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爆炸吧知识

生活处处有科学

《哆啦A梦》里的空气炮，是很多人童年时梦寐以求的神奇道具。

 

只要将手伸进炮筒，就能发出强大的压缩空气炮，瞬间击倒体型庞大的怪物。

 

为了证明“空气炮”的确有科学依据，有这么一档丧心病狂的电视节目，制造了全世界最大的空气炮，还一炮打破了吉尼斯世界纪录！

 

这枚大型空气炮出现在2012年的捷克电视节目《自然奇观》（Zázraky přírody）里，向纸箱墙射击的同时，测试人员不断增加空气炮与纸箱墙的距离。

 

在20米的距离，纸箱被强大的冲击波击散，两名测试小哥吓到抱头蹲地。

再到50米，纸箱依旧没有摆脱被推倒的命运，连一旁的铁架都移了位。

最终在100米（330英尺）的位置，一炮打破吉尼斯世界记录，荣膺世界上打得最远的 炮 空气炮！

事后，两个测试小哥不忘再次作死，体验一次向我开炮的感觉....

    

 

细心的模友可能已经发现，在空气炮君打出的这些炮里，都出现了一个若隐若现的烟雾圈圈！

 

是的，你没有看错，这空气炮之所以打得又远又猛，都和这个圈圈背后的流体力学现象——涡环有关！

什么是涡环

涡环（又称涡旋），是指流体沿着某一个方向，环绕在直线或是曲线轴的区域内。

它是由被扰动的流体，如液体、气体、等离子体所形成的。就像这样：

可以看到，圆环中的流体在绕着轴进行旋转，如果这个环的角向转动越快，那么这个环就会变得越稳定。

为了方便大家理解涡环里的角向转动，超模君邀请了B站上吐烟圈的大神vAustinL亲自示范：

 

       

你会看到，随着涡环的上升，第二波吹入的烟雾也随着涡环快速旋转，展示了涡环内部的流体流动的方向。

 

更神奇的是，内部的气流旋转极大增强了涡环的运动持久性。类似于让球滚过地板比滑过地板更容易，涡环的涡流也减少了核心与周围的摩擦。

 

因此，与流体射流相比，涡环不是一般的耐打。这也解释了为什么吐出的烟圈可以飘得这么远。

现代人之所以能熟用涡环的原理，整出各种骚操作，有赖于物理学家们对这一现象的不断研究。

妙不可言的涡环研究

自17世纪开始，人类就没有停止过对涡环的研究。

 

1858年，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）发表了论文《表达涡环的流体动力学方程的积分》，首次对其进行了数学分析。

在论文中，他用公式描述了涡环的强度。

正是亥姆霍兹的论文，让人们开始对涡环的形成、运动和相互作用有了基础的认识，并尝试一步步展开深入的研究。

 

直到如今，出现了很多有关涡环的有趣研究，其中最著名的，莫过于两个涡环的相撞实验。

透过动图可以看到，如果两个相同涡环产生正面碰撞，就会出现如下神奇现象：沿碰撞平面径向扩展后，涡环又形成多个美丽的小环。

 

然而，涡环也并非都是有趣的，对于直升机飞行员来说，它是夺走生命的一大杀手。

从涡环状态脱险的飞机

从早期使用直升机开始，飞行员们就发现，在垂直下降时，直升机很容易出现颠簸，快速下跌甚至操纵失灵的状态。

 

其中的物理实质，是直升机下降时的相对来流对旋翼尾流的挤压作用，导致在旋翼形成不稳定的涡环，科学家称为“涡环状态”。

一旦直升机进入典型涡环状态，那感觉就像雨雪天踩刹车一样，老司机也未必刹得住，模友们可以看动图感受一下有多危险。

而搞清楚了涡环状态的形成原因，飞行员只要规避任何一个涡环形成的条件，就能避免事故的发生。

 

处处可见的涡环

其实，自然界有很多神奇的现象都和涡环有关。

 

比如，蒲公英的超远飞行。

三位科学家通过长曝光摄影和高速成像，发现分离的涡流环是蒲公英飞行的基础。

图片来源于Nature自然科研

 

又比如说，海豚吐出的神秘银环。

这种神秘银环也是涡环的一种，名为泡沫环(bubble ring)。海豚热衷于与之嬉戏、追逐，甚至有时候故意把它咬碎。

 

对它们来说，饭可以少吃，但吹涡环不能没有。

那么问题来了，海豚是怎么在水中制造出涡环的？

 

据科学家观察，海豚制造涡环的方法主要有两种，都是细活儿。

 

第一种，海豚利用水压的特性从鼻孔排出涡环。

第二种，海豚可以通过快速摆动背鳍，在水中作水平移动或向下移动的环。

     

图片来源于Earthtrust

当人类明白海豚是怎么吹涡环的，第一件事不是赞叹海豚的聪明才智，而是....自己下水吹起了泡泡。

没错，在海里，人类可以像海豚一样吹出美丽的涡环，但目的通常和科学没什么关系.....

除了自然界之外，在航空、军事当中，也同样充斥着涡环的影子。

举个栗子，当飞机高速飞过时，产生的下降气流会导致涡环的产生。

莫得感情的防暴武器：涡环大炮。

“末日武器”原子弹和氢弹，其爆炸形成的蘑菇云，本质上也是一个不断上升的巨大涡环。场面之震撼，让超模君只想祈祷世界和平。

 

涡环的存在，除了展示流体力学的魅力，也告诉了我们一个道理：生活中并不缺少科学，而是缺少一双发现科学的眼睛。

 

对此，超模君最有发言权，因为超模君发现：

 

每一个普通人，都有可能是隐藏的流体力学专家。

 

写在最后

何谓数学？

数学家Eduardo曾这样回答

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