专题4 水可以搓吗

1、专题4水可以搓吗一一冯卡尔曼涡街现象冯卡尔曼冯卡尔曼(Theodore von Karman, 18811963 )出身于奥匈帝国一个教育 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(Gottingen)大学求学，在普朗特(Ludwig Prandtl ， 18751953)教授的指导 下，于1908年获得博士学位。冯卡尔曼1911年时在哥廷根大学当助教。1911 年到1912年从理论上精辟分析流动的流体在圆柱体后留下的两排周期性涡旋的 现象，可用来解释机翼颤振和风激桥梁振动等现象。后来，从事流体力学中的湍 流问题研究，提出湍流的力学相似原理。还用力学方法解决了水

2、坝裂缝、风车发 电、天文台大型反射望远镜的转动等工程问题，解决了航空工程许多技术问题。 冯卡尔曼在学术上的主要贡献还有举力面理论和机翼非定常流理论、超声速流 中细长体近似、亚声速流近似处理方法、跨声速相似律和非线性小扰动方法、薄 板和浅壳的屈曲问题等。中国著名科学家钱学森、郭永怀、钱伟长以及华裔美国 学者林家翘等都是冯卡尔曼的学生。冯卡尔曼涡街现象一股流体，如水流以一定速度流动，遇到圆柱一类的钝状物体阻碍，水流被 分成两股绕过圆柱，继续向前流，不过在圆柱后面形成一股尾流。调节水流的速 度和圆柱的大小，尾流会从稳定变成不稳定。圆柱后面开始有旋转的小水团，称 为涡旋，从尾流中脱落出来。有人形容涡旋

3、像猫眼一样。圆柱两边都会周期性地 脱落出涡旋，一边一个交替脱落出来，一边的涡旋顺时针方向旋转，另一边的涡 旋逆时针方向旋转，有规则地排列成双排，称为双列线涡。两列线涡分别保持自 身的运动前进，互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成一连串非线性的 涡旋流。由于其形如街道两边的路灯，称为涡街。这个现象首先由冯卡尔曼教 授提出，所以称为冯卡尔曼涡街，或称卡尔曼涡街。雷诺数流体遇到障碍物，即阻体时，阻体会阻碍、干扰流体继续向前流动。比如水 流遇到圆柱体后分成两股，由于水流具有惯性分别继续向前流动，水流具有一定 的粘滞性，边界上的水流层与圆柱体发生摩擦，造成边界层水流速度变慢，而边 界层外水流速度大

4、，水流好像被圆柱体搓了一下，被搓的水会发生层流、湍流等 现象。雷诺数反映这种现象。雷诺数是流体的惯性力与粘滞力之比，它的数学符号 为Re，量纲为1。Re定义为：R _Vd Re v其中d是阻体的宽度，对于圆柱体就是直径；V是来流速度，来流是水，就是 水速；v是流体的动粘滞率。雷诺数小表示流体粘滞力占上风，雷诺数大表示流体惯性力占上风。例如， 水流遇到圆柱体，雷诺数小于40时是分层流动，雷诺数达到47时出现涡街现象， 雷诺数大到几千时会发生乱流，称湍流。胡安费尔南德斯云图美国地球资源卫星于1999年9月15日拍摄的胡安费尔南德斯群岛的塞尔 寇克岛上空云图。胡安费尔南德斯涡街分析胡安费尔南德斯群岛

5、位于南太平洋，是智利国家公园。由马斯地、塞尔寇 克和圣克拉拉等3个岛屿组成。17041709年苏格兰水手亚历山大塞尔寇克因 航船搁浅在马斯地岛上只身生活了 4年零4个月。据传英国作家笛福所写的鲁 滨逊飘流记，就取材于马斯地岛。1966年1月20日智利内务部颁布法令，将 该岛改名为塞尔寇克岛。有人戏称胡安费尔南德斯岛上空云图是鲁滨逊飘流 记飘出来的涡街。云图下面是塞尔寇克岛，岛东西宽1500米，海拔1600米高耸入云（达海上 层积云），像一根大圆柱挡风。大范围上空有从南向北、吹向赤道方向的风，云 流在岛的东边缘发放右旋的涡旋，在岛的西边缘发放左旋的涡旋，周期性地发放， 一直被平流输送数百公里，构

6、成自然界的卡尔曼涡街。这个涡街的长度是实验室 里形成的涡街的长度的1万倍。大气在大范围传送中形成的巨型涡街，犹如梦幻 般的分形奇观。“搓”出来的涡旋旁白格致先生：爱科学的朋友们，大家好。格致先生欢迎大家来到“格致讲学堂”， 听故事，愉快享受物理世界。今天，我与大家讨论一个关于流体的知识，最终要 大家了解一个非常美丽的物理、力学现象一一冯卡尔曼涡街现象。普朗特路德维希普朗特（1875-1953，德国物理学家），空气动力学的先驱者，20 世纪20年代开创了亚音速空气动力学基本原理的数学研究。陆士嘉陆士嘉（1911-1986）,中国著名的女空气动力学家，北京航空学院教授。1933 年毕业于北平师范大

7、学物理系。1937年在德国哥廷大学师从德国物理学家普朗 特教授。长期从事空气动力学理论研究，倡导旋涡、分离流和湍流结构的研究。 她是北京航空学院的筹建者之一，创办了我国第一个空气动力学专业，参与创建 一整套低速风洞和我国第一个高速风洞。图释2003年在冰岛附近出现的一个温带气旋。大西洋上空的暴风眼。海洋中的水涡。日本鸣门大旋涡。飞机上航拍的大气旋涡“搓”成过程。彩色农药洒出来的飞机翼尖尾流漩涡的三维湍流。剧情1格致先生：我问一个有趣的问题，水能搓吗？慧慧（若有所思地）：听说过搓麻绳，没听说过搓水。聪聪（鬼头鬼脑地大声嚷嚷）：还有搓麻将。格致先生：水能搓，而且我们经常可以看到搓水的现象。（背景出

8、现陆士嘉头像，字幕展示：陆士嘉（1911-1986）,中国著名的女空 气动力学家，北京航空学院教授）格致先生：我国著名空气动力学家陆士嘉教授曾经一语道破“流体的本质就 是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”就是说，水不仅能搓，还能搓出 涡来。剧情2格致先生：下面，我们来领略一下各种各样涡。蒙太奇手法，掀看涡。格致先生（画外音）：瞧，冰岛上空的涡。（字幕：2003年在冰岛附近出现的一个温带气旋。）格致先生（画外音）：喏，大西洋上空的暴风眼。（字幕：大西洋上空的暴风眼。）格致先生（画外音）：再瞧，海洋中的水涡。格致先生（画外音）：这是汹涌波涛日本鸣门大旋涡。（字幕：大西洋上空的暴风眼。）格致先

9、生（画外音）：飞机上航拍的大气旋涡“搓”成过程。（字幕：大气旋涡“搓”成过程。）格致先生（画外音）：彩色农药洒出来的飞机翼尖尾流漩涡的三维湍流。（字幕：飞机翼尖尾流漩涡的三维湍流。）回到格致讲学堂，背景淡入苏东坡头像。旁白格致先生：这个世界真是太精彩了，水可以搓出旋涡，大气可以搓出旋涡， 彩色农药也能搓出旋涡。大家看到了涡，就看到了流体的本质。我国著名诗人苏东坡（苏轼）和父亲苏辙一起来到徐州，城东南二里泗水上 的百步洪。苏辙看到两岸悬崖陡峭，溪径狭窄，水流湍急，乱石穿空，绵延数里， 诗兴大发，写了一首诗陪子瞻游百步洪，苏轼和了一首百步洪，“四山 眩转风掠耳，但见流沫生千涡。” 一句“流沫生千涡

10、”，美哉，精彩绝伦。（字幕：“四山眩转风掠耳，但见流沫生千涡”从小变大，旋转，旋转，转 出下图。）格致先生：搓出来的旋涡，精彩绝伦呀！（背景旋涡开始旋转，从慢到快，回到格致讲学堂）冯卡尔曼（Theodore von Karman， 1881 1963）教授在办公室。冯卡尔曼涡街动画片。冯卡尔曼涡街动态模拟。剧情3格致先生：下雨天，我们在水坑里淌水时，细心的人会看到脚后跟有一串涟 漪。1911年冯卡尔曼教授在德国哥廷根大学在水流中插一根圆柱，研究圆柱 后面水的涟漪现象。水流遇到圆柱，分成两股继续向前流动。水流边界与圆柱发 生摩擦，水内部又有粘滞性。因此，圆柱充当“搓手”，不断搓水。水流大到一 定

11、程度，居然会把一团水搓出来变成涡旋。背景动画：画一股水流遇到圆柱，放出一个旋转的水团。格致先生：两边水流不断放出涡旋，达到稳定时，形成奇特的涡街现象，由 于冯卡尔曼教授第一个发现这个现象，称为冯卡尔曼涡街。剧情4演示：冯卡尔曼涡街。连续播放数次。同时，格致先生旁白：当雷诺数达到47时，水流在圆柱体后面开始稳定“搓” 出像猫眼一样的涡旋，左边放出一个逆时针旋转的涡旋，右边再放出一个顺时针 旋转的涡旋，左一个，右一个，在圆柱体后面形成两排互相错开的涡旋串。好像 街上两排互相错开的路灯。所以把这种现象，形象地称为涡街。剧情5格致先生：英国作家丹尼尔笛福于1719年4月25日出版了一部小说鲁 滨孙漂流

12、记。如今成了世界文学宝库中一部不朽的名著。展示鲁滨孙漂流记第一版的封面和第一页。展示鲁滨孙漂流记第一版的封面。展示鲁滨孙漂流记第一版的第一页。背景：马斯地岛从小到大。格致先生：1704-1709年苏格兰水手亚历山大-塞尔寇克的航船在智利马 斯地岛搁浅，在岛上只身生活了4年零4个月。笛福的鲁滨逊飘流记就取材 于马斯地岛，1966年1月20日智利政府将该岛改名为塞尔寇克岛。格致先生：塞尔寇克岛是胡安费尔南德斯群岛三个岛中一个。塞尔寇克岛 东西宽1500米，海拔1600米，像一根挡风的大圆柱，高耸插入海上层积云中。 1999年9月15日居然在塞尔寇克岛上空云层形成壮观的冯卡尔曼涡街。被戏 称为从鲁滨逊飘流记飘出来的涡街。背景图案：美国地球资源卫星于1999年9月15日拍摄的胡安费尔南德斯 群岛的塞尔寇克岛上空云图。格致先生：从卫星上观察，大范围上空有从南向北、吹向赤道方向的云流， 云流遇到塞尔寇克岛阻挡，在岛的东边缘发放右旋的涡旋，在岛的西边缘发放左 旋的涡旋，一个间一个，周期性地发放，云流绵延数百公里，构成自然界的冯卡