牛顿桶新探——有关流体运动的新发现

装满水的鼓里快速旋转的水下圆盘会发生什么？根据丹麦物理学家的最新报告，你可能在水面上创造一个六边形的漩涡。这一“不稳定性”的新发现有助于许多复杂系统的研究，包括全球旋转流、工业中的水力机械、漩涡和龙卷风等。旋转流动是经典流体力学中的一个重要课题。它能产生许多有趣的不稳定结构，如旋涡。在旋转的地球上，大气和海洋中的这种流动总是会引起地球物理学家的研究兴趣，在水力机械中也会发生。在实验中，旋转容器产生的漩涡也是科学家研究龙卷风等自然现象的一种手段。这个实验装置使用“牛顿桶”非常简单。汤姆斯堡与丹麦理工学院和尼尔斯波尔学院的合作伙伴一起完成了这项实验。与以前的牛顿桶不同，这一次桶壁是固定的，桶内的圆盘旋转。桶由有机玻璃制成，底部有一个可旋转的圆盘，由电机驱动。当容器装满一定高度的水后，圆盘旋转。当转速足够大时，液体表面会出现六边形涡流。后来，研究人员用粘度是水15倍的乙二醇代替了水，并重复实验以获得三角形和四边形漩涡，其中一些还出现了星形漩涡。(图中显示的是一个方形漩涡)丹麦人说，这些打破轴对称的自然形成的多边形系统将有助于简化刚性和固定旋转物体的外观。目前，非轴对称流动被称为库埃特-泰勒系统中的脉动涡和经典的克尔文亥姆霍兹瑞利剪。科学家们还不知道这些多边形是如何形成的，他们计划用不同直径的桶和更粘稠的液体重复这个实验。他们认为改变参数可以给他们关于这些结构的原因的有价值的信息。