物理学家首次在水箱中制造出封闭的湍流球
站长云网科学家们在一个水箱中制造出了一个封闭的湍流球，这可能有助于回答一系列长期存在的问题。湍流就在我们身边。从拿铁咖啡中咖啡和牛奶的漩涡，到飞机机翼和汽车侧面的空气动力，甚至到瓣膜关闭后心脏中的血流，湍流无处不在。然而，我们仍未完全掌握其中的所有规律。
绊脚石之一是物理学家的传统方法，他们通常喜欢脱离外部因素来研究现象。但说到湍流，就像搅拌一杯液体一样，勺子仍然是整个过程不可或缺的一部分，影响着流体的行为。迄今为止，将湍流作为一个独立变量隔离开来的方法还难以实现。
不过，芝加哥大学的一组科学家开创了一种在水箱中产生包含湍流的方法。他们使用环形喷射器喷射环流，直到形成一个孤立的湍流"球"并持续存在。
物理学家TakumiMatsuzawa（松泽匠）说："这对我们来说是个惊喜，"他是描述这一发现的研究报告的第一作者，该报告发表在《自然-物理》（NaturePhysics）上。这项研究的通讯作者威廉-欧文（WilliamIrvine）教授说："这就像平静地坐在田野里野餐，看着50英尺外的风暴肆虐。"
他们希望这一突破能为更好地理解湍流开辟一条新的研究途径。
"湍流--不均匀混合物质中的混乱流动--是一个老问题。"欧文说："它经常被引述为物理学中的一大未决问题。"
在过去的几十年里，科学家们在描述"理想化"湍流状态的行为方面取得了进展。也就是说，湍流没有边界等混杂变量，也没有强度和时间的变化。但是，要理解现实世界中的湍流，还有很多东西需要了解。
欧文说："湍流在我们周围随处可见，但它一直无法得到物理学家认为令人满意的描述。例如，如果你问，我能否预测戳穿这个湍流区域后接下来会发生什么？答案是不能。即使使用超级计算机也无法预测。"
其中一个大问题是实验中存在混杂变量。你可以通过管道快速喷射水流或在水箱中搅拌桨叶来制造湍流，但湍流总是与容器壁和搅拌器摩擦，从而影响实验结果。
松泽、欧文和他们的合作者一直在用水箱做"涡环"实验--就像烟圈一样，只不过是在水中。当他们试图将它们组合起来制造湍流时，能量通常会反弹回来，然后消散。
但是，一旦他们发现了一种特殊的构造--一个有八个角的盒子，每个角上都有一个涡环发生器--奇怪的事情就发生了。当他们反复发射在中心交汇的环时，他们看到一个自成一体、远离箱壁的湍流球形成了。
这本身就是一个突破："之前没有人认为这是可能的，湍流非常善于混合液体；如果你把牛奶混入咖啡中，你只能搅拌一两下就会完全混合，但我们能把它控制在原地，这让人非常惊讶"。
独立的湍流球可以让科学家利用激光和多台快速相机更精确地跟踪其参数。这包括它的能量和螺旋度（衡量环的纠结或"打结"程度），以及冲量和角冲量（相当于流体的动量和角动量）。
更重要的是，他们可以通过改变参数来玩弄它。他们可以改变送入的回路是顺时针还是逆时针旋转的螺旋。他们可以改变输入的能量，或者停止添加环，观察湍流的消散，或者改变环的螺旋度，观察湍流如何随时间演变。
"湍流是如何消散的？它是如何膨胀的？它"记住"了什么？能量如何跨尺度传播？是否存在不同类型的湍流？我们可以提出各种各样的问题，而这是提出这些问题的独特环境，"欧文说。"我真的希望这能帮助我们在这一领域开辟出一片新天地。
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