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卡门涡街现象(卡门涡街原理)

admin2022-11-28 04:11:34励志语录134人已围观

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钱学森是我们国家无所不知的科学家和工程师,有才华的学生往往不缺有才华的老师。钱学森的导师是著名的“超音速时代之父”3354冯卡门。

钱学森(中)和冯卡门(右)

关于冯卡门的故事很多,还有很多以他名字命名的理论、发明和现象,比如“冯卡门曲线”、“卡门旋转体”、“卡门-钱学森公式”等。今天要说的是我们生活中常见的现象:“卡门涡街”。

是这次实验中的一个偶然发现。冯卡门在德国哥廷根大学担任助教时,监督学生们做了一个非常简单的实验:将一个圆柱体放在水槽中,然后让流动的水流过圆柱体。

实验是假的,但在实验过程中发现了一个大问题:当水流过圆筒时,圆筒会不安地振动。冯卡门的老师3354普朗特,更著名的“现代流体力学之父”,对此不屑一顾,认为圆柱体不是圆的,但冯卡门不这么认为。他认为这是流体流动的问题,而不是测试设备造成的错误。

冯卡门认为水流使圆柱体振动。

冯卡门发现,当水流过圆柱体时,如果速度足够快,会导致圆柱体后面的水流方向不再是垂直向后,而是神奇地“摆动”,带动圆柱体振动,同时在圆柱体后面留下一个漩涡。

冯卡门经过仔细研究,总结了这一现象,将其命名为卡门涡街,并撰写了他的第一篇论文。从此,“卡门涡街”这个名字成为空气动力学中最经典的概念。

流体是一种运动不稳定的物质。与流体相比,固体确实是一种具有简单运动和变化的物质。

当我们对一个固体施加力时,该固体的形状大致保持不变。例如,如果你对一个立方体施加一个力,立方体可能会变得更长,稍微弯曲,但立方体不会变得千疮百孔,曲折。

同时,固体在外力作用下形状的变化一般是“线性”的。随着外力变大,固体的变形按比例变大。当我们去掉这个力时,物体的形状往往可以恢复。

固体的变形和运动非常简单。

这种液体非常不同。首先,流体没有稳定的形状。随着外力的变化,流体的外部形状是弯曲的,而且不仅是外部形状,内部结构也像集市一样热闹。流体的不同部分相互摩擦、碰撞、剪切、分离和混合.相对于整齐的固体,流体的运动规律真的是让科学家很头疼。

流体的运动是不可预测的。

卡门涡街现象的原因与流体的不稳定性有关。它表现出与固体完全不同的性质。

大自然充满了卡门涡街。不要以为卡门涡街只是实验室里的东西。事实上,自然界到处都有“卡门涡街”。比如我们从太空看云,经常会发现风吹过高耸的山峰后,会在下游的云层中形成一个个漩涡3354,这些美丽的漩涡就是卡门涡街。

云中的卡门涡街

再比如,当鱼在水中游动时,它就利用这种周期性脱落的“漩涡”来获得前进动力——。这种现象被称为“反卡门涡街”。

飞鱼在他们身后的水面上抛下一个漩涡。

卡门涡街造成的毁灭灾难。卡门涡街很美,但如果你只是觉得它很美,而不关注它可能带来的灾难,你迟早会受到科学之神的惩罚。

比如在著名的“塔科马海峡大桥坍塌事故”中,工程师们没有想到风吹过桥面会出现卡门涡街现象,但这就好像一开始冯卡门观察到水流过圆柱体会使圆柱体振动一样。卡门涡街会在桥面上产生重复的周期性外力。

当这种外力的频率达到一定值时,桥梁的振动就会越来越大。这就是我们所说的“共振”现象,所以水泥钢筋做成的桥,其实就像面条一样摇晃,最后完全坍塌。

多摩海峡大桥坍塌事故

多摩海峡大桥坍塌事故原因

从此,任何建筑在设计之初,都要把建筑模型放进风洞模型里吹一吹,以确保神奇的卡门涡街不会让这些建筑再次坍塌。

综上所述,卡门涡街的出现本质上来源于流体的神奇性质,我们在水、空气等流体中都可以看到这种现象。而且卡门涡街不仅仅是“美”,更重要的是它是自然科学中的客观现象。如果你尊重它,恰当地使用它,它会更加强大。如果不知道这种现象的恐怖,很有可能会在不经意间毁掉自己的作品。

本文到此结束,希望对你有所帮助。

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