什麼?海豚吐的泡泡居然和原子彈的蘑菇雲是一個原理?

2020-12-08 騰訊網

大家一定都看過《貓和老鼠》，或者其他的什麼動畫片，裡面都有這種吐煙圈的鏡頭。

《貓和老鼠》動畫片中的吐煙圈鏡頭，雖然現實生活中做不到吐出那麼多字，但是還是能夠吐出一個圓圓的煙圈的

無獨有偶，喜歡這種圈圈的並不只有人類……

在海洋裡與自己吐出的圈圈戲耍的鯨魚

水族館裡的海豚也喜歡玩圈圈，當然他們都吐不出煙圈，但是他們都可以吐出空氣圈。只要在水中向前吐出一口氣，在摩擦力的作用下，這個圈圈就會不斷地向前移動。

這個圈圈在流體力學中被廣泛研究，其正式的名字被稱為渦環（vortex ring）。

泡沫環（bubble ring）是在水裡的渦環，在環內充滿了空氣。當泡沫環在水裡移動時，環內空氣與附近的水都會呈角向轉動（poloidal rotation），就好像當滾動一串柔軟的手鐲於手臂時，手鐲會呈平移運動與角向轉動一樣。泡沫環角向轉動越快，就會變得越穩定。

渦環中流體的流動方向示意圖。可以看到圓環中的流體在繞著軸進行旋轉，而且如果這個環的角向轉動越快，那麼這個環就會變得越穩定

為了更方便讓大家理解渦環裡面的角向轉動，可以看上圖，兩個人在泳池內產生了一個渦環。隨著渦環的上升，放入其中的小物體也隨著渦環快速旋轉，展示了渦環內部的流體流動的方向

渦環的存在十分地普遍，我們可以在很多地方都見到它們。

上圖直觀地展示了一個高速飛過的飛機，其產生的下降氣流也會導致渦環的產生

在很多展示實驗中有

空氣炮這個項目，實際上也是使用了類似的原理，拉動底部的彈性薄膜，釋放以後就會向外吹出空氣，這個吹出的空氣就會在空氣阻力的作用下形成穩定的渦環，傳遞十分遠的距離。上圖渦環帶動了可燃氣體，從而點燃以後形成了一個火焰環

BBC 紀錄片展示了一個

渦環大炮。其內部通過點燃氣體向外噴射形成渦環，炮口處看到的渦環並不是內部的氣體，而是氣體快速收縮膨脹使得水蒸氣凝結形成的渦環

雖然不能「八百裡開外」打倒目標，但是摧毀這種近距離的小目標還是輕輕鬆鬆的

慢鏡頭下的一個十分完美的渦環在不斷前進

渦環的現象普遍到隨便一個和流體有關的實驗裡你都能見到它。比如下圖這個酒精火箭，內部酒精蒸汽在點燃的過程中也會有肉眼可見的渦環。

酒精火箭演示實驗。可以看到瓶子內部的淡藍色的圈圈在不斷向前移動

不得不說，渦環無處不在。這個「甜甜圈」實在是太過迷人。

就連原子彈和氫彈爆炸形成的蘑菇雲，其本身就是一個巨大的渦環在不斷上升。

氫彈爆炸

原子彈爆炸

在原子彈和氫彈爆炸的過程中，都會形成大量的高溫高壓氣體迅速膨脹，從而形成衝擊波。

而這突然產生巨大體積的低密度氣體都會形成蘑菇雲，這一過程導致瑞利－泰勒不穩定性。大量氣體急劇上升，導致沿其邊緣彎曲向下形成渦旋，從而形成一個渦環組成中心柱狀「蘑菇梗」。氣體以及夾帶的潮溼空氣最終上升到外界與其密度相同的高度並散開，而從低處升來的塵埃則會沉積）。這一穩定高度取決於溫度、露點以及起始高度上方空氣的風切變。

關於渦環也有許許多多的研究課題，比如，兩個渦環相撞，會發生什麼有趣的現象呢？上圖為 27 年前發表在 Nature 上的關於兩個渦環相撞的視頻。T. T. Lim & T. B. Nickels (Published in Nature 1992)

現代的人藉助高清成像設備還原的視頻圖像

兩個渦環相撞會發生什麼？其實是一個十分有趣的課題。在 27 年前的一個研究論文揭示了這樣相撞以後，在渦環相撞的平面上會形成很多個垂直的小渦環。在這現象背後還有很多值得研究的地方。

關於渦環我們還有太多沒講的故事，如果你也想在現實中看到渦環的話，不如……

這樣就轉起來了

6. YouTube 博主 SmarterEveryDay 在視頻

Two Vortex Rings Colliding in SLOW MOTION - Smarter Every Day 195

中展示了花費三年時間，才終於還原了的渦環相撞實驗

編輯：Cloudiiink

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    寶寶最近出現愛吐泡泡的情況，讓寶媽媽擔心起來，就會迫不及待的在網上查找原因，問醫生。到底是哪些原因容易引起寶寶愛吐泡泡呢？一，由於寶寶的唾液腺發育尚不完善，及吞咽功能尚不健全，加之餵養不當時，就容易引起寶寶出現愛吐泡泡的情況，尤其是寶寶在兩個月以後更為明顯；二，再有一些說法就是，寶寶愛吐泡泡的情況和肺炎是有關係的，據醫學資料表明，肺炎初期，寶寶是有愛吐泡泡的症狀，但是常常伴隨著其他症狀的（呼吸增快、胸部凹陷、發熱、咳嗽、喘憋等等），也不是每個患肺炎的寶寶都會出現吐泡泡的。
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  • 魚為什麼會吐泡泡
    鯉魚等魚類，它們的魚鰾有一根管子和消化道相連，如果想為魚鰾補充氣體，就浮到水面上換氣。如果想排出魚鰾裡多餘的氣體，就直接從嘴裡吐出去，所以，我們就能夠看到魚吐泡泡了。 還有一些魚類，比如我們常見的黃魚、帶魚，它們的魚鰾是封閉的，通過一種特殊的腺體和毛細血管與動脈和靜脈血管相連，因此稱之為「閉鰾」
  • 為什麼螃蟹總在吐泡泡?
    螃蟹是節肢動物門裡的甲殼綱動物，和蝦屬於同一個類別，外面有一層硬殼。它和魚一樣，也用鰓呼吸，但是螃蟹的鰓和魚鰓是不一樣的，它們並不生在頭部的兩側，而是生在身體背面的兩側。螃蟹的鰓由很多像海綿一樣鬆軟的鰓片組成，外面覆蓋著堅硬的甲殼。我們吃螃蟹的時候，剝開外面的硬殼，就能夠清楚地看見兩邊的鰓片。螃蟹從螯足和步足基部吸進新鮮的清水，就此把水裡的溶解氧帶入鰓的毛細血管中。經過處理的水從鰓部流過後，再由口器的兩邊吐出。
  • 核爆後的蘑菇雲是如何形成的
    一些火山噴發和撞擊事件則能產生自然蘑菇雲。大量氣體急劇上升導致沿其邊緣彎曲向下的渦旋，從而形成一個渦環組成中心柱狀「蘑菇梗」。氣體以及夾帶的潮溼空氣最終上升到外界與其密度相同的高度並散開，而從低處升來的塵埃則會沉積（參見放射性落下灰）。這一穩定高度取決於溫度、露點以及起始高度上方空氣的風切變。詞源雖然這個術語似乎是從20世紀50年代開始流傳的，但實際上由爆炸產生的蘑菇雲早在原子時代之前便已有描述。
  • 螃蟹吐泡泡意味著什麼,需要加水嗎?自來水養不活螃蟹嗎?
    買了幾斤螃蟹來吃，但一時間吃不完，就打算把螃蟹放在家裡養著，不知道這螃蟹放家裡養的話，遇到它吐泡泡用不用加水呢?螃蟹吐泡泡需要加水嗎？不需要。螃蟹是靠兩邊的腮進行呼吸的，這裡能保存很多水分，當鰓和空氣接觸的面積較大時，鰓裡含有的水分和空氣會一起吐出，便會形成無數的氣泡，這並不代表它就缺水，而是螃蟹離開了水裡，進入陸地自然呼吸的現象，吐泡泡只能說明它吸進的空氣過多，不需要額外加水，以免加水太多導致螃蟹缺氧，反而窒息而死。螃蟹吐泡泡意味著什麼？意味著新鮮。螃蟹加多少水合適？
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    螃蟹是節肢動物門裡的甲殼綱動物，和蝦屬於同一個類別，外面有一層硬殼。它和魚一樣，也用鰓呼吸，但是螃蟹的鰓和魚鰓是不一樣的，它們並不生在頭部的兩側，而是生在身體背面的兩側。螃蟹的鰓由很多像海綿一樣鬆軟的鰓片組成，外面覆蓋著堅硬的甲殼。我們吃螃蟹的時候，剝開外面的硬殼，就能夠清楚地看見兩邊的鰓片。螃蟹從螯足和步足基部吸進新鮮的清水，就此把水裡的溶解氧帶入鰓的毛細血管中。經過處理的水從鰓部流過後，再由口器的兩邊吐出。
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