研究表明湍流如何被用来生成图案

研究表明湍流可以生成规律图案

新研究指出，在湍流流体运动中可能会出现规律性图案。这一发现依赖于一种名为“奇黏度”的有趣特性，在某些条件下会出现，例如当流体中的粒子都朝着同一个方向旋转时。尽管这是一种特殊情况，但在自然界中存在许多可能产生类似效应的情景，比如太阳的日冕和太阳风。

这一研究是由芝加哥大学、荷兰埃因霍温理工大学和法国国家科学研究中心（CNRS）合作完成的，于3月20日发表在《自然》杂志上。

尽管我们在过去几个世纪对经典物理学有了很多了解，但仍有一个问题无法完全解释：湍流现象。尽管湍流在我们周围随处可见，从天空中翻腾的云到我们血管中流动的血液，但它仍不像其他常见的物理现象那样被充分理解。

湍流虽然在自然界中很普遍，但仍只被部分理解，这使得科学家们向往能够理解和控制湍流，或许可以实现许多突破，比如设计更高效的飞机机翼、引擎和风力涡轮机。

尽管如此，科学家们对湍流也有所了解。当你摇晃一瓶水时，你会看到涡流形成。它们起初大致与瓶子的长度相当大小，然后逐渐分裂成更小的涡流，再进一步分裂，直到最终消散。这被称为级联。但如果你将水限制在一个薄层内进行同样的操作，涡流将会合并形成一个大漩涡--例如，木星表面的大红斑就是这种现象的例子。

科学家们想知道是否可能产生并保持中等大小的涡流--既不是一个大涡流，也不是越来越小的涡流。

答案是肯定的——如果你的流体具有“奇黏度”的特性。

通常，黏度意味着搅拌的难度--例如，搅拌一罐蜂蜜会比搅拌一罐水更费力。在正常黏度下，运动会耗散你用勺子搅拌时注入的能量。但是，“奇黏度”改变了物体的运动方式，但不会耗散能量。实验室中已经观察到在某些罕见条件下会出现这种现象。

研究人员建立了一个模拟，其中颗粒显示出“奇黏度”——在这种情况下，通过使流体中的所有颗粒像陀螺一样旋转来实现。然后，通过调整参数，例如颗粒旋转的速度，研究人员发现了一个惊喜。在一个特定点上，他们开始看到规律图案而不是随机涡流。

研究作者之一、芝加哥大学的博士生塔利·凯恩称：“我们首次看到这些效应时，并没有完全理解我们所看到的东西，但裸眼就能看出其中的不同之处。我们不得不开发一个理论来解释它，这真的很令人兴奋。”

尽管流体中并非所有颗粒都像陀螺一样旋转，但自然界中有一些例子。例如，在磁场中的电子或多原子气体的行为就是这种情况。

作为科学家们努力发展对他们发现的更全面的理解，他们希望这将有助于更好地理解湍流流动中涡流和波浪之间的相互作用。

维托里说：“我们只是刚刚开始，但我对这样一个想法深感着迷，即你可以拿一个混乱的湍流状态，并用它来制造规律图案——这是通过对最小尺度的微小变化带来的深刻转变。”