一个有着127年历史的物理学谜题

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科学出版社2019.9.3我想分享

1。

五年前,挪威科技大学(NTNU)能源与程序工程系副教授Simen dn?y Ellingsen用最简单的方法解决了已存在了127年的物理问题。和纸。他在数学上证明了偏离中心船的尾迹可以存在。五年后,他的学生终于通过实验证明他是对的。

○海滩上奇怪的圆形波浪,这和我们通常看到的一样吗?事实上,这里有许多不同的效果。 |图片来源:Simen Andreas?dn?y Ellingsen/NTNU

Ellingsen说:“我在电脑屏幕上看到那些照片的那天是我工作的最好的一天。”那天,他的博士生Benjamin Keeler Smeltzer和硕士生Eirik?s?y将进行实验。这张照片发给了他,五年前证实了他的理论。

五年前,艾林森挑战了1887年建立的公认知识。他解决了与船后的开尔文角度有关的问题。

○Simen Andreas?dn?y Ellingsen(左),Benjamin Keeler Smetzer(中)和Eirik?s?(右)找到他们正在努力寻找的涟漪。 |图片来源:NTNU

2。

我想每个人都看过这样的画面,当船在水中游泳时,它会形成一个V形的尾迹。由于开尔文是第一个对这种船舶波进行数学研究的人,因此这波也被称为开尔文波浪。

○Kelvin Ship Wave。 |图片来源:维基百科

一直以来,我们都认为只要水的深度不太浅,V形尾流的角度应始终低于39度,无论是在超级油轮后面还是在小鸭后面。但是,随着许多其他公认的事情被证明是错误的,Ellingsen证明了开尔文的情况并非总是如此。

事实上,当艾林森刚刚准备研究这个问题时,他并没有意识到这将是多么困难。对他来说,这是一个全新的领域。他发现,在某些情况下,船的尾迹可能有完全不同的角度,甚至偏离船的方向。他推测,当不同水层中存在不同的水流时,即所谓的剪切流,就会发生这种情况。对于剪切流动,开尔文的严厉波理论不适用。

Ellingsen回忆说:“第一个尝试解决这些波问题的人是像Cauchy,Poisson和Kelvin这样的天才,他们都处理了没有水流的最简单的静水问题。这比我们后来发现的更多。一般情况是更容易。“

3。

在某些情况下,环波也会表现出非常有趣的行为。如果你在一个安静的夏日将鹅卵石扔进湖中,你会发现波纹形状将是一个完美的同心圆。但是,如果存在剪切流动,情况将会不同,并且环形波纹可能变为椭圆形。 Ellingsen还从1818年的Cauchy和Poisson理论中推广了这一预测。

在没有水流的情况下,圆形波是完全同心的。但是当水面下方有水流时,圆形波纹开始呈椭圆形,并开始偏离中心。 |照片来源:NTNU

Ellingsen说:“在我做了最初的计算之后,我看到了荷兰海滩上的波浪回来。我在水中做了一些戒指并拍了一些照片。后来,当我再次看到它时,我发现这些戒指看起来是椭圆形的。我非常兴奋!但当然,那时候不是科学,但现在却是!“

4。

由于这一发现,Ellingsen出现在《流体力学》的封面上。但当时,他所有的计算都是在纸上完成的,并没有实验来测试他的预测。后来,他有机会建立了一个实验室来支持他的研究。在他的两个学生的帮助下,他们在专门为研究设计的游泳池中进行了实验。

S' Y拥有技术人员的背景,可以节省大量的时间和金钱来建立实验室。他们花了大约六个月的时间才准备好一切。 Smeltzer和? S' Y设置用于创建所需水流量的所有设备。最后,他们的结果发表在《流体力学》。

5。

这些关于Kelvin Corner的新发现可能对实际应用产生影响。例如,它可以帮助减少船舶的燃料消耗。也许你不知道,事实上,很大一部分船舶的燃料用于产生这些波浪,而船舶在下游和逆流中的燃油消耗量则大不相同。

○在所有三张照片中,船都以相同的速度(50厘米/秒)移动。根据凯尔文的理论,这三条路径应该看起来都一样,但事实并非如此。计算船后面的横波(每张图上方的小白点),左侧:倾斜波,水面不移动,但水面下方有水流。介质:速度相同,水面也处于静止状态,但有一股水流向相反方向移动。右:水面仍然没有移动,船和水下的水流是一样的。 |图片来源:NTNU

这些燃料消耗计算基于来自美国俄勒冈州哥伦比亚河河口的水流量。水在这里涌来,有很多船。因此,对于有兴趣减少燃料消耗和减少排放的任何人来说,研究不同流中的船只是很重要的。

艾林森说,他们的结果并没有推翻凯尔文的理论,只是延伸了它。当水面下没有水层且水深足够时,仍然建立开尔文角。但是一旦水层之间发生运动,不同的水层就会有不同的流速,那么这个角度就会发生变化。在某些情况下,这种变化甚至可能非常大。理论上,当非常强的水流垂直于船的行进方向时,尾流实际上可能出现在船的一侧。在这种情况下,如果您是船长,您可能需要考虑改变航行的地方。

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1。

五年前,挪威科技大学(NTNU)能源与程序工程系副教授Simen dn?y Ellingsen用最简单的方法解决了已存在了127年的物理问题。和纸。他在数学上证明了偏离中心船的尾迹可以存在。五年后,他的学生终于通过实验证明他是对的。

○海滩上奇怪的圆形波浪,这和我们通常看到的一样吗?事实上,这里有许多不同的效果。 |图片来源:Simen Andreas?dn?y Ellingsen/NTNU

Ellingsen说:“我在电脑屏幕上看到那些照片的那天是我工作的最好的一天。”那天,他的博士生Benjamin Keeler Smeltzer和硕士生Eirik?s?y将进行实验。这张照片发给了他,五年前证实了他的理论。

五年前,艾林森挑战了1887年建立的公认知识。他解决了与船后的开尔文角度有关的问题。

○Simen Andreas?dn?y Ellingsen(左),Benjamin Keeler Smetzer(中)和Eirik?s?(右)找到他们正在努力寻找的涟漪。 |图片来源:NTNU

2。

我想每个人都看过这样的画面,当船在水中游泳时,它会形成一个V形的尾迹。由于开尔文是第一个对这种船舶波进行数学研究的人,因此这波也被称为开尔文波浪。

○Kelvin Ship Wave。 |图片来源:维基百科

一直以来,我们都认为只要水的深度不太浅,V形尾流的角度应始终低于39度,无论是在超级油轮后面还是在小鸭后面。但是,随着许多其他公认的事情被证明是错误的,Ellingsen证明了开尔文的情况并非总是如此。

事实上,当艾林森刚刚准备研究这个问题时,他并没有意识到这将是多么困难。对他来说,这是一个全新的领域。他发现,在某些情况下,船的尾迹可能有完全不同的角度,甚至偏离船的方向。他推测,当不同水层中存在不同的水流时,即所谓的剪切流,就会发生这种情况。对于剪切流动,开尔文的严厉波理论不适用。

Ellingsen回忆说:“第一个尝试解决这些波问题的人是像Cauchy,Poisson和Kelvin这样的天才,他们都处理了没有水流的最简单的静水问题。这比我们后来发现的更多。一般情况是更容易。“

3。

在某些情况下,环波也会表现出非常有趣的行为。如果你在一个安静的夏日将鹅卵石扔进湖中,你会发现波纹形状将是一个完美的同心圆。但是,如果存在剪切流动,情况将会不同,并且环形波纹可能变为椭圆形。 Ellingsen还从1818年的Cauchy和Poisson理论中推广了这一预测。

○环形波具有完美的同心形状,没有水流。但是当水面下有水时,环形波纹开始呈椭圆形并开始偏离中心。 |图片来源:NTNU

Ellingsen说:“在我做了最初的计算之后,我看到了荷兰海滩上的波浪回来。我在水中做了一些戒指并拍了一些照片。后来,当我再次看到它时,我发现这些戒指看起来是椭圆形的。我非常兴奋!但当然,那时候不是科学,但现在却是!“

4。

由于这一发现,Ellingsen出现在《流体力学》的封面上。但当时,他所有的计算都是在纸上完成的,并没有实验来测试他的预测。后来,他有机会建立了一个实验室来支持他的研究。在他的两个学生的帮助下,他们在专门为研究设计的游泳池中进行了实验。

S' Y拥有技术人员的背景,可以节省大量的时间和金钱来建立实验室。他们花了大约六个月的时间才准备好一切。 Smeltzer和? S' Y设置用于创建所需水流量的所有设备。最后,他们的结果发表在《流体力学》。

5。

这些关于Kelvin Corner的新发现可能对实际应用产生影响。例如,它可以帮助减少船舶的燃料消耗。也许你不知道,事实上,很大一部分船舶的燃料用于产生这些波浪,而船舶在下游和逆流中的燃油消耗量则大不相同。

○在所有三张照片中,船都以相同的速度(50厘米/秒)移动。根据凯尔文的理论,这三条路径应该看起来都一样,但事实并非如此。计算船后面的横波(每张图上方的小白点),左侧:倾斜波,水面不移动,但水面下方有水流。介质:速度相同,水面也处于静止状态,但有一股水流向相反方向移动。右:水面仍然没有移动,船和水下的水流是一样的。 |图片来源:NTNU

这些燃料消耗计算基于来自美国俄勒冈州哥伦比亚河河口的水流量。水在这里涌来,有很多船。因此,对于有兴趣减少燃料消耗和减少排放的任何人来说,研究不同流中的船只是很重要的。

艾林森说,他们的结果并没有推翻凯尔文的理论,只是延伸了它。当水面下没有水层且水深足够时,仍然建立开尔文角。但是一旦水层之间发生运动,不同的水层就会有不同的流速,那么这个角度就会发生变化。在某些情况下,这种变化甚至可能非常大。理论上,当非常强的水流垂直于船的行进方向时,尾流实际上可能出现在船的一侧。在这种情况下,如果您是船长,您可能需要考虑改变航行的地方。

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