聽說過流體力學中的死水效應嗎

2020-07-07 煎蛋

引擎正常工作的輪船在行駛過程中為何神秘減速，甚至停滯不前？1893年，工程師首次觀察到的這一現象，並在1904年通過實驗進行了驗證，但直到今天，我們還是沒有完全揭開死水效應的神秘面紗。

來自CNRS和普瓦捷大學的跨學科團隊首次給出了關於背後機制的解釋：被死水困住的船隻，速度變化是由于波浪的作用，就像起伏的傳送帶一樣，船隻在其上來回運動。這項研究於2020年7月6日發表在PNAS上。

1893年，挪威探險家Fridtjof Nansen在西伯利亞北部旅行時遇到了一個奇怪的現象：他的船被神秘力量減速，幾乎無法操縱。1904年，瑞典物理學家和海洋學家Vagn Walfrid Ekman在實驗室中發現，北冰洋這一區域上部的鹽水和淡水層之間的界面，在水面下形成的波與船相互作用，產生阻力。

這種現象被稱為死水(dead-water)，出現在所有存在混合密度(由於鹽度或溫度不同)的洋流中。科學家觀察到兩種拖曳力。首先，一種學名叫Nansen造浪的阻力導致船體恆定低速。第二，Ekman造浪阻力，其特徵為被困船隻的速度振蕩。其原因未明。CNRS的Institut Prime和Mathatomatiques et Applications實驗室(CNRS /普瓦捷大學)的物理學家，流體力學專家和數學家都試圖解答這一難題。他們首先對不同的內部波進行了數學分類，並在亞像素尺度上對實驗圖像進行了分析。

這項工作表明，這些速度變化是由於產生特定的波浪而產生的，特定的波浪就像是波浪狀的傳送帶，船舶就像是在跑步機上的你。科學家們同時調和了Nansen和Ekman造浪阻力。他們表明，Ekman振蕩狀態只是暫時的：船最終會逃逸並達到恆定的Nansen速度。

除了在數學物理方程上做出理論貢獻之外，這項工作在海洋運輸和艦船設計上，也有潛在的應用價值。同時，或許還有一個意想不到的應用方向。

西方著名的阿克提姆海戰(公元前31年)，在軍隊數量上佔優的安東尼和屋大維最終決戰，當時支持安東尼的埃及豔后的艦隊，卻逡巡不前。最終，埃及豔后所在的旗艦脫離艦隊，不戰而逃。安東尼軍心大亂，本人也棄師而走。

歷史學家分析這場戰役，比較合理的解釋的是，埃及女王克裡奧帕特拉不懂戰爭和指揮，患得患失，優柔寡斷，最終導致不戰而敗，自取滅亡的結局。

但是，現在我們有了另一種解釋：考慮到阿克提姆海灣是洋流交匯之處，或許是死水效應導致奧特利帕特洛的艦隊被困在原處。想像一下吧，迷信的古人要如何理解這種現象：被鞭笞的奴隸死命划槳，但是戰艦就是一動不動……等擺脫Ekman造浪阻力之後，逃離戰場似乎才是埃及豔后最為合理的選項。

更多信息：Johan Fourdrinoy等， PNAS(2020年)。www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1922584117

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