼内虽是好天气，但海上的浪潮却非常汹涌。这是因为台风中心的气压，和其四周比起来要低的缘故。因此在台风中心登陆的地方，往往引起很高的浪潮，造成很大的损害。 台风从生成到消亡的3阶段 台风从生成到消亡一般经过 3 个阶段。第一个是生成阶段（大多数热带气旋消失在这个阶段，不能形成台风）。第二个阶段是成熟阶段，一般有一个完整清晰的台风眼。此时台风中心气压达到最低，大风和暴雨的范围也达到最大。第三阶段是减弱消亡阶段。西北太平洋台风的寿命一般 2 ― 7 天，平均约 124 小时。 台风的消亡 台风消亡的原因主要有两种。一种是登陆后，切断了海水潜热能源供应，加上陆地摩擦力大，大量消耗了台风的动能。另一种是台风北上到达较高纬度地区后，进入了冷空气，热带气旋变成温带气旋而消亡。 每年平均有7个台风登陆我国 全球热带海洋上每年生成约 80 – 100 个气旋。其中约 36% 发生在西北太平洋和南海上，这里是全球生成台风最多的海区。南大西洋热带海区，因为南极流来的冷洋流降低了水温，因此不易发生台风。有人统计了 42 年资料，西北太平洋上共发生台风（包括热带风暴） 1178 个，平均每年约 28 个。42年中登陆我国的台风（包括热带风暴）共有297个，平均每年约7个，居世界各国之首。 台风具有很强的破坏力，是一种气象灾害；但台风影响的地区，又可带来降水，以解除伏旱。 有时候，也能在电视台气象预报的卫星云图上，同时看到产生了两个热带气旋。 至今人们还不能准确知道热带气旋何时在何地形成，何时加强为台风，何时在什么地方登陆，行走途径，以及其消失过程。只能根据卫星云图做出大致的预报。 从流体力学角度知道，台风的形成与发展是大尺度的流动不稳定性过程：1.生成过程不稳定，多数气旋夭折，少数加强为台风；2.移动路径不稳定，经常突然变向；3.消亡过程也不稳定。
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排云结阵南北行
zdwang 2009-6-4 05:24
排云结阵南北行
—漫话雁群和飞机的结阵飞行 王 振 东 春辉满朔方，候雁发衡阳。 望月惊弦影，排云结阵行。 往还倦南北，朝夕苦风霜。 寄语能鸣侣，相随入故乡。 这是唐代诗人李峤的五言诗《雁》，己经写到雁群转移南北时，结阵飞行的景象。另一位唐代诗人张九龄所写五言诗《二弟宰邑南海见群雁南飞因成咏以寄》也写到： 鸿雁自北来，嗷嗷度烟景。 尝怀稻梁惠，岂惮江山永。 大小每相从，羽毛当自整。 双凫侣晨泛，独鹤参宵警。 为我更南飞，因书至梅岭 。 这两首五言唐诗都写到我们现在常看到的景象：每当秋冬季节，大雁就从俄罗斯西伯利亚一带，成群结队、浩浩荡荡地飞到我国的南方气候温暖的地方过冬。第二年春天，它们再经过长途旅行，回到俄罗斯西伯利亚产蛋繁殖。 《吕氏春秋》所说 孟春之月鸿雁北，孟秋之月鸿雁来 正是雁群南来北往飞行的写照。 大雁的飞行速度很快，每小时能飞68～90公里，几千公里的漫长旅途中，雁群的队伍组织得十分严密，常常排成人字形，一边飞着，一边还不断发出“嘎、嘎”的叫声。大雁的这种叫声起到互相照顾、呼唤、起飞和停歇等的信号作用。 大雁在向南、向北迁徙飞行时， 常是几十只、数百只汇集在一起，互相紧接着列队而飞，古人称之为“雁阵”。 那么，大雁为什么会保持整齐的队形，排成“人”字形的“雁阵”飞行呢？ 有人认为：大雁属于鸟类中极有组织性和纪律性的一类飞禽。它们不但十分讲究团结友爱，而且还互相帮助。大雁排成整齐的人字形飞行，是一种集群的本能表现。因为这样有利于防御敌害。雁群总是由有经验的老雁当“队长”，飞在队伍的前面。幼鸟和体弱的鸟，大都插在队伍的中间。停歇在水边找食水草时，也总由一只有经验的老雁担任哨兵。如果孤雁南飞，就有被敌害吃掉的危险。 本文所讨论的问题是：雁群结阵飞行与力学有怎样的关系？排成“人”字形有什么力学道理吗？ 雁飞行的升力 雁扑翼飞行 雁飞行的诱导阻力 由于气流具有从高压力处向低压力处流动的特性，因此在无阻档的翼梢处，高压力的下翼面气流会向低压力的上翼面翻转，因而使得下翼面气流向翼梢处偏转，上翼面气流则向翼根处偏转。这样将减少上、下翼面压力差，使得升力有所减小，与升力直接有关的有效迎角（翼型弦线和飞行方向间的夹角）也减少了 度，形成了 翼面上的气流偏转会使得在翼后有尾涡拖出，并在向下游发展时逐渐卷起，这可由实验观察到，也可通过计算得出。从能量角度来看，卷起强涡旋的气流总是要多带走一些动能，也就是为抵消诱导阻力需要多消耗能量。 雁群的结阵队形 实际上在翼面后将会形成包括翼梢强涡旋在内的复杂的尾涡系，下图给出了在翼后的不同流向位置的尾涡横截面所组成的分层曲线。这个复杂的涡系，将对流场中任何一点都会产生诱导速度。 上图为一典型的在翼面下游的诱导速度场，其中间部分有向下的诱导速度，而在两外侧，则有向上的诱导速度，并随在翼后的流向、法向距离和展向位置而变化。当雁进入前面雁后的流场时，在流场的不同位置会有不同的结果。若在前飞雁的正后方，会遇到向下的诱导气流，反而要比前面无雁时的单独飞行付出更多的能量；但若在前飞雁后方的两侧适当位置，则会受到向上的诱导气流而省力。 雁群迁徙 一次大约需连续飞行1～2个月，因此它们需要摸索飞行的窍门，有效地节约体力。对于长途跋涉的雁群来说，排成人字形的飞雁队形，由强壮的领头雁（体能消耗最大）在前领飞，而其后各雁都能利用前面雁飞行时所产生的有利向上气流，以滑翔的方式来节省体力，则能减少体能消耗而受益。 “头雁”因为没有这股微弱的上升气流可资利用，很容易疲劳。 当领飞的头雁疲倦了，它会退到侧翼，另一只雁则接替飞在队形的最前端。 所以在长途迁徙的过程中，雁群需要经常地变换队形，更换“头雁”。有人研究指出， 借着人字队形，整个雁群比每只雁单飞时，能增加50%以上的飞升能力。 所以，在无强侧风的情况下，雁群按人字形结阵飞行，是符合流体力学原理的合理队形。 航空表演的结阵飞行 飞机列队进行航空表演的情况，与雁群结阵飞行的情况很类似。从下面几幅航空表演的照片，可以清楚看出，机群也常按照流体力学原理，排成“人”字形进行航空表演，除排在最前面的领先飞机外，其他的飞机都在前面飞机的后侧合适部位飞行，既美观又省力、省油。 在军事上，为使飞机在空中执行任务的续航时间增加，或者能少带油料多带弹药，就有飞机在空中加油的需要，所以人们又专门制造了空中加油机。在空中加油时，去加油的飞机常在被加油飞机的后侧面进行加油作业，如下图所示 。 对田径运动员的启示 大雁排队飞行，可以减少侧后大雁飞行的能量消耗，这对中长跑运动员也有启发，运动员在中长跑比赛时的开始阶段，紧随在领头队员的后面也可省力，这当然己不是因为利用上升气流的关系，而是在前面队员的身后涡旋区中跑，可减少阻力。在中长跑比赛中，一些有经验的运动员并不在一开始就去领跑，而是在领跑运动员的后面跟跑，因为这样会使其跑步时的体能消耗比领先的小。等到冲刺阶段的前夕，再发力突然加速，超过原领跑者。 相同的情况在长途自行车运动赛场上也有。经常可见到有实力、有心计的自行车运动员，在长途自行车赛的一开始，紧随在领骑运动员的后面涡旋区中跟骑，以减少体能消耗，等到接近冲刺阶段，再突然发力加速，超过原领骑者，尽全力冲刺获得冠军。由于大家都知道了这种战术，以致现今在自行车比赛的规则中，对此战术己有所限制，对跟随的距离有规定，不允许跟得太近。 有人在美国的高速公路上也有过这样的体验，跟在加长大货车的后面开小轿车，一段路程跑下来，觉得确实省力又省油，也是同样的道理。 参考文献 1．李峤，雁，唐诗分类大词典（下册），成都：四川辞书出版社，1992：3991 2．张九龄，二弟宰邑南海见群雁南飞因成咏以寄，唐诗分类大词典（下册），成都：四川辞书出版社，1992：3992 3．唐登斌、王振东，大小每相从，排云结阵行—从雁群结阵飞行谈起，力学与实践，2001，23（5）：79―80 （刊登于《自然杂志》2009年31卷2期，现又补充了图片）
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卫星拍摄的卡门涡街
zdwang 2009-5-14 07:32
卫星拍摄的卡门涡街
— 卡门涡街及其应用（续） 王 振 东 冯·卡门（TheodorevonKármán1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。 卡门涡街是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮，有时己可作为艺术品来欣赏。 冯·卡门在1911-1912年，对这一涡街研究的贡献主要是二个方面：一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定；二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。 笔者所写“卡门涡街及其应用”一文，介绍了 其研究历史及有关的应用情况 ，2006年2月发表于《力学与实践》28卷1期。之后陆续又看到了几张卫星拍摄的卡门涡街的照片，现将其归在一起作为上文的补充，放在科学网上，以文会友，与大家交流，并作为参考资料提供给担任有关专业课程的老师在教学中使用。 美国宇航局最近公布了自1959年8月14日拍摄了第一张卫星照片以来，所选出的50年十佳地球卫星照片，排为十佳第一张的就是“陆地卫星7”号2007年拍摄的以下这张图片，展示了一排涡旋正在交替改变向前运行的方向，这正是“冯·卡门涡街”。当风或者洋流被小岛或者岛屿挡住去路时，会出现这种图形。该图片中的这些卡门涡街，是当风吹过太平洋北部向东运行过程中，遇到阿留申群岛时形成的。 2009年2月24日，来自北方的冷空气（可能是来自格陵兰的重力风）遭遇格陵兰海域上空的潮湿空气，在扬曼因岛（Jan Mayen）附近上空形成了一排排的积云。而扬曼因岛阻碍了风的行进，它本身对天气也施加了影响。就像水流会分开绕过河里的巨石一样，吹来的风也会在扬曼因岛的北面分叉，然后在它的南面又再次汇拢。在扬曼因岛的下风处，当冷空气从岩石表面刮过时，形成了一连串螺旋状的涡旋，这也正是“冯·卡门涡街”。在图片的左上角，可以看到一小片白雪覆盖的格陵兰岛的海岸线以及海冰。在靠近海岸线的地方还有许多巨大而不规则的浮冰漂浮着。这张照片由美国宇航局卫星上的中等分辨率成像光谱仪拍摄的。 还有两张卫星拍摄的卡门涡街的照片，也很有参考价值，它们分别是在智利和日本的小岛后面形成的。
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卡门涡街及其应用
热度 2 zdwang 2009-3-4 13:21
卡门涡街及其应用
王 振 东 冯·卡门（TheodorevonKármán1881-1963）是美藉匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是我国著名科学家钱学森、钱伟长、郭永怀在美国加州理工学院时的导师。 卡门涡街是流体力学中重要的现象。在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。如水流过桥墩，风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。卡门涡街有一些很重要的应用，因此在学习流体力学时，有必要了解其研究历史及有关的应用情况。 卡门涡街的研究历史 冯·卡门1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯，1963年5月6日卒于德国亚琛。他出身于奥匈帝国—个教育学教授的家庭，1902年毕业于布达佩斯皇家工学院，1906年去德国哥廷根（Gttingen）大学求学，在普朗特（LudwigPrandtl1875-1953）教授的指导下，完成了关于柱体塑性区内屈曲问题的论文，于1908年获得博士学位。1911年时，他在哥廷根大学当助教。普朗特教授当时的研究兴趣，主要集中在边界层问题上。普朗特交给博士生哈依门兹（KarlHiemenz ）的任务，是设计一个水槽，使能观察到圆柱体后面的流动分裂，用实验来核对按边界层理论计算出来的分裂点。为此，必须先知道在稳定水流中圆柱体周围的压力强度如何分布。哈依门兹做好了水槽，但出乎意外的是在进行实验时，发现在水槽中的水流不断地发生激烈的摆动。 哈依门兹向普朗特教授报告这一情况后，普朗特告诉他：“显然，你的圆柱体不够圆”。可是，当哈依门兹将圆柱体作了非常精细的加工后，水流还是在继续摆动。普朗特又说：“水槽可能不对称”。哈依门兹于是又开始细心地调整水槽，但仍不能解决问题。 冯·卡门当時所做的课题与哈依门兹的工作并没有关系，而他每天早上进实验室时总要跑过去问：“哈依门兹先生，现在流动稳定了没有？”哈依门兹非常懊丧地回答：“始终在摆动”。 这时冯·卡门想，如果水流始终在摆动，这个现象一定会有内在的客观原因。在一个周末，冯·卡门用粗略的运算方法，试计算了一下涡系的稳定性。他假定只有一个涡旋可以自由活动，其他所有的涡旋都固定不动。然后让这一涡旋稍微移动一下位置，看看计算出来会有什么样的结果。冯·卡门得到的结论是：如果是对称的排列，那么这个涡旋就一定离开它原来的位置越来越远；而对于反对称的排列，虽然也得到同样的结果，但当行列的间距和相邻涡旋的间距有一定比值对，这涡旋却停留在它原来位置的附近，并且围绕原来的位置作微小的环形路线运动。 星期一上班时，冯·卡门向普朗特教授报告了他的计算结果，并问普朗特对这一现象的看法如何？普朗特说，“这里面有些道理，写下来罢，我把你的论文提交到学院去”。冯·卡门后来回忆时，对此事写道：“这就是我关于这一问题的第一篇论文。之后，我觉得，我的假定有点太武断。于是又重新研究一个所有涡旋都能移动的涡系。这样需要稍微复杂一些的数学计算。经过几周后，计算完毕，我写出了第二篇论文。有人问我：‘你为什么在三个星期内提出两篇论文呢？一定有一篇是错的罢’。其实并没有错，我只是先得出个粗略的近似，然后再把它细致化，基本上结果是一样的；只是得到的临界比的数值并不完全相同”。 冯·卡门是针对哈依门兹的水槽实验，进行涡旋排列的研究的。后来人们由于冯·卡门对其机理详细而又成功的研究，将它冠上了卡门的姓氏，称为卡门涡街。 冯·卡门自己后来在书中写道：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来之前，大家已知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利 Bologna 教堂中的一张图画。图上画着 St.Christopher 抱着幼年的耶稣涉水过河。画家在 Christopher 的赤脚后面，画上了交错的涡旋。”冯·卡门还说，在他之前，有一位英国科学家马洛克（ Henry Reginald Arnulpt Mallock 1851-1933 ）也已观察到障碍物后面交错的涡旋，并拍摄有照片。又还有一位法国教授贝尔纳（ Henry Bénard 1874-1939 ）也作过关于这一问题的大量研究。只不过贝尔纳主要考察了黏性液体和胶悬溶液中的涡旋，并且其考察的角度是实验物理学的观点多于空气动力学的观点。 冯·卡门认为他在 1911-1912 年，对这一问题研究的贡献主要是二个方面：一是发现涡街只有当涡旋是反对称排列，且仅当行列的距离对同行列内相邻两涡旋的间隔有一定的比值时才稳定；二是将涡系所携带的动量与阻力联系了起来。 塔科玛桥风毁事故与卡门涡街 塔科玛峡谷桥（ Tacoma Narrow Bridge ）风毁事故的惨痛教训，使人们认识到卡门涡街对建筑安全上的重要作用。 1940 年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费 640 万美元，建造了一座主跨度 853.4 米的悬索桥。建成 4 个月后，于同年 11 月 7 日碰到了一场风速为 19 米 / 秒的风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近 9 米），直到桥面倾斜到 45 度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。人们在调查这一事故收集历史资料时，惊异地发现：从 1818 年到 19 世纪末，由风引起的桥梁振动己至少毁坏了 11 座悬索桥。 塔科玛桥的坍塌 第二次世界大战结束后，人们对塔科玛桥的风毁事故的原因进行了研究。一开始，就有二种不同的意见在进行争论。—部份航空工程师认为塔科玛桥的振动类似于机翼的颤振；而以冯卡门为代表的流体力学家认为，塔科玛桥的主梁有着钝头的 H 型断面，和流线型的机翼不同，存在着明显的涡旋脱落，应该用涡激共振机理来解释。冯·卡门 1954 年在《空气动力学的发展》一书中写道：塔科玛海峽大桥的毁坏，是由周期性旋涡的共振引起的。设计的人想建造一个较便宜的结构，采用了平钣来代替桁架作为边墙。不幸，这些平钣引起了涡旋的发放，使桥身开始扭转振动。这一大桥的破坏现象，是振动与涡旋发放发生共振而引起的。 20 世纪 60 年代，经过计算和实验，证明了冯·卡门的分折是正确的。塔科玛桥的风毁事故，是一定流速的流体流经边墙时，产生了卡门涡街；卡门涡街后涡的交替发放，会在物体上产生垂直于流动方向的交变侧向力，迫使桥梁产生振动，当发放频率与桥梁结构的固有频率相耦合时，就会发生共振，造成破坏。 卡门涡街不仅在圆柱后出现，也可在其他形状的物体后形成，例如在高层楼厦、电视发射塔、烟囱等建筑物后形成。这些建筑物受风作用而引起的振动，往往与卡门涡街有关。因此，现在进行高层建筑物设计时都要进行计算和风洞模型实验，以保证不会因卡门涡街造成建筑物的破坏。据了解，北京、天津的电视发射塔，上海的东方明珠电视塔在建造前，都曾在北京大学力学与工程科学系的风洞中做过模型实验。 1992年匈牙利发行的冯 卡门纪念邮票，后面的图案是卡门涡街 他准备“对不幸的事故负责” 20 世纪 60 年代，我国曾在北京郊区建造了一座高达 325 米的气象塔，以研究北京地区的大气污染情况。该塔用 15 根纤绳固定在地面上，是当时亚洲最高的气象塔。但在竣工不久便出现了奇怪的现象：在天气晴朗、微风吹拂时，高塔发生振动，伴之有巨大轰鸣声，使附近居民感到担心；而在刮风下雨的恶劣天气，反倒无事。经过科研人员的详细测量和分析，终于弄清了这一现象的原因，是在那样的风速下，气流在塔的纤绳这一柱体上发放涡旋，形成了卡门涡街，其频率又与纤绳的自振频率相耦合而发出了轰鸣声。 1912 年，冯·卡门的论文发表不久，时任英国剑桥大学校长的力学家、物理学家瑞利（ John William Strut Rayleigh, 1842-1919 ）爵士就指出，这些交错的涡旋必定就是风吹豎琴（ Aeolian harp ）发音（线鸣）的原因。冯·卡门也说：“有人想必还记得双翼机的线鸣现象，这声音就来自涡旋的周期性发放”。 葛威尔（ Gongwer ， C.A ）曾通过实验，指出了水下交通工具的某些短撑有时会唱出很高的音调，原因就在于短撑后面没有合适的锐利边缘，以致周期性发放涡旋而引起振动。顾策（ Gutsche ， F ）所发现的船下推进器的唱音，冯·卡门认为也可以这样来解释。 有一个法国海军工程师告诉冯·卡门，当某一潜艇在潜航速率超过 7 海浬时，潜望镜忽然完全失去作用。冯·卡门认为，这是因为镜筒发放周期性的涡旋，在一定速率下，涡旋发放的频率和镜筒的自然振动频率发生了共鸣。由于同样的原因，无线电天线塔也会在天然风中发生共鸣振动；输电线的低频振动也与发放涡旋有关系。 有趣的是，冯·卡门 1954 年所写的《空气动力学的发展》一书中，在列举了塔科玛桥风毁及—些由卡门涡街引起的事故后，曾幽默风趣地说，“我永远准备对卡门涡街所造成的其他不幸事故负责”。 卡门涡街流量计 实际上，卡门涡街并不全是会造成不幸的事故，它也有很成功的应用。比如己在工业中广泛使用的卡门涡街流量计，就是利用卡门涡街现象制造的一种流量计。它将涡旋发生体垂直插入到流体中时，流体绕过发生体时会形成卡门涡街，在满足一定的条件下，非对称涡列就能保持稳定， 卡门涡街流量计有许多优点：可测量液体、气体和蒸汽的流量；精度可达 ±1%( 指示值 ) ；结构简单，无运动件，可靠、耐用；压电元件封装在发生体中，检测元件不接触介质；使用温度和压力范围宽，使用温度最高可达摄氏 400 度；并具备自动调整功能，能用软件对管线噪声进行自动调整。 参考文献 1.Theodore von K á rm á n ， Aerodynamics ： Selected Topics in the Light of their Historical Development ， Cornell University Press ， 1954 。中译本：江可宗译，空气动力学的发展，上海：上海科学技术出版社， 1962 2. 周光坰、严宗毅、许世雄、章克本，流体力学（第二版），北京：高等教育出版社， 2000 （原刊登于《力学与实践》 2006 年 28 卷 1 期）
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但见流沫生千涡
zdwang 2009-2-10 12:46
但见流沫生千涡
─漫话流体中的涡旋 王 振 东 长洪斗落生跳波，轻舟南下如投梭。 水师绝叫凫雁起，乱石一线争磋磨。 有如兔走鹰隼落，骏马下注千丈坡。 断弦离柱箭脱手，飞电过隙珠翻荷。 四山眩转风掠耳，但见流沫生千涡。…… 这是苏轼（1037～1101）所作“百步洪二首”其中一首的上半段，系作者于1078年（宋神宗元丰元年）任徐州知州时所作。诗句形象地写出了舟行洪中的惊险。长洪为乱石阻激，陡起猛落，急湍跳荡。舟行其间，如同投掷梭子一般，就连驾船能手也不免大声喊叫，甚至水边的野鸭，都惊飞起来。急流与乱石互相磋磨，发出撞击的响声。水波有如疾走的狡兔，猛落的鹰隼，如骏马奔下千丈的险坡；轻舟像飞箭脱手，如飞电之过隙，如荷叶上跳跃的水珠，在波涛上动荡。而身处于舟中的乘客，仿佛四面的山峰都在旋转；急风掠过耳边，使人心动神驰。人们所见到的则是流沫飞逝，百漩千涡。 苏轼诗中所述乘船者见到水中“百漩千涡”的涡旋，正是在流体运动中可普遍观察到的一种运动形态。 稍后，宋代诗人范成大（1126～1193）也有两首五言诗，形象地描述了在长江三峡段行舟时，所遇涡旋的惊险情景。一首是“初入巫峡”的五言律诗： 钻火巴东岸，摐金峡口船。束江崖欲合，漱石水多漩。 卓午三竿日，中间一罅天。伟哉神禹迹，疏凿此山川！ 诗中前半段的意思是，寒食节（古代风俗在这天应钻木取新火，直到明朝仍存此风俗）时，在巴东县峡口摐金（Chuang Jin 即敲锣）登舟，入巫峡，江路极狭窄，江流漱（Shù 即冲刷）石回旋成涡，涡旋既多又凶猛。这首诗形象地描述了当时长江巫峡段水中多涡旋的情景。 范成大另一首五言古诗“剌濆淖（并序）”，更加生动地描绘了峡江中涡旋的险恶： 濆淖，盘涡之大者，峡江水壮则有之，或大如一间 屋。相传水行峡底，遇暗石则濆起，已而下旋为涡。 然亦未尝有定处，或无故突然而作，叵测也。舟行遇 之，小则欹侧，大则与赍俱入，险恶之名闻天下。 峡江饶暗石，水状日千变；不愁滩泷来，但畏濆淖见； 人言盘涡耳，夷险顾有间；仍于非时作，未可一理贯； 安行方熨縠，无事忽翻练；突如汤鼎沸，翕作茶磨旋； 势迫中成洼，怒霁外始晕；已定稍安慰，倏作更惊眩； 漂漂浮沫起，疑有潜鲸噀；勃勃骇浪腾，复恐蛰鳌抃。 篙师瞪褫魄，滩户呀雨汗；逡巡怯大敌，勇往决鏖战； 幸免与赉入，还忧似蓬转；惊呼招竿折，奔救竹笮断； 九死船头争，万苦石上牵；旁观兢薄冰，撇过捷飞电。 前余叱驭来，山险固尝遍；今者击楫誓，岂复惮波面？ 澎澎三峡长，飐飐一苇乱；既微掬指忙，又匪科头慢； 天子赐之履，江神敢吾玩？但催叠鼓轰，往助双橹健！ 濆淖（fén nào）是指大涡旋，贲（ji）即为“脐”字，指涡旋的中心。 范成大这首五言古诗及序，生动形象地描述了在长江三峡行舟时，所遇涡旋的惊险情景：有时能安稳行舟，江面上如熨縠 （微波涟漪意）一样顺利恬静；但江水忽然翻滚而起如缣练翻搅，使人猝然不备，只好殊死鏖战渡险，如履薄冰，逃过濆淖。 古诗中关于涡旋的记载，在宋代以前，诗圣杜甫（712～770）的“最能行”一诗中亦有： 欹帆侧柁入波涛，撇漩消濆无险阻 之句，描述驾舟航行时逃避涡旋的情景。 范成大不但对峡江水中的涡旋进行了形象描述，还可见其对涡旋为何产生在进行思考。特别是其涡旋濆起“未尝有定处，或无故突然而作”这段描述，竟与近代流体力学对壁湍流猝发（bursting）现象的描述颇有相似之处。这正像钱钟书先生在《谈艺录》中所说“唐诗、宋诗亦非仅朝代之别，乃体格性分之殊。天下有两种人，斯分两种诗。唐诗多以丰神情韵擅长，宋诗多以筋骨思理见胜。”范成大看起来亦是在“思理”，思考峡江水中涡旋的产生规律，从而留下“无故突然而作”，“无事忽翻练”，“突如汤鼎沸，翕作茶磨旋”等精彩的诗句。 在考古方面，我国甘肃省1973年出土的彩陶涡旋纹双耳壶，表明人类对涡旋的观察历史已很长久了。 中国马家窑文化的陶瓷彩绘，其中涡旋 纹饰是结构复杂、完美而又典型的几何纹饰 实际上也不只是江水中有涡旋，在自然界中我们经常可以看到各种形形色色的流体涡旋。 河流拐弯处的涡旋 涡旋是流体运动的肌腱 涡旋是流体团的旋转运动。德国力学家、近代力学的奠基人之一普朗特（L.Prandtl）的学生、空气动力学家屈西曼（D Küchemann）曾经说过：“涡旋是流体运动的肌腱。”这句话深刻概括了涡旋在流体运动中的作用，现在己成为流体力学中的至理名言。 普朗特的另一位学生、已故的北航陆士嘉教授更进一步地指明“流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”这句话既道出了流体与固体的本质区别，又点明了在流体运动中出现涡旋的原因。这里的“搓”是指作用在流体上的剪切力。只要有物体（如飞行器、船舰、汽车、火车等）在流体中运动，紧贴在物面上的流体由于粘附在物面上，会被物体带着一起运动，而远处的流体却在静止中，这就产生了“搓”流体的剪切力。 有攻角（即锥头的轴与来流速度的夹角）的锥头在 背风面处涡的后部断面图。人们形象地称为“猫眼图”。 涡旋通常用涡量来量度其大小和方向，涡量定义为速度场旋度的一半。在流体中，只要有“涡量源”，就会产生涡旋。流体团所受到的力，可以分为体积力（如引力、惯性力、电磁力等）、和表面力，表面力又可分解为垂直于流体团表面的法向力（即压力）和与表面相切的切向力（即剪切力）。 近代流体力学已经证明：如果体积力不能表示为一个势函数的梯度，就会有一个“涡量源”；黏性加上固体边界，就会有“搓”，又是一个“涡量源”；如果流体的状态方程中有两个以上独立的热力学变量（在流体力学中称作是斜压流动），也是一个“涡量源”。 因为上述几种“涡量源”在流体运动中是普遍存在的，所以涡旋就成为流体运动中极为普遍的运动形态。 飞机着陆时气流场中的涡旋。这是协和式飞机着陆时流场中涡旋的正视图。 涡旋星云、台风、龙卷风 宇宙空间的涡旋星系，大概是我们见到的尺度最大的涡旋。中国科学院外藉院士林家翘教授曾在研究涡旋星系方面，做出过开创性的贡献。 美斯波策太空望远镜所拍距 地球700光年的涡旋星系图片 银河系的俯视图（左）和侧视图（右）。银河系属于涡旋星系，银盘是银河系的主体，是一直径约8.2万光年，厚度约4200光年，中间厚、边缘薄的扁盘。 夏季在电视台气象预报节目展示卫星云图时，经常可以看到由大团白云显示的热带气旋，这也是尺度相当大的流体涡旋。过去曾将它们统称为台风，现在按气象部门的定义，当热带气旋中心附近的风力为8～9级时称为热带风暴，10～11级时称为强热带风暴，12级及以上则称为台风。在北半球，热带气旋是反时针方向旋转的强烈的涡旋，其形状如漏斗，下层周围的空气向中心流入并向上升，而上层空气则向四周流出，其半径可达数百公里。由于它对人类的生活、生产有极大的破坏力，所以气象部门已将每年发生的热带气旋编号并命名来进行观测和预报。 航天飞机拍摄的台风照片 海面和地面上的龙卷风，其涡轴从海面或地面一直延伸到云层，在涡的中心有强烈的轴向流，能将海水或地面上的物品卷吸到高空，也是一种破坏性极强的涡旋。 龙卷风 卡门涡街及其应用 当流体流过一柱体时，在柱体后面的尾流中会出现两排互相交错的涡旋。普朗特的学生、著名力学家冯•卡门（von Kármán）1911～1912年对这一现象给出了清楚的理论分析。后来人们就用其名字来命名，称为卡门涡街。 冯•卡门自己在1954年出版的《空气动力学的发展》一书中说：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来以前，大家己知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利Bologna 教堂中的一幅图画。图上画着 St. Christopher 抱着年幼的耶稣涉水过河。画家在 Christopher 的赤脚后面画上了交错的涡旋。” 卡门涡街 1940年11月7日，美国建筑史上发生了一场悲剧。由一位精明能干的桥梁工程师建造的全长853.4米 的塔科马（Tacoma ）海峡悬桥，在一场并不算大的风（风速仅19米/秒）中发生了剧烈的扭曲振动，振幅接近9米；不到1小时，这座价值640万美元的大桥便崩塌殆尽。大桥的崩塌引起了美国工程界的震惊，许多专家从不同角度来分析研究崩塌的原因。最后从理论和实验上证实了，大桥边墙在大风中发放的卡门涡街是这座大桥崩塌的祸根。这件事情使卡门涡街声名大振。后来，人们在设计桥、塔桅、超高建筑时，都必须将卡门涡街作为一个重要因素来考虑，以使它们安全可靠。 人们还根据卡门涡街的原理，将圆柱放置在均匀流动中使其产生尾流，通过测量尾流产生的卡门涡的发放频率，以达到测量流速和流量的目的。这种名为“卡门涡街流量计”的流量测试装置，目前己在工业界得到了广泛的应用。 涡旋的害与利 前面所谈到的急流的大涡旋，台风，龙卷风等常常伴随着灾难或惊险，从而引起人们全神贯注的集中关心或全力拼搏、抢救，所以社会科学也将“涡旋”一词移植了过去，用来比喻遇到了极大的麻烦，像“陷入了某问题的涡旋”。 实际上，在人们的生活与生产活动中，有时需要防止涡旋的不利作用，有时也需要涡旋帮忙，发挥涡旋的积极作用。 涡旋的产生伴随着机械能的耗损，从而使物体（飞机、船舰、车辆、汽轮机、水轮机等）增加流体阻力或降低其机械效率。但另一方面，也正是依靠适当设计的外形，才能产生使飞机获得升力、又减少阻力的涡旋。 在水利工程中，例如水坝的泄水口附近，为保护坝基不被急泻而下的水流冲坏，需采用消能设备，人为地制造旋涡以消耗水流的动能。 还可以利用涡旋这种急剧的旋转运动，完成加快掺混媒质的任务，以加快化学反应的速度，增强轻工、冶金过程的混合速度，大大提高燃烧效率和热交换效率等。 人为制造涡旋所制成的旋风分离器，可用来分离由锅炉排放出烟气中的固体颗粒，使烟筒排放的气体较洁净，以达到环境保护的目的。 涡旋有害也有利，所以科学工作者要研究如何在生产过程中控制涡旋的产生和发展，并对自然界中有巨大破坏作用的涡旋加强预报，研究减轻灾害的方法。
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第六章 第一次世界大战后的科技
自我源于思考 2008-7-18 17:12
第六章 第一次世界大战后的科技 科学的每一项巨大成就，都是以大胆的幻想为出发点的。 杜威 我们的使命就是不断地研究和试验，并尽快地把成果应用于生产。 威廉 波音 罗素在二十世纪初提出关于集合论的悖论，引起第三次数学危机，并且在《数学原理》中把数学与逻辑结合起来。他知识广博，与科学家和革命者们均有联系，曾推荐年轻的维纳读爱因斯坦的相对论和玻尔的原子理论。他同时还是个社会活动家，曾到德国会见李卜克内西。 1920 年，罗素到中国讲学，张申府为之翻译。正是经过与中国五四学者们的大量接触和对中国社会考察进行之后，罗素才写下《中国问题》一文，为中国在世界声张。张申府一直介绍罗素的思想，并关注当时的重大科学理论，后来张申府在欧洲发展周恩来、朱德加入共产党的同时又与希尔伯特谈论爱因斯坦相对论。 1919 年，杜威到中国讲学，其哥伦比亚大学时的学生胡适，积极宣传他的思想：文学改良，教育救国。但胡适只学到了杜威的实验思想的表象，在当时没有起到多大实际作用，在抗战初胡适成为 低调俱乐部 成员之一，没有勇气去身体力行自己所宣传的思想。真正实践了教育救国理论的是陶行知。 爱因斯坦在建立广义相对论的过程中得益于数学家 M. 格罗斯曼，在发展广义相对论过程中他和法国的厄 加当进行了许多的讨论， 希尔伯特 也参加建立场方程的研究。随着广义相对论的广泛接受，数学家们受到了很大刺激，对于黎曼几何及微分几何的研究热度骤增。 1923 年厄 加当将克莱因和黎曼的几何学观点统一起来，提出一般联络的微分几何学，成为纤维丛概念的发端，后来陈省身又在此基础上进一步发展微分几何。数学空间理论是指符合某一运算关系的对象的集合，以此为工具可以预测和直接推导出某些事物的性质，这与同为数学工具的群论有类似之处，如在量子力学中平面波和束缚态构成的希尔伯空间等，并且函数也可以组成函数空间，而根据群则可以方便地研究对称性等问题。 1930 年，冯 诺依曼提出自伴算子谱分析理论并应用于量子力学，他在许多方面都有过贡献，尤其以计算机的研制为世界所知。 1918 丹麦的爱尔兰为改进自动电话交换台的设计，提出排队论的数学理论，后经过不断发展，成为信息科学的一项基本理论。 1918 年，英国 哈台、立笃武特应用复变函数论方法来研究数论，建立了解析数论。复变函数论在应用方面，涉及的面很广，有很多复杂的计算都是用它来解决的。比如物理学上有很多不同的稳定平面场，所谓场就是每点对应有物理量的一个区域，对它们的计算就是通过复变函数来解决的。俄国的茹柯夫斯基在设计飞机的时候，就用复变函数论解决了飞机机翼的结构问题，他在运用复变函数论解决流体力学和航空力学方面的问题上也做出了一定贡献。由他对苏联航空事业的贡献， 1925 年，莫斯科航空技术学院易名为工农红军茹柯夫斯基空军学院。这个大学为苏联培养了大量空军人才，并创立了包括实验空气动力学在内的一些航空科学理论。 极限理论是研究与随机变量序列或随机过程序列的收敛性有关的问题的理论，到 20 世纪 30 年代，有关独立随机变量序列的极限理论已臻完备。二十世纪以来 , 由于实际问题的需要 , 特别是受物理学的刺激，人们开始研究随机过程。 1905 年 A. 爱因斯坦和 R. 斯莫卢霍夫斯基各自独立地研究了布朗运动。他们用不同的概率模型求得了运动质点的转移密度。但直到 1923 年， N. 维纳才利用三角级数首次给出了布朗运动的严格数学定义，并证明了布朗运动轨道的连续性。 1907 年马尔可夫在研究相依随机变量序列时，提出了现今称之为马尔可夫链的概念；而马尔可夫过程的理论基础则由柯尔莫哥洛夫在 1931 年所奠定。稍后一些时候，辛钦研究了 平稳过程 的相关理论 (1934) 。所有这些关于随机过程的研究，都是基于分析方法，即将概率问题化为 微分方程 或 泛函分析 等问题来解决。从 1938 年开始，莱维系统深入地研究了布朗运动，取得了一系列重要成果，他充分利用概率的直觉性，将逻辑与直觉结合起来，倡导了研究随机过程的一种新方法，即概率方法。这种方法的特点是着眼于随机过程的轨道性质。莱维对概率论的另一重要贡献是建立了 独立增量过程 的一般理论。他的著作《随机过程与布朗运动》 (1948) 至今仍是随机过程理论的一本经典著作。现代概率论的另外两个代表人物是 J.L. 杜布和伊藤清，前者创立了 鞅 论，后者创立了布朗运动的 随机积分 理论。 在检验实验数据时常用到的是 t 检验，戈塞特是英国现代统计方法发展的先驱，由他导出的统计学 t 检验广泛运用于小样本平均数之间的差别测试。 1899 年，戈塞特进入都柏林的 A. 吉尼斯父子酿酒厂，在那里可得到一大堆有关酿造方法、原料（大麦等）特性和成品质量之间的关系的统计数据。提高大麦质量的重要性最终促使他研究农田试验计划。由于吉尼斯酿酒厂的规定禁止戈塞特发表关于酿酒过程变化性的研究成果，因此戈塞特不得不于 1908 年，戈塞特首次以 学生 (Student) 为笔名，在《生物计量学》杂志上发表了 平均数的概率误差 。 戈塞特在文章中使用 Z 统计量來检验常态分配母群的平均数。由于这篇文章提供了 学生 t 检验 的基础，为此，许多统计学家把 1908 年看作是统计推断理论发展史上的里程碑。 1925 年英国费希尔以生物、医学试验为背景，开创了 试验设计 （数理统计的一个分支），也确立了统计推断的基本方法。 在 JJ 汤姆逊的基础上，卡文迪许的 F.W. 阿斯顿改进发明了质谱仪，由于质谱仪而使同位素的研究有重大突破，应用质谱的方法可以得到辐射元素及产物的比例，以此来确定地质年代。但是中国的科技不发达， 1929 年裴文中发现的山顶洞人遗址时仍是利用形态学鉴定山顶洞人（猿人）头骨的。 1918 年，胡克望远镜发明，它的发明使哈勃的宇宙膨胀理论成为可能。哈勃放弃律师职业到威尔逊天文台工作，首先从对造父变星的观察提出河外星云的概念，接着提出了宇宙膨胀概念，爱因斯坦也得出宇宙膨胀或者收缩的结论，但自己对这一结果不确定而做了修改，在得知哈勃的结果后感到很懊悔。对于太空的研究的发展，鼓舞着以戈达德为代表的人们着手设计火箭，在著名飞行员林德伯格等人的支持和赞助下，戈达德经过反复多次实验，提出火箭飞行的理论和进一步的设想，他在一战中还研究使用火箭筒攻击坦克。 1925 年薛定谔方程建立，量子理论的进一步发展。 1926 年海森保提出测不准原理，玻尔提出的并协理论。但他们多是从对微观粒子的测量的角度来论证的，这种观点引起了轩然大波 , 导致了玻尔与爱因斯坦的长期论战。现代人们更乐意从物质的本质是能量的观点来认识这一问题，如把光的本质看作具有不同频率高速自旋的 物质 漩涡运动的能量形态，并 把微观粒子本身看作是具有不同动量和能量、不同静止质量、不同荷电电量和不同自旋量的微观涡旋 。当微观粒子不断被发现，许多人从经典物理学的角度出发，发展了初期人类的 原子 思想，设想有一种最基本的粒子，它构成了所有的微观粒子，如当代我国有人提出 太极子 的概念，这种观点从物质与能量的关系来理解显然是不正确的。 狄拉克方程把量子波动方程与相对论联系起来，建立狄拉克方程，以此解释了自旋在内的许多现象并预言了正电子的存在。这一系列事件标志量子力学正式建立。狄拉克的观念认为自然界的 真空 里， 负能级海 被电子填充满了，所以难以观察到反物质。后来我国的赵忠尧在加州理工学院观测到了正反电子的湮灭过程，并启发安德逊观测到正电子径迹。 30 年代，量子力学用于固体物理，建立了凝聚态 物理学 ，又用于分子物理，建立了量子化学。二极管和三极管在世纪初被发明，应用到电子设备上，电子技术初步得到发展。在此之上，材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展，为深刻影响 20 世纪人们生活方式的 计算机 技术、 信息技术 、能源技术的发展打下了基础。 在心理学上主要是华生的行为主义心理学占到统治地位，各种心理实验方法也被确立起来。记录神经电位是一种比较重要的研究手段， 1929 年，德国贝格记录脑电波，使人们加深了对于脑科学的理解。哲学原来与数学、逻辑相伴而生，随着对社会现象的研究而显得与后二者疏远，但是在 20 世纪 , 哲学的意义越来越小，这是因为科学发现的增多而不断对人类原有的世界观提出挑战，再也没有人可以把最前沿的科学发现及新出现的社会现象用一种相对简单、稳定的世界观解释清楚，所以哲学成为了某一领域的 世界观 。而技术哲学与科学哲学则随着科技的发展而不断地发展。 自 1889 年德国的敏柯斯基发现胰脏和糖尿病的关联之后，就不断有人尝试分离胰脏的神秘内分泌物质，也陆续有报导指出胰脏的萃取物具有降血糖的作用；但不是效果不够好，就是副作用大，都没有得到同行的认可。一战中受伤并差点被截肢的班丁发现了胰岛素，并应用于糖尿病。 1920 年 10 月，他读到一篇病理报告，其中描述胰管遭结石阻塞的病人，其胰脏中分泌消化酵素的外分泌腺组织有所萎缩，但胰岛细胞却存活良好。于是，班廷想到可以将狗的胰管以手术结扎，仿真结石阻塞的情况；等消化腺萎缩后，或许可以分离出胰岛中未知的降血糖物。但实情是：胰管的结扎是完全没有必要的。因为胰脏所分泌的消化酵素在进入消化道之前都处于非活化的状态，并不会将胰岛素分解；再者在低温下将胰脏绞碎及以酒精萃取，都可去除消化酵素的作用（这一点并非事后之明，当年就有人指出）。 1921 年的夏天，年轻的外科医生班廷与一位刚出校门的助理贝斯特在多伦多大学生理学教授麦克劳德的实验室进行研究。他俩发现胰脏的萃取液可以降低糖尿病狗的高血糖，以及改善其它的糖尿病症状。接下来的１年内，多伦多大学的团队发展出初步纯化胰脏萃取物的方法，并进行临床试验。他们将其中的有效物质定名为胰岛素。为了解决量产与杂质的问题，他们与美国的礼来药厂合作，成功地从屠宰场取得的动物胰脏中，分离出足以提供全球糖尿病患者使用的胰岛素。在不到两年的时间内，胰岛素已在世界各地的医院使用，取得空前的成效。从班廷在 1921 年 12 月举行的美国生理学会年会上，第一次正式报告初步发现算起，不到两年的时间，就得到诺贝尔奖的肯定，可说是前无古人，后无来者；更不要说得奖时，胰岛素正式用在临床试验，只有 1 年多一点的时间，实在难以评估其长期的效益。但今日看来绝无可能之事，的确发生了，究其主因，乃是因为糖尿病的严重性。事后许多人争议胰岛素的发明权，但班丁等毕竟由于首先应用于临床，正像克隆羊多利并非是首个克隆动物一样，这无可厚非。 多马克在一战中负伤，战后他在基尔大学取得医学学位，在德国 LG 染料工业公司工作。 多马克从探索某些染料应用于医学上的可能性这样的观点出发， 把染料合成与新医药研究相结合，使医药研究工作从试管里解放出来。他认为既然制药的目标是杀灭受感染人体内的病原菌，以保护人体健康，那么，只在试管里试验药物作用是不够的，必须在受感染的动物身上观察。这个崭新的观点为寻找新药指明了正确的方向。 1932 年， 多马克 发现一种红色的 染料 （已经被申请专利），他将它注射进被感染的小鼠体内，能杀死链球菌。尽管多马克直到 1935 年才发表了他的发现，巴黎巴斯德研究所的 科学家 们还是听说了他的发现。他们进行了同样的实验，发现这种染料不但对小鼠有效，对人也同样有效，尽管它把人的皮肤染成了鲜红色。科学家们后来发现了这种药物可以裂解为两部分，幸运的是活性部分 --- 磺胺是无色的，这就是磺胺类抗生素的发现。 Havey Cushing 是神经外科学史上一位杰出的神经外科手术技术革新家，他于 1917 年首先提出了神经外科手术操作原则，设计使用了银夹止血、电凝止血，并首先提出术毕缝合硬膜与帽状腱膜，使脑手术死亡率大幅度降低，在神经外科发展初期做出巨大成就。 Dandy 在 1918 年发明 脑室空气造影术 ，从而大大地提高了脑部病变的定位诊断，使手术成功率倍增，死亡率及致残率大为下降。 分析方法其实就是利用物质之间的联系用一种定量系统标定其它系统 ，选取的物质之间关联性越高，测量反应便越是敏感，则分析方法越是精确可靠。 有机微量定量分析奠基人是普雷格尔，他曾从胆汁中离析出一种降解产物，其量尚不足作一次常量碳氢分析。在听了埃米希于 1909 年所作有关微量定量分析的讲演并参观其实验室后，他决意将常量燃烧法改为微量法 ( 样品数毫克 ) ，并获得成功； 1917 年出版《有机微量定量分析》一书，并在 1923 年获诺贝尔化学奖。 1922 年，海洛夫斯基首先向外界透露了他用滴汞电析进行电解的研究情况。 1925 年，他又和日本人志方益三发明了第一台可以自动照相记录的极谱仪，极谱分析法是 20 世纪电化学分析法中最重要的成果。它是依靠极化电极（滴汞电极）与去极化电极来工作的，极化电极在极小的电流时有很大的电压变化，根据在溶液中形成扩散电流及特定的电流电压曲线得到待测物质的浓度。 1926 年，普拉特首先将极谱光分析引进到生物化学中，不久之后即扩展到对有机化合物的研究中，取得了极好的效果。 1924 年，韩祖康在上海自己家中建立一个实验室，先后做出许多分析测试方面的成果，发表了 10 多篇得到国际公认的论文，成为我国在自己家中设有实验室的唯一的化学家。 从科技史的角度，一旦全球知识传播体系与国家创新系统形成，便很难将历史分成几个阶段，这是因为，科学不像政治和经济那样拥有某种周期性的规律。虽然科学工作者个人的工作可以分成几个阶段，但整个科学却无法这样做。科学的发展开始以不可思议的速度进行，并大量地转化到生产中去， 1912 年，冯 . 卡门提出流体流过阻碍物在尾流中形成两列交错涡旋（即涡旋街）的稳定性理论，后被用于飞机和火箭的设计中，仅仅由于空气动力学的发展，改进了设计的飞机速度便比原来提高了 2/3 。波音的创始者，威廉波音与王助合作设计制造的水上飞机获得美军队的青睐，在一战中接受了 50 架的订货而开始走上正轨。效果最显著的科技成果应当属于新式武器，如坦克等。日本军部在刚接触到马克沁重机枪时，部分官员居然认为这种武器太浪费子弹，结果在日俄战争中日军受到很大损失，虽然战争取胜，但是士兵伤亡却高于俄国，引起国内民众不满。一战中大部分的伤亡都是由机枪造成的，而一战以后，迫击炮成为步兵的基本装备，抗战时期，中国军队的战场伤亡多数由日军的迫击炮造成。 但即使在当时世界的科学中心德国，科技精英队伍仍然势单力孤。柏林大学（现在的洪堡大学）与法国的巴黎大学并列为世界最优秀的大学，但德国高校学生不过 10 万人左右。而中国的科技更加薄弱，由于传统文化的影响，国人对于科技知识常打上 西方 的印迹，这不自觉地造成了对于科学的排斥心理，再加上科学知识的接受需要一个过程，在这个过程中很容易受到外界的影响。这是中国科学发展缓慢的一个很重要的原因。例如本人从小接受的是物质的气、液、固三态，到后来接触到胶体时比较自然，但对于液晶就觉得有点不自然。更加不舒服的是相对论，我在初中时候接触到，这对我已经接受的静态宇宙观形成了冲击，由于它打击了我已经形成的信念，在一段时间内我对相对论很反感，可毕竟是年轻人，对这些观念最终还是接受了。另外一个原因是一战的影响，科技成果在战争中广泛使用使普通人对科技产生一定抵制心态。 实验室设备越来越昂贵，越来越复杂，科研活动所需资金越来越多，许多早期留学生抱着发展祖国科学的思想回到国内后，却无法建立从事研究必须的实验室，童第周从比利时取得生理学博士后于 1934 年回国，但是他连显微镜这种最基本的医学实验设备也没有，还是自己花了两年的薪水购置了一台德制双筒显微镜用于胚胎学的研究。另外，实验室运作的复杂性使得科学发现也渐从一个科学家的成果，变成许多科学家互相合作、交流而得到的成果。由于国家创新系统的不断完善，个人发明家在社会中所起的作用相对降低，代之而起的是研究机构和科研院所申请的大量专利，并且高效率地转化为产品或应用于生产。 随着科学的高速发展，经济发展也不断加速，另一方面，社会的民主进程不断前进，大众社会的购买力不断增加，但是社会所用的产品总是相对有限的，在不断鼓励生产的政策下，以高科技装备的工厂没有节制地全速运行，产品生产终于超出了社会购买力，接近了饱和的顶点，在缺乏产业升级与宏观调控的环境下，简单的经济循环被迫中止，这必然引起生产停滞及大量失业形成，这一恶性循环酿成了 1929 年的世界经济经济危机，即著名的大萧条。
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