漩渦背后的科學

渦流

渦流是圍繞軸線旋轉的流體的一部分。漩渦或漩渦在自然界中以多種形式存在,例如龍卷風、颶風、漩渦等。在現實生活中也可以通過旋轉水瓶、排干水槽、旋轉茶杯等輕松觀察到漩渦。


漩渦的形狀

漩渦頂部較寬,向底部移動時逐漸變窄。這是因為壓力差。頂部的壓力較小,底部的壓力最大。渦流的方向通常由科里奧利效應決定。

漩渦的形狀

漩渦的形狀

漩渦的形成

當流體速度存在顯著差異時,通常會形成渦流。速度的差異會產生一股力量,使水在周圍旋轉。旋轉的水通過圍繞中心點連續旋轉來保持其角動量,同時由于運動和靜止水之間存在的摩擦力而損失一部分能量。例如,如果您將陶瓷或金屬板浸入水池中并沿直線向前推動,則會形成一個或多個漩渦。這是因為與板接觸的水經歷了運動,而遠離板的水保持靜止。板塊邊界周圍的水傾向于向前移動并被推向兩側。同時,盤子背面的水被向前吸入?,F在,即使你移開盤子,運動中的水也會繼續旋轉并形成肉眼很容易看到的漩渦。結果形成的兩個渦流以相同的速度向前移動,并包含一條曲線的軸線。這意味著兩個漩渦相互連接并形成漩渦的半環。添加到一個渦流環的一塊物質被轉移到另一個渦流環。根據亥姆霍茲定律,渦流線不能在流體中開始或結束。這意味著渦環要么在一個環中閉合,要么在兩個單獨的邊界點閉合。同樣,在氣體的情況下,在慢風上方移動的快風是造成渦流煙環、颶風或其他類型的渦流在空氣中形成的原因。

漩渦的形成

漩渦的旋轉速度

與頂部相比,底部的渦流旋轉速度更高。這是因為漩渦在頂部更寬,并且在向底部移動時變窄。存在于底部的流體傾向于在狹窄的圓形路徑中移動,這就是為什么它必須具有每分鐘大量的旋轉才能與渦流頂部圍繞同一軸旋轉的流體的速度相匹配。

渦流的應用

渦流的原理是制造洗衣機、牛奶/奶油分離器等許多設備的基礎。渦流的概念也用于醫療和國防領域,以對各種設備進行測試血液樣本并為戰斗機飛行員設計特殊套裝。戰斗機飛行員通常會經歷急轉彎并高速轉彎。這會將血液拋向血管的外邊界,這可能會導致嚴重的醫療狀況。

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