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天才的挑战:一个127年历史的物理学谜题被解开

背景:他在纸上解决了一个有127年历史的物理问题,并证明了偏离中心的船尾迹可能存在。五年后,实际实验证明他是对的。

艾林森用笔和纸挑战了1887年的公认知识,并取得了胜利。

他解决了一个关于船尾迹中所谓的凯尔文角的问题,这个问题已经被提出127年了。船尾流是船或独木舟在水中运动时形成的v形图案,你肯定在某个时候见过。

39度

长期以来,人们一直认为,只要水不太浅,船后v形尾流的角度应该始终低于39度。不管它是在超级油轮后面还是在鸭子后面,这都应该是正确的。但是事实证明这是错误的,或者至少并非总是如此。艾林森证明了这一点。

“对我来说,这是一个全新的领域,没有人告诉我这很难”艾林森第一次发现时解释道。

在某些情况下,船尾迹的角度会完全不同,甚至会偏离船的方向。这可能发生在不同的水层中有不同的水流流,称为剪切流。对于剪切流,凯尔文的船尾迹理论是不适用的。

椭圆形的圈

环波在某些情况下也会表现得很有趣。如果你在一个宁静的夏日将一块鹅卵石扔进湖中,波浪的形状将是完美的同心圆。但如果有剪切流就不会,它将由同心圆变为椭圆形。艾林森也预测到了这一点,他扩展了1815年柯西和泊松的理论。

“在我做了第一次计算后,我在荷兰的一个海滩上看着海浪过后的水流回来。我在水里做了一些圈,拍了一些照片。后来再看的时候,这些圈对我来说是椭圆形的,我非常兴奋!”

实验室研究支持计算

这就是艾林森最终登上《流体力学杂志》封面的原因。但是,他所有的计算都是在纸上完成的,还有待实证观察。

然而,现在有了实验室研究来支持他的工作,这要感谢博士生和硕士生,他们能够在一个特别开发的研究池中进行实验,而艾林森是他们的导师。

实际应用

他们对凯尔文角的研究结果可能会产生实际的影响,比如可能有助于减少船舶的燃料消耗。船上的大部分燃料实际上会产生波浪。

艾林森说:“如果这艘船顺流而下,燃油消耗会比逆流而上增加一倍。”

这些计算是基于美国俄勒冈州哥伦比亚河河口的水流得出的。这里水流湍急,船只众多。

因此,对不同水流中的船只进行研究,对于任何有兴趣减少燃料消耗进而减少排放的人来说,都是非常重要的。

艾林森坚持认为他们的结果并没有反驳凯尔文的理论,只是对其进行了扩展。凯尔文角仍然成立,只要表面下没有水流层。

但是一旦有水层之间的运动,不同的水层以不同的速度运动,角度就会改变。从理论上讲,当非常强的水流垂直于船的方向时,尾流实际上可以在船的一侧停在船的前面。

艾林森说:“那你可能应该去别的地方航行。”

阿波罗网责任编辑:王和 来源:Science科学 转载请注明作者、出处並保持完整。

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