这个你每天刷牙时看见的现象,物理学家花了500年也找不到解释(5)
2023-04-28 来源:飞速影视
尤其是,我们还没有在物理学层面理解水墙为什么会产生。托马斯·玻尔的流体力学模型使用描述内部和外部区域特征的假设预测水跃的位置,证明在某个特定的半径(即我们观察到水跃的地方),这两个区域的方程的数学解就不再是实数。换言之,模型预测内部区域到外部区域之间的转变必然发生,但是它完全没有解释转变的性质。如果这两个区域之间用一条缓和的斜坡连接,与模型也是兼容的。
图片依次为流速较快且液面较薄的内部区域、水跃、流速较慢且液面较高的外部区域。
模型在描述上的限制和解释能力的缺失,已经体现在文章开头提到的波动力学方法对重力波向水流高处传播的描述中:在这一情况下,我们假设波在水墙上传播的过程中发生了状态转变,但这堵墙的形状并不是固定的,尤其是高度。贝朗日条件描述了这种高度的改变,但它的作用仅限于描述,无法进行预测。
一些科学家认为,液体墙是因为边界层分离而构成的。还有人认为,我们可以用不稳定性为水墙建模:在内部区域,超过了某个特定半径之后,重力不再可忽略。这时水膜逐渐增厚,流体速度减缓,表面轻微向上倾斜。重力对这一表面施加了外部限制,约束了流动。流速继续减缓,表面继续向上延伸,重力的影响也在不断增加,以此类推。结果就是在这种不稳定机制的作用下,我们得到了一道几乎竖直的坡,也就是水跃。
形态各异的水跃
2014年,我和位于巴黎的物质与复杂系统实验室的吕克·勒邦(Luc Lebon)和劳伦·利玛(Laurent Limat)一同开展实验,为水跃的理论解释提供了重要线索。通过精确测量紧邻水跃发生处的液面高度,我们证明了对所有的水跃,这一区域的弗劳德数(惯性和重力影响的比值)是恒定的。
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