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科普：吐烟圈与赫姆霍兹推力: 热度 18 qhliu 2014-8-2 08:42; 一，何谓赫姆霍兹推力 ? 吐水圈是海豚最古老的游戏项目之一。人类是否从此学会吐烟圈不得而知，不过却从此获得灵感制造出海豚装饰品。( 水圈、烟圈，在流体力学中，称为涡流 ( vortex )) 。在几个架起来的空瓶子旁边放置一两个喇叭。喇叭一响，空瓶就象风车一样转动。运动的原因是由于赫姆霍兹推力 ( Helmholtz propulsion : Uno Ingard ，Notes On Acoustics, 2008 ，p.336 ) 。那么，何谓赫姆霍兹推力 ? 就是利用声学赫姆霍兹共振腔产生推动力。既然是源自赫姆霍兹共振腔，这里关键的因素是共振。每一个空腔都可以是一个赫姆霍兹共振腔。 Russell(Professor of Acoustics，Penn. State Univ.) 就用圣诞球演示过赫姆霍兹推力，并把这个装置命名为赫姆霍兹旋转木马。他对这个声学推动现象的普及功不可没。吐烟圈与赫姆霍兹推力似乎风马牛不相及！二，分析物理问题的 “ 三把刀 ” 与赫姆霍兹推力的物理根源普通 500ml 的矿泉水瓶的共振频率在 100Hz 上下！假如共振时，体积的变化在 1/10000 量级，那么，每秒就要交换 5ml 的空气。当手靠近瓶口，可以感觉空气往外吹。如果交换空气的方式是对称的，也就是进出瓶子的方式一样，那么，瓶子无论如何也动不起来。 —————— 插播：分析物理问题的 “ 三把刀 ” —————— 卖弄一下分析物理问题的 “ 三把刀 ” 。土著具有这一套组合刀的专利权。碰到一个物理问题先用如下 “ 三把刀 ” 试试： 1 ，要从微观上分析清楚； 2 ，要从动力学上分析清楚； 3 ，要从原理上分析清楚。 ———————————— 把共振过程分解开来，进出的空气无非经过如下过程。体积膨胀时，空气吸入。空气进入时会升温。升温原因来自两方面，第一，空气压缩；第二，空气从外部压入。空气的升温是整体的升温，不仅仅在瓶口部分。这个升温的效果将导致瓶壁变性，使得瓶中的本征频率改变，所以，长时间后，瓶子的旋转速度将减小。空气吸入时，空气从瓶口四周沿差不多 2 立体角流入瓶中。体积收缩时，空气射出。喷出的空气应该是涡旋 ( 类似烟圈 ) 状态。为什么是涡旋 ? 空气流出时，中心的空气向外，而靠近瓶口处的瓶壁空气静止，必定形成涡流。涡流稳定，单向性好。相同质量的空气，射出的动量要大。三，小结声场中，瓶子 ( 赫姆霍兹共振器 ) 在共振时通过吐烟圈而获得推动力。这也是赫姆霍兹旋转木马能旋转的根本原因。几个小问题： 1 ，为什么涡流有很高的稳定性 ? 基本原因和陀螺近似。更深入的原因不解释，直接上图： 2 ，涡流能大到什么程度 ? 遥望星空，想超新星爆发。那里的涡流尺寸在数十亿公里量级。 3 ，涡流研究有什么新进展 ? 且拉大旗作虎皮： Creationand dynamics of knotted vortices ： Nature Physics 9, 253–258 (2013)。 _____________ 延展阅读： 1 ，奇思妙想之赫姆霍兹旋转木马 ( Helmholtz carousel ) 2 ，亥姆霍兹共振与反常亥姆霍兹旋转木马 3 ，赫姆霍兹振子的妙用 4，奇特的烟圈大炮; 个人分类: 大学教育|17943 次阅读|52 个评论

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