大自然中的“卡門渦街”

你聽說過“卡門渦街”現象嗎?當水流過橋墩,風吹過高塔、煙囪、電線、島嶼時就可能會形成卡門渦街,它是一連串交替分佈的美麗漩渦,是大自然的傑作。卡門渦街是流體力學中的現象,得名於著名力學家馮卡門。

你聽說過“卡門渦街”現象嗎?當水流過橋墩,風吹過高塔、煙囪、電線、島嶼時就可能會形成卡門渦街,它是一連串交替分佈的美麗漩渦,是大自然的傑作。卡門渦街是流體力學中的現象,得名於著名力學家馮卡門。

1911年,物理學家路德維希普朗特讓一比特攻讀博士學位的研究生哈依門茲設計一個流水槽,以便觀察流水經過一個圓柱體時的邊界層,並量測圓柱體表面不同點的壓力。哈依門茲做好水槽後卻發現水槽中的水流不斷地發生劇烈振動,幾次嘗試後仍不見改善。

哈依門茲在水槽實驗中遭遇的難題引起了馮卡門的注意,他想,也許振動並非偶然,而是由內在原因决定的,於是便嘗試從理論上進行思考,研究漩渦的排列規律。起初馮卡門設想圓柱體後的水流形成兩道對稱排列但方向相反的漩渦,然而這種狀態並不能維持,很快就不穩定了。於是他又假設兩道漩渦交錯排列,計算結果表明這種狀態能够維持。在經過了大量的實驗後,馮卡門發表了相關論文,他關於卡門渦街的理論也被後來的實驗證實。

卡門渦街不僅會在圓柱體後出現,也可能會在其他形狀的物體後形成,如可在高層大樓、電視發射塔、煙囪等建築物後形成,這些建築物受風作用而引起的振動倒塌往往也可能與卡門渦街有關。所以,在設計高層建築物時,往往會進行計算和風洞模型測試,以避免因卡門渦街導致建築物被破壞。

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