乱流：最大的物理未解之谜之一 - 托马斯·科尔

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你正在飞机上，突然感到一阵颠簸。你往窗外看外，似乎什么都没有发生，可是持续的颠簸让你和其他乘客感到不安，因为飞机正在通过大气中的乱流。什么是乱流，以及它为什么会发生？托马斯·科尔将带领我们深入一个广为流传的物理未解之谜：乱流的复杂现象。

课程讲解：托马斯·科尔，动画制作：毕嘉娜·拉波维克。

你在飞机上，

突然感到一阵颠簸。

你往窗外看外，

似乎什么都没有发生，

可是持续的颠簸

让你和其他乘客感到不安，

因为飞机正在通过大气中的乱流。

虽然听起来不会让你欣慰，

这个现象是依旧是
一个广为流传的物理谜团。

在对乱流进行了一个多世纪的研究后，

我们只找到了几个解释，

关于它的背后机理以及它对世界的影响。

尽管如此，乱流无处不在，

几乎在任何流体系统中都会出现。

包括你呼吸道里的气流，

你血管里流淌的血液，

和你在搅拌的咖啡里。

云是被乱流支配的，同样的，

拍打着海岸的海浪以及
带离子体的太阳风也是。

如果能准确的理解这个原理，

会对我们生活的方方面面
产生很大的影响。

这些是我们目前所知道的。

液体和气体一般会有两种动态：

稳定平滑的称为层流，

和看似无规律的漩涡
而组成的称为紊流。

想象一炷熏香，

层流存在于烟雾基部，
稳定并且可预测。

可是越接近烟雾的上层

由于烟雾加速，
变得非常不稳定，

运动模式也变的混乱。

这就是乱流，

乱流有几个共同的特征。

第一，乱流是混乱的。

这与随机不同。

更准确来说，乱流对扰乱非常敏感。

随意的轻轻一推

就会导致完全不同的结果。

这就导致几乎无法预测会发生什么，

即便有很多系统当前状态的信息。

乱流的另一个重要的特征是

表现出来的不同运动规模。

乱流有很多不同大小的漩涡

名为涡流，

它们像是不同大小的涡旋。

这些不同大小的涡流互相影响，

变得越来越小，

直到这些动能转换成热能，

这个过程叫做“能量串级”。

这就是我们如何辨认乱流，

可是它为什么会发生呢？

每一种流动液体或气体
都有两个相斥的力量：

惯性力与粘滞力。

惯性力促使流体继续运动，

因而导致不稳定。

粘滞力阻抗外力干扰，

因而流体会成为层流。

在比较粘稠的液体如蜂蜜，

粘滞力几乎每次都赢。

不太粘稠的物质比如水或空气
更易被惯性力控制，

由于不稳定而形成乱流。

我们测量流场流动情况，

用的单位是雷诺数，

是流体的惯性力与黏滞力比值。

雷诺数越大，

乱流出现的几率就越高。

比如，当蜂蜜被倒进杯子里，

雷诺数大约为一。

如果把蜂蜜换成水，
雷诺数就接近一万。

雷诺数对理解简单的场景有用，

但它在许多情况下会无效。

例如，大气层的运动

会被重力和地球的自转等因素所影响。

或者相对简单的例子，
比如建筑物和汽车上的阻力。

我们可以依据很多
实验和实践证据建模，

但物理学家们希望能够
通过物理定律和方程式来预测，

就如同我们可以构建
星球轨道或极场模型。

大多数科学家认为要达到
那个目标要依赖统计学

以及更强的运算能力。

超高速计算机对乱流的模拟

可能会帮助我们找到规律并形成理论，

并能够整合统一针对不同情况的预测。

其他的科学家觉得这个现象太过复杂，

这样一个完善的理论永远不可能。

希望我们能够取得突破，

因为对乱流的真正理解
可能会产生巨大的影响。

包括更加高效的风力发电，

更好的预知灾难性天气的能力，

甚至是操纵飓风的力量。

当然还会给数百万航空公司的乘客
更平稳的旅途。