奇妙流體運動照片:超聲波噴泉(圖)


據新科學家雜誌網站報導:本週,研究流體動力學的美國物理學家聚首明尼蘇達州明尼阿波利斯,展示了他們所創作的最佳「流體運動」實驗圖片。

流體動力學(Fluid dynamics)是流體力學的子學科。流體動力學研究的對象
是運動中的流體(流體指液體和氣體)的狀態與規律。

流體動力學底下的小學科包括有:空氣動力學(研究氣體)和hydrodynamics(研究液體)。流體動力學有很大的應用,在預測天氣,計算飛機所受的力和力矩、輸油管線中石油的流率等方面。其中的一些原理甚至運用在交通工程,交通運輸本身被視為一連續流體。

1. 超聲波噴泉

超聲波噴泉
超聲波噴泉

如果利用高頻率聲音「聚焦」於水面之下的少量水域中,就會形成圖中所示的「超聲波噴泉」。當聲波在水中傳播時,會形成一種巨大的壓力,使得一些區域的液態水變成氣態形成氣泡。這些氣泡也會由於聲音的振動而被排出水面,這樣水面就會像沸騰的水面一樣翻滾。

2. 空氣漩渦

超聲波噴泉
空氣漩渦

空氣漩渦通常形成于飛行中的飛機翼尖處。當飛機接近地面時,空氣漩渦可能會影響飛機的動作。本圖是利用激光照射熒光染料的方法所拍攝的空氣漩渦的照片。圖中紅色的漩渦是初始漩渦,當氣流與地面交接時又形成了第二個漩渦(綠色部位)。

3. 反泡泡

超聲波噴泉
反泡泡

反泡泡(Antibubbles)也是一種小液滴,就是液體裡懸浮的一種球形薄壁氣泡。當一種液體流入另一種液體時,通常會形成這種反泡泡。

此前,對於反泡泡的物理屬性,人們研究較少。和液體裡普通空氣氣泡不同的時,反泡泡會下沉而且狀態較不穩定。本圖是關於反泡泡的實驗效果圖。當肥皂水中出現一個漩渦,反泡泡會拉長或是被漩渦擊破,還有許多反泡泡(黑線圈)被拉進漩渦中。

4. 液體分界面

超聲波噴泉
液體分界面

圖中這種奇怪的蘑菇狀物體事實上是兩種不相溶液體之間的不穩定分界面。這兩種液體分別是水和密度較大的氟代烷基甲基:上層是水,下層是氟代烷基甲基。在一束短脈衝激光照射下水份被蒸發,於是就在兩種液體的分界面上形成了一個氣泡。

這個氣泡收縮後回到液體表面會繼續收縮,縮小的氣泡會沉入下層較重的液體中。下層較重的液體又會產生一種反彈力將其彈出表面,於是就形成了這種蘑菇形狀。圖中,蘑菇頭是由氟代烷基甲基組成。最終,這種蘑菇狀結構又會破裂,沉回剩下的液體之中。

5. 液體黏性

超聲波噴泉
液體黏性

液體黏性是指液體內部的阻力。硅樹脂油的黏性大約是水的黏性的10倍。當一滴硅樹脂油滴到乾燥的玻璃表面時,它會分散形成一層形狀規則的薄油脂層,直到周圍出現觸角。但是,像水這種黏性較低的液體滴到玻璃表面時會立即飛濺開來。但是,在低氣壓環境下,這種差異會減小甚至會消失。本圖是在大氣壓力下拍攝的。


6. 水中貝殼阻力

寄生蟹通常喜歡寄居在那些不容易被水流沖走的貝殼中。因此,它們在選擇貝殼時形狀因素非常重要。因為,不同形狀的貝殼在運動的水流中可以產生不同的阻力。

本圖介紹的是採用一種粒子圖像測速技術對貝殼周圍的水流進行測速的實驗過程。微小的追蹤粒子懸浮於液體中,可以測量液體的速度並將其形成圖像。根據所得的圖像進行分析,研究人員發現粗糙的貝殼在水流中移動較快,而平滑的貝殼則在水流中運動較慢。


7. 油滴下沉

圖中這個酒瓶狀的物體
事實上是一個滴入盛滿異丙醇的油滴。油滴的密度比異丙醇大因此它會下沉當油滴完全沉入異丙醇中時它就會溶解。在油滴下沉的過程中,它的運動、粘附和擴散等行為就使其形成了這個平滑的酒瓶形狀。


8. 日本黑潮洋流

海洋表面的水流是一種相互連接的拼湊體。本圖
就是向人們展示了海水如何拼湊成一體的複雜過程,這個過程也是氣候模型的重要特徵之一。研究人員對日本黑潮洋流的衛星數據進行了分析得出這個結果。圖中紅色部分代表的是快速移動的海水,形成一個個連環圈狀的幾何結構。


9. 激光下的氣泡

當一束單獨的激光束
照射到顯微鏡載片上的一層液態薄膜之上時,就會在液態薄膜中產生這組25個泡泡。這幅照片曝光於激光束照射後的6微秒內。由於周圍液體的壓力,外層泡泡會慢慢被壓縮,而內部泡泡則因為有外層泡泡的保護暫時還處於較大形狀整幅圖片跨度僅為0.2微米。


10. 岩脈形成

本圖顯示的是:將調味醬注入到凝膠中
來進行某種地質學構造研究的實驗過程。這種地質學構造就是所謂的「岩脈」。岩脈通常形成於地殼之中,由入侵的岩漿所造成。在本圖中,調味醬的壓力不斷增大,直到它在凝膠中擠出一個裂縫。調味醬於是充滿裂縫,凝膠裂縫也在不斷擴展最終延伸到表面。 (唐寧)



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