NYU 科學家解開漩渦環運動的百年之謎

一組來自紐約大學及紐約大學上海校區的研究人員發現了漩渦環的一項特殊性質，即海豚如何在水下推進，這一現象科學界已經忽視了整整一個世紀。

研究人員觀察並報告了漩渦環這些旋轉的甜甜圈形質量如何在水中移動並穿越空氣而不失去形狀，這在科學史上是首次實現。在《物理評論流體》發表的最新論文中，研究作者解釋了科學家們幾個世紀以來一直試圖破解這些運動代理的複雜機制。

研究的主要作者、紐約大學及紐約大學上海校區的數學與物理學教授張俊表示：「這一突破增進了我們對漩渦環行為的理解，揭示了影響這些環命運的一些因素。」

這一發現為一個專門研究這些神秘推進代理的科學領域提供了新知識，因為這一自然現象促進了所有的運動，包括香煙煙霧的擴散。

該研究有助於理解漩渦環在水下推進中的力量與限制，這在某些海洋生物中得到了體現。

自19世紀中葉以來，科學家們一直在努力揭開漩渦環迷人特性的奧秘。研究作者在最近的公告中提到：「赫爾姆霍茲最早對漩渦環進行了數學分析。」

當流體從海豚的噴氣孔等開口噴出時，會產生一個剪切層，這層作為噴流與周圍流體之間的邊界，隨後形成環狀結構。這些環形的旋轉流體以單位形式移動，因此它們的運作方式不同於常規波浪。它們能夠主動運輸旋轉流體，使得移動的漩渦環在長距離內保持形狀而幾乎不耗能。

這聽起來像是一種雜技，但其實非常普遍。當有人將香煙煙霧釋放到空氣中時，便會產生漩渦環。漩渦環在推進中扮演著基本角色，並以各種形式出現，如水母的運動和鳥類的尾流。甚至噴氣發動機在煙霧中也會排放漩渦環。

為了更好地理解漩渦環的運作，研究者如Christiana Mavroyiakoumou等在紐約大學的Courant數學科學研究所進行了一系列實驗。科學家們使用一個小活塞，將其浸入水槽中，通過改變活塞的速度和角度來生成不同強度和方向的漩渦環，以觀察這些變化對其軌跡的影響。

根據角度和速度的不同，科學家們在漩渦環到達水-空氣界面時識別出四種不同的結果。它們可能會消散、反彈並保持形狀、破裂，或穿過界面並轉變為水流。運動的方向決定了過程的成敗。當漩渦環較弱時會消散，而當它們強大且垂直對齊時，則會突破界面並到達空氣。

這項研究揭示了一個百年之謎，最新的發現為創建更準確的漩渦環行為模型提供了有價值的數據，也有助於理解火山噴發和熱羽流的現象。

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