醉酒的蝴蝶飛不出花花的世界的原因找到了! | 正經玩

2021-03-01 中科院物理所

花花世界迷人眼~

沒有.

咳咳,花花世界固然美好

在其中迷失也無可厚非

但是

做完這次實驗之後

小編發現

原來其中另有蹊蹺

所標杯、電吹風機、膠帶、紙

首先裁出一張細長的紙條

 

然後用膠帶把紙條

沿軸向粘在杯壁上

最後打開電吹風機

在粘貼紙條的對側

向杯子吹風

觀察紙條的運動情況

 

可以看到紙條

並不能穩定地隨風揚起

而是會出現波動

從另一個角度可以

更清楚地看到這一現象

電吹風低速擋

電吹風高速擋

原理解說

這次的實驗的背景是卡門渦街(von Kármán vortex street)。這個名字來源於著名的空氣動力學家馮·卡門。卡門渦街經常出現在飛行器設計,橋梁設計等需要考慮流體力學的領域中。

 

NACA翼型的卡門渦街

實驗中,吹風機吹出的風經過杯子時,風速的分布情況受圓筒的影響會發生變化。而風速的變化又會通過紙巾的波動變化反映出來。那麼風速具體的變化情況是什麼樣的呢?

 

在流體力學的理論中,有很多重要的無量綱數,比較有名的有雷諾數馬赫數。卡門渦街就與雷諾數有著緊密的關聯。雷諾數的公式是:

雷諾數越小,表示粘性力越大,慣性力在計算時可以忽略,流動更趨向於穩定。雷諾數不同,流體的流動行為也會不同。

 

不同雷諾數下的流動情況

有了流體力學的理論之後,我們就可以用它進行模擬,從而康康流體流速的具體分布情況。模擬流體的算法非常多,像有限差分(FDM)有限元(FEM)光滑粒子動力學(SPH)物質點法(MPM)等等。這裡的模擬是用了格子玻爾茲曼方法(LBM)

 

層流(非靜止畫面)

卡門渦街

湍流

註:自上而下,雷諾數增大,圖中顏色越深,表示流速越小。

從模擬的結果可以看出,雷諾數小的時候,流體形成穩定的層流,這對應著實驗中風速較小的情況。此時,只有來流自身的不穩定所造成的小波動。當雷諾數變大時,流體經過圓柱,開始變得不穩定起來,形成周期交替出現的渦,即卡門渦街。當雷諾數進一步增大時,流體的運動更加複雜,開始形成湍流。實驗中風速較大的情況就對應著這兩種情形,紙條的波動會非常大。

 

以上的模擬我們只是模擬了圓柱的繞流,我們也可以把圓柱換成方形或者其他形狀。

 

方形

分析完實驗的原理,小編突然間明白了,為什麼說蝴蝶「怎麼也飛不出,花花的世界」。我們知道,花的根莖一般是圓柱狀的,當一陣風吹過這些花的根莖時,從我們前面的分析可以知道,風速會發生非常複雜的變化,有可能會形成卡門渦街。再加上蝴蝶喝了點假酒,酒後飛行,就更難從亂風中飛出來了。

 

所以說,「怎麼也飛不出,花花的世界,原來我遇上了,卡門的渦街。」


 

參考資料

[1] 無需月光寶盒,洗潔精也能「回到過去」| 正經玩

[2] NACA翼型測試

[3] 模擬代碼參考

[4]【男子五人】用韓團的方式打開《酒醉的蝴蝶》【精 神 小 夥】

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