作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2020-3-19
选择字号:
卡门与卡门涡街的“偶遇”

 

张宇宁

在科学研究的过程中,经常会有一定的不确定性。因此,科学史上一些重要的发现反而是无心插柳的结果,例如稀有气体的发现。笔者梳理了卡门涡街的发现过程及其后续的应用,希望本科生能从中体会到,在科学研究的过程中观察和思考的重要性。

日常生活中卡门涡街的例子非常多,并不陌生。例如,当小溪中水流的流速较快时,遇到大石块等障碍物,水流会自然地被分成两股绕行,且会出现两个交替的、不对称的小漩涡并沿着下游运动。这个现象便是流体力学中著名的卡门涡街。

绘画作品中也有对此现象的表现。意大利博洛尼亚市的一所教堂里,有一幅描述圣克里斯多福背着耶稣赤足渡河的油画,画家描绘了河水在画中人物脚跟处形成的交替的漩涡,即为卡门涡街。

卡门涡街最令人疑惑的是,为何漩涡不对称。如果采用一个完全对称的大石头(例如圆柱形状的石头),那么上述涡街是否会变成对称的?实际上,不管被绕流的物体对称与否,只要流体流速达到一定的数值,上述漩涡的出现一定是非对称的。

在早期的研究中,卡门涡街的这种奇异特性困扰了很多科学家。如果从卫星中俯瞰地球,即使是大气环流这样大尺度的流动中也可能包含卡门涡街的现象。例如,当大气流经一些岛屿时,也可能会在其后方形成壮观的卡门涡街。

需要警惕的是,卡门涡街也可能带来很多严重的危害,例如美国华盛顿州塔科马海峡吊桥崩塌事件便是由卡门涡街导致的。该吊桥于1940年7月1日建成后首度通车,但遗憾的是,当年的11月7日,风速达到了大约19米每秒,大桥出现了异常的剧烈颠簸,刚刚运行四个多月的大桥轰然倒塌。根据调查结果,这起事件的元凶便是卡门涡街引起的振荡频率因极其接近大桥本身的固有频率,从而引起了大桥桥体的剧烈振荡直至倒塌。

对于这样一个重要的现象,研究者自然不在少数。最后之所以以西奥多·冯·卡门的名字命名,一个重要的原因是他在该领域的杰出贡献。有趣的是,这个研究本身并非冯·卡门的专长,他进入该领域纯属偶然。

1911年,冯·卡门进入德国哥廷根大学,给著名的路德维希·普朗特教授当助教。当时,普朗特的一个博士生正在研究水流绕过圆柱体时的边界层分离现象。但是,不知为何在圆柱体表面上的压力总是出现剧烈的振动。起初,大家都以为是圆柱的加工不够精确而导致的,但几经改进仍不见效果。

这个现象被冯·卡门注意到了,经过思考,他认为可能是流体内在的某种因素导致了这样一个奇特的现象。于是,冯·卡门改变了研究的思路,从漩涡稳定性的角度进行分析,尝试了多组方案,终于发现如果是两道交错排列的漩涡可以自行维持,并很好地解释了相关现象。

同年,在普朗特的鼓励和支持下,冯·卡门发表了人生的第一篇学术论文,也是他的成名之作,对上述非对称涡街现象给出了很好的机理阐述并被实验所证实。

卡门涡街理论的突破对于工程实践有很多潜在的应用。如塔科马海峡吊桥的重建。当时,桥梁设计界尚未认识到卡门涡街的严重危害,仍然是从传统的桥梁承重等角度设计。有鉴于此,冯·卡门积极奔走并详细阐述卡门涡街的危害,终于说服了市政府改进设计方案,从而避免了大桥坍塌的悲剧再次发生。

卡门涡街的其他应用还包括:解释风弦琴发声原理;涡街流量计,即利用其原理将其作为测量各种管道内流量的一种基本方法;解释水电站事故、烟囱倒塌的原因;运用在电线除冰上,等等。

冯·卡门的创新故事给本科生以下几方面的启示。

一是年少多努力。冯·卡门关于卡门涡街的论文便是其人生发表的第一篇论文,并因此而迅速成名。由此可见,本科生更应该趁着年轻多多努力,勤于思考。

二是关注细节。起初,涡街的研究并非是冯·卡门的研究题目。但是,他对该现象没有轻易放过,从中发现科学创新的机会,并顺利地解决了该问题。因而,在科研过程中,需要对重要的若干细节进行敏锐地观察和思考。

三是独辟蹊径。当别人在研究涡街问题遇到障碍、止步不前之时,冯·卡门能够指出从涡旋维持的角度思考该问题,并提出了一种全新的机理解释。在研究遇到困难时,需要换个思维方式,从其他视角去审视科研难题。

四是反馈社会。关于卡门涡街的研究,冯·卡门没有止步于象牙塔,而是在塔科马海峡吊桥重建过程中积极建言,不但避免了类似大桥倒塌悲剧的发生,同时也提升了大桥等建筑设计的标准,堪称理论联系实际的典范。

http://blog.sciencenet.cn/u/upflyzhang

《中国科学报》 (2020-03-19 第8版 博客)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
科学家发现印度大陆俯冲板片撕裂 牛顿苹果树在沪开花结果
古冰芯铅污染或可追踪国家兴衰 科学家发现深海软体动物马蹄螺科两新种
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文