芝加哥大学物理学家在制造湍流方面取得突破 全球观热点

动荡无处不在。它在拿铁咖啡和牛奶的漩涡中，沿着飞机的机翼和汽车的侧面展开，在阀门关闭后搅动你心脏的血液。然而，我们仍然没有完全掌握它的所有规则。

部分挑战在于，物理学家通常首先将现象与环境隔离开来进行研究——但搅拌杯子意味着勺子总是在里面，影响液体的流动。还没有办法自行将湍流分离出来。

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然而，芝加哥大学的一组科学家开创了一种在水箱中产生封闭湍流的方法。他们使用一圈喷气机来吹圈，直到一个孤立的湍流“球”形成并徘徊。

“这让我们感到惊讶，”物理学家 Takumi Matsuzawa 说，他是描述该发现的研究的第一作者，该研究发表在《自然物理学》上。“这就像平静地坐在田野里野餐，看着 50 英尺外肆虐的风暴，”该研究的通讯作者 William Irvine 教授说。

他们希望这一突破开辟一条新的研究途径，以更好地理解湍流。

“甚至没有人知道这是可能的” 湍流——不均匀混合物质中的混沌流动——是一个古老的问题。“它经常被引用为物理学中的重大开放问题之一，”Irvine 说。

在过去的几十年里，科学家们在描述“理想化”湍流状态的行为方面取得了进展。也就是说，湍流没有混淆变量，如边界，或强度和时间的变化。但是，要了解真实世界的湍流，还有很多东西需要了解。

“湍流在我们周围无处不在，但它一直在逃避物理学家认为令人满意的描述，”欧文说。“例如，如果你问，当我戳到这个湍流区域时，我能预测接下来会发生什么吗?答案是不。甚至没有超级计算机。”

最大的问题之一是实验中存在混杂变量。您可以通过管道喷射快速水流或在水箱中搅拌桨来产生湍流，但湍流总是擦过容器壁和搅拌器，这会影响结果。

松泽、欧文和他们的合作者一直在用水箱进行 实验，以制造“涡环”——就像烟圈，但在水中。当他们试图将它们结合起来产生湍流时，能量通常会在消散之前立即反弹回来。

但是一旦他们想到了一个特定的配置——一个有八个角的盒子，每个角都包含一个涡环发生器——奇怪的事情发生了。

当他们反复发射在中心相遇的圆环时，他们看到一个独立的湍流球，远离坦克的墙壁。

这本身就是一个突破：“没有人知道这是可能的，”物理学研究生松泽说。“湍流非常擅长混合事物;如果将牛奶混合到咖啡中，则在完全混合之前只能加入一两个漩涡。我们可以将其控制在适当的位置这一事实非常令人惊讶。”

Matsuzawa 解释说，独立的湍流球使科学家能够使用激光和多个快速相机更精确地跟踪其参数。这包括它的能量和螺旋度(衡量环的缠结程度)以及冲量和角冲量(动量和角动量的流体当量)。

更重要的是，他们可以通过改变参数来使用它。他们可以改变他们发送的环是顺时针还是逆时针旋转的螺旋。他们可以改变进入的能量数量，或者停止添加环并观察湍流消散，或者改变环的螺旋度并观察湍流如何随时间演变。

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