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大多数坐飞机的人都有这样的经历。飞机上下晃动,机内指示灯亮起。广播开始提醒大家气流不稳定。请系好安全带。在指示灯熄灭之前,请勿采取任何行动或在该区域移动。
飞机在飞行过程中经常会遇到颠簸
不稳定的气流实际上是湍流,或湍流,是一种常见的流体状况。一般情况下,当速度较低时,流体呈层状流动,不发生混合,称为层流;当速度增大时,流线呈波浪状振动,但当速度足够大时,流体呈层状流动.线以波浪方式振动。随着透明状态的增加,流场中出现许多小涡流,称为湍流。日常生活中,动荡无处不在。湍流是大气中大多数天气现象的原因,但它在水和人类中也发挥着独特的作用。一代又一代的现代科学家为理解湍流的物理性质和数学结构付出了巨大的努力,但也对其困难感到困惑。维尔纳卡尔海森堡(WernerKarlHeisenberg),天才物理学家和测不准原理的提出者,1923年毕业于慕尼黑大学,其博士论文题为“流体的稳定性和湍流”。是一项非凡的成就,但后来他更喜欢量子力学的研究。据说海森堡曾经开玩笑地说,当他看到上帝时,对方可能无法给他回“为什么会有湍流?”这个题。列奥纳多达芬奇是第一个使用视觉方法来研究这个科学题的人。1507年,他将观察到的涡流流体命名为“LaTurborenza”,并用手绘图画来描述它。“观察水面的运动。这与头发的运动类似。头发有两种运动一种是由于其重量,一种是由于卷曲的方向,所以水也会产生漩涡。”主流运动,有些是随机的、的运动。”
达芬奇的《LaTurbolenza》手稿
对于现代研究人员来说,有两件事与达芬奇的观察一致首先,他将水流分为平均部分和波动部分。1883年,英国工程师奥斯本雷诺兹发表了他的“关于条件确定的论证”。《水流的直线或曲线运动定律和平行流体的阻力》,这是迄今为止流体力学领域最重要的经典论文。利用实验结果,我们表明水流可以分为两种类型。流动和湍流形式引入了一个无量纲数,雷诺数,它是流动的惯性力和粘性力的比值,来表征两种流动条件。其次,列奥纳多达芬奇认为涡流是湍流的元素。1922年,世界上第一个用数学方法准确预测天气的英国物理学家刘易斯弗莱理查森发表了他的开创性著作《数值天气预报》。2012年,这一领域的先驱者在给朋友的信中用一首打油诗表达了他眼中的颤抖。
大漩涡里面有一个小漩涡
以那个速度拉起来
小元肯里面还有一个小元肯。
通过增加粘度
湍流,即大涡旋叠加在小涡旋上的结构,长期以来一直被视为一种模式或抽象概念,但即使理查森,无论多么聪明,也无法理解其数学背景。我不能。真正的突破出现在20世纪40年代,当时苏联数学家安德烈科尔莫戈洛夫(AndreiKolmogorov)发表了一篇论文,推导了湍流的能谱公式。这是一个非常简单而优雅的幂律关系,描述了涡流能量随涡流大小的分布。虽然它的计算存在经验上的缺陷,但它们非常有洞察力,涵盖了最深刻的见解,使我们能够分析地上热带气旋的涡旋和木星的涡旋。
木星的大红斑
在科学家们认识到这一点之前,艺术家们也对这种神秘的自然现象进行了各种记录。爱尔兰东北部米斯郡纽格兰奇墓的石雕描绘了青铜时代的对流模式。《水之国中国秘史》一书的作者菲利普鲍尔表示,中国古代水墨画,特别是明代艺术家石涛的一些桂林山水白描画,描绘了水波的粗略特征。他说,他正在画画。
纽格兰奇墓碑
明代石涛画《霜林玫瑰》
谁不禁会想起梵高?他的《星夜》、《麦田群鸦》、《柏树路》等晚期画作都以远景为特色,漩涡的形状非常明显。天空湍流的艺术表现。
星夜
麦田里的乌鸦
柏树路
2004年,哈勃望远镜拍摄到了麒麟座V838恒星的图像。周围的光环正在缓缓扩大。在新闻发布会上,美国宇航局发言人称其为太空版的“星夜”。
2019年初,澳大利亚国立大学的JamesRBeattie和昆士兰大学的NecoKriel在arXiv上联合发表了一篇题为《星夜动荡吗?》的文章。使用基于柯尔莫哥洛夫创建的不可压缩湍流模型的分析研究了这幅著名的画作。
原作《星夜》现收藏于纽约现代艺术博物馆,其高分辨率数字图像可在线观看。为了消除其他区域的干扰,两位研究人员首先在数字图像中选择了天空中仅包含漩涡的方形区域,然后使用三种不同颜色通道创建了2D地图,然后使用傅里叶分析来计算2D功率光谱。而且,正如预期的那样,它表现出与超音速湍流相同规模的行为,超音速湍流是在分子气体云中观察到的一种湍流。这解释了为什么星夜的大漩涡似乎在驱动较小的漩涡,但在性质上与它们相似。发现于汹涌的云层中。
三个颜色通道下的分析区域
这并不是科学家第一次利用流体学来分析《星夜》,2008年,墨西哥国立自治大学的何塞路易斯阿拉贡及其同事在《梵高的激情画作》杂志上发表了一篇文章。《数学成像杂志》,“视觉。湍流亮度”分析了蓝天中亮点的亮度变化。得出的结论是,这些亮度波动的统计似乎与安德烈柯尔莫哥洛夫的预测一致,只不过在本研究中它们更符合亚音速湍流模型的分布。
星夜涡旋亮度波动的统计变化
这些发现一次又一次让我们惊叹不已梵高的眼睛可能是世界上最独特的人类眼睛。《星夜》是他于1889年6月,即他去世前一年,在法国圣雷米的一家精神病院创作的作品。即使在他患有精神疾病最严重的时候,他也以数学精确的方式反映了自然的剧变。这种尖锐观点背后的洞察力很难解释。
参考
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