一个有着127年历史的物理学谜题

来源: https://phys.org/news/2019-08-year-old-physics-riddle.html

发布日期: 2019-08-24

挪威科技大学的Simen Ådnøy Ellingsen教授和他的学生们解决了存在127年的物理学问题,通过实验证实了偏离中心的船尾波的存在,并对开尔文角理论进行了扩展,这一发现可能有助于减少船舶燃料消耗。

5年前,挪威科技大学(NTNU)的能源与程序工程系的副教授Simen Ådnøy Ellingsen仅用最简单的方法——一支笔和纸,就解决了一个已存在了127年历史的物理问题。他从数学角度证明了偏离中心的船的尾波是可以存在的。5年后,他的学生终于用实验证明了——他是对的。

海滩上形状奇怪的环形波,这与我们平时看到的一样吗?其实在这里,有许多不同的效果在发挥作用。Ellingsen说:“看到那些照片出现在电脑屏幕上的那天,是我在工作上有过的最美好的一天。”就是那天,他的博士生Benjamin Keeler Smeltzer和硕士生Eirik Æsøy将实验的照片发送给他,证实了他5年前的理论。

Ellingsen挑战的是一个从1887年就建立起的公认知识。他解决了一个与船的尾波中的开尔文角有关的问题。一直以来,我们都认为只要水的深度不是太浅,那么V字尾流的角度应该始终低于39度,不管它是跟在一艘超级油轮后面,还是跟在一只小鸭子后面。但是就如许多其他公认的事物后来也被证明是错误的那样,Ellingsen证明了开尔文角的情况并非总是如此。

其实在Ellingsen刚准备研究这个问题时,他并没有意识到这是会是一个多么困难的问题,对他来说这是一个全新的领域。他发现在某些情况下,船的尾波可以有完全不同的角度,甚至会偏离船的航行方向。他推测,当不同的水层中有不同的水流时,即所谓的剪切流,就会发生这种情况。对于剪切流来说,开尔文的船尾波理论是不适用的。

在某些情况下,环形波也会表现出有非常有趣的行为。如果你在一个宁静的夏日将一块鹅卵石扔进湖中,你看到波纹形状将会是完美的同心圆。但如果存在剪切流的话,情况就会有所不同,环形的波纹可能会变成椭圆形。Ellingsen也从柯西和泊松1815年的理扩展出了这个预言。

因为这一发现,Ellingsen登上了《流体力学》杂志的封面。但那时,他的所有计算都是在纸上完成的,并没有实验可以检验他的预测。于是后来,他获得了一个建立实验室的机会来支持他的这项研究工作,在他的两个学生的帮助下,他们在一个专门为此项研究而设计的水池中进行了实验。

这些关于开尔文角的新的研究结果可能可以为实际应用带来影响。比如它可以有助于减少船舶的燃料消耗。或许大家有所不知,实际上船的很大一部分燃料都被用来产生这些波浪了,船只在顺流和逆流中航行所消耗的燃油差异是非常大的。

Ellingsen表示,他们的结果并没有推翻开尔文的理论,只是对其进行了扩展。当水面下没有水流层,且水深足够时,开尔文角仍然成立。但一旦水层之间有了运动,不同的水层有着不同的流动速度,那么这个角度就会改变。在某些情况下,这种改变甚至可以非常大。从理论上说,当非常强的水流垂直于船的航行方向时,尾流实际上可能出现在船的一侧的前面。在这种情况下,你若是船长,可能就得考虑换个地方航行了。

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