德国惊现神操作！物理学家创造最强涡环公式！用空气打破吉尼斯世界纪录！看完跪了......

原创 超模君 超级数学建模 1月2日

 郑重声明

本期没加特效

没见过没关系，接下来不要看傻了就行。

2012年，为捷克电视节目《自然奇观》（Zázrakypřírody）建造了 大型空中涡旋加农炮。他们不断增加纸箱与加农炮的距离，以此发起挑战。

从20米开始，可以说根本毫无压力。

再到60米，仍然是游刃有余。

最后，在100米（330英尺）的极远位置 ，创造了一波吉尼斯世界纪录。

为了切实感受KONGQIPAO的威力，两名工作人员还亲自上场，直接来了一波 面对疾风。

脸都被打肿了

而细心的模友可能已经发现，在超模君发的这些都是 高清无码的动图里，都出现了一个 若隐若现的烟雾环圈圈！

是的，你没有看错！之所以这炮打得这么猛，都是因为这流体力学的 涡流在搞怪！

什么是涡环

涡环（又称涡旋），是指流体顺着某个方向环绕直线或曲线轴的区域，它是由被扰动的流体，如液体、气体、等离子体所形成的。就像这样：

绕理想涡流环流

可以看到圆环中的流体在绕着轴进行旋转，而且如果这个环的角向转动越快，那么这个环就会变得越稳定

为了更方便让大家理解涡环里面的角向转动，超模君还邀请了两位专业人士为你进行水底解读！

水中涡环：泡沫环

你会看到，随着涡环的上升，放入其中的小物体也随着涡环快速旋转，展示了涡环内部的流体流动的方向。

而更为神奇的是，这内部气流旋转极大增强了涡环的运动持久性。

就像旋转的车轮减少了汽车与地面之间的摩擦一样，涡环的涡流也减少了核心与周围静止流体之间的摩擦，从而使它能够在不损失质量和动能的情况下保持尺寸或形状，进行较长距离的运动。

因此，与流体射流相比，涡环可以较好的保持原状，走得更远。这也解释了为什么烟圈停止吹散后，仍保持长时间运转。

这神奇的涡环，让人们大呼妙哉的同时，也引起了物理界的强烈好奇。

妙不可言的涡环研究

自17世纪至今，人们对它的研究一刻都没有停过。

1858年，德国物理学家 赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）发表了论文 《表达涡环的流体动力学方程的积分》，对其进行了数学分析。 

Hermann

其中，他用表达式描述了涡环的强度。

正是 亥姆霍兹的论文，让人们开始对涡环的形成、运动和相互作用有了基础的认识，并尝试一步步展开深入的研究。

直至如今，出现了很多关于涡环的有趣研究。其中最著名的，莫过于 两个涡环的相撞实验。 

用被动标记可视化两个涡旋环的碰撞

透过动图，你会看到，如果两个相同涡环之间产生正面碰撞，就会出现了神奇的现象： 沿碰撞平面径向扩展后形成小环。

为了揭开神秘的面纱，实验员通过收集这些可视化数据进行判断。

他们发现，当涡环发生碰撞时，外圈先开始分解并形成小结点。在这些结点里，都存在有一个低压力点。

正是这些低压区域，对附近的物质产生吸引，从外圈将环分解为小块。

但是，至于分解的时候为什么只旋转了90度，且方向只朝外的等等问题，至今仍然没有准确的解释。

处处可见的流体力学专家

事实上，涡流的奇妙并不仅仅在于其自身神秘的独特性，更多原因而是在于， 它是 自然界普遍存在的令人惊叹的奇迹。

比如说， 海豚的花式吐泡泡。

海豚和白鲸可以吹出完美的气泡涡环，这是它们的拿手绝活。

它们热衷于与之嬉戏、追逐，甚至有时候用脚蹼阻止涡环上升。对它们来说，饭可以少吃，但吹涡环不能没有。 

又比如说， 蒲公英的超远飞行。

要知道，在很长一段时间里，蒲公英如何保持飞行是物理界一直想解开的谜题。  

直到2018年10月在《自然》发表的一篇论文   A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion，才真正揭示了蒲公英种子的飞行机制。

英国爱丁堡大学的中山真美、Ignazio Maria Viola及其同事构建了一个垂直风洞，对自由飞行的和固定的蒲公英种子的绕流做可视化处理。

通过长曝光摄影和高速成像，他们发现分离的涡流环是蒲公英飞行的基础。  

图片来源于Nature自然科研

当然，除了自然界之外，在航空、军事当中，也同样充斥着涡环的影子。

举个栗子，当飞机以高速飞过时，其产生的下降气流就会导致涡环的产生。

再譬如没有感情的杀手：空气大炮。  

 

他的喜悦都在这炮里了  

就连氢弹和原ZIDAN爆炸形成的蘑菇云，其本质也是一个不断上升的巨大涡环。

事实上，在爆炸过程中，大量的高温高压气体迅速膨胀，直接导致冲击波的形成。

而这突然产生的低密度大体积气体，又将演变为蘑菇云，直接引发     瑞利-泰勒不稳定性。    
   

   

     

瑞利-泰勒不稳定性

一般来说，当密度更小的流体在密度更大的流体下方时，由于重力加速度的作用，就会发生瑞利-泰勒不稳定性。

大量急剧上升的气体，致使沿其边缘弯曲向下形成涡环，从而形成一个围绕中心“蘑菇”柱状的大涡环。

   

涡环的存在，在展现流体力学独有魅力的同时，也像在告诉着我们：   生活处处是科学，就看你能不能get到而已。

对此，超模君最有发言权，因为超模君发现：

每一个普通人，其实都是隐藏的流体力学专家。

不要误会，不是针对你

写在最后

如果这世界上没有数学家

人类将会变成怎么样？

如果没有了牛顿

就没有近代科学及文明

如果没有欧拉

就没有统一的数学符号

如果没有冯诺依曼

就更没有现代计算机