終於破解了流體力學中，長達數十年之久的物理之謎！

知識 05-29

看本文的小夥伴有物理或工程本科及以上的嗎？有的話，你會看的得心應手哦(^?^*)幾十年來，物理學家、工程師和數學家都未能解釋流體力學中一個顯著的現象：流體中湍流的自然趨勢，即從無序的混沌運動到完全平行的斜湍流帶模式。許多科學家觀察到這種從混沌湍流狀態到高度結構化模式的轉變，但從未理解過。在EPFL的物理系統實驗室中，Tobias Schneider和團隊發現了解釋這一現象的機制，其研究結果發表在《自然通訊》上。

從混亂到有序

用來描述流體流動中發生各種現象的方程式是眾所周知，這些方程捕捉了支配流體動力學的物理基本定律，這是一門從本科水平開始教授給所有物理和工程專業學生的課程。但當湍流起作用時，方程的解就會變得非線性、複雜和混沌。例如，這使得在很長一段時間內預測天氣變得不可能。然而，湍流有一個令人驚訝的趨勢，從混沌到一個高度結構化模式的湍流和層流帶。

這是一個引人注目的現象，但直到現在，潛在的機制仍然隱藏在方程式中。事情是這樣的：當流體被放置在兩個平行的板塊之間，每個板塊向相反的方向運動，就會產生湍流。首先，湍流是混沌的，然後它自組織形成規則的斜帶，由平靜區(或層流)分隔。沒有明顯的機制選擇帶的斜向取向或決定周期圖樣的波長。

隱藏在簡單方程式中

研究團隊解開了這個謎團，施耐德解釋說：正如物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)所預測的那樣，解決方案不是在新的方程式中找到，而是在我們已有的方程式中找到。直到現在，研究人員還沒有足夠強大的數學工具來驗證這一點。研究人員將一種被稱為動力系統理論的工具與現有流體模式形成理論和先進的數值模擬相結合。

他們計算了每個步驟的具體平衡解，使他們能夠解釋從混沌狀態到結構化狀態的轉變。該研究的第一作者弗洛里安?雷茨解釋說：我們現在可以描述產生斜向圖案的最初不穩定機制，已經解決了這個領域最基本的問題之一。我們所開發的方法將有助於闡明湍流層流模式在許多流動問題中的混沌動力學，或許有一天，能讓我們更好地控制流動。

一個重要的現象

在流體力學中，條紋圖案的形成很重要，因為條紋圖案顯示了湍流和層流在決定流體最終狀態時是如何不斷地相互競爭。湍流或層流，當湍流形成時，比如空氣流過汽車時，這種競爭就會出現。湍流從車頂的一小塊區域開始，然後擴散開來——因為在這種特殊情況下，湍流比層流更強，因此，最終狀態是動蕩的。