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天才的挑戰:一個127年歷史的物理學謎題被解開

背景:他在紙上解決了一個有127年歷史的物理問題,並證明了偏離中心的船尾跡可能存在。五年後,實際實驗證明他是對的。

艾林森用筆和紙挑戰了1887年的公認知識,並取得了勝利。

他解決了一個關於船尾跡中所謂的凱爾文角的問題,這個問題已經被提出127年了。船尾流是船或獨木舟在水中運動時形成的v形圖案,你肯定在某個時候見過。

39度

長期以來,人們一直認為,只要水不太淺,船後v形尾流的角度應該始終低於39度。不管它是在超級油輪後面還是在鴨子後面,這都應該是正確的。但是事實證明這是錯誤的,或者至少並非總是如此。艾林森證明了這一點。

“對我來說,這是一個全新的領域,沒有人告訴我這很難”艾林森第一次發現時解釋道。

在某些情況下,船尾跡的角度會完全不同,甚至會偏離船的方向。這可能發生在不同的水層中有不同的水流流,稱為剪切流。對於剪切流,凱爾文的船尾跡理論是不適用的。

橢圓形的圈

環波在某些情況下也會表現得很有趣。如果你在一個寧靜的夏日將一塊鵝卵石扔進湖中,波浪的形狀將是完美的同心圓。但如果有剪切流就不會,它將由同心圓變為橢圓形。艾林森也預測到了這一點,他擴展了1815年柯西和泊松的理論。

“在我做了第一次計算後,我在荷蘭的一個海灘上看著海浪過後的水流回來。我在水裡做了一些圈,拍了一些照片。後來再看的時候,這些圈對我來說是橢圓形的,我非常興奮!”

實驗室研究支持計算

這就是艾林森最終登上《流體力學雜誌》封面的原因。但是,他所有的計算都是在紙上完成的,還有待實證觀察。

然而,現在有了實驗室研究來支持他的工作,這要感謝博士生和碩士生,他們能夠在一個特別開發的研究池中進行實驗,而艾林森是他們的導師。

實際應用

他們對凱爾文角的研究結果可能會產生實際的影響,比如可能有助於減少船舶的燃料消耗。船上的大部分燃料實際上會產生波浪。

艾林森說:“如果這艘船順流而下,燃油消耗會比逆流而上增加一倍。”

這些計算是基於美國俄勒岡州哥倫比亞河河口的水流得出的。這裡水流湍急,船隻眾多。

因此,對不同水流中的船隻進行研究,對於任何有興趣減少燃料消耗進而減少排放的人來說,都是非常重要的。

艾林森堅持認為他們的結果並沒有反駁凱爾文的理論,只是對其進行了擴展。凱爾文角仍然成立,只要表面下沒有水流層。

但是一旦有水層之間的運動,不同的水層以不同的速度運動,角度就會改變。從理論上講,當非常強的水流垂直於船的方向時,尾流實際上可以在船的一側停在船的前面。

艾林森說:“那你可能應該去別的地方航行。”

阿波羅網責任編輯:王和 來源:Science科學 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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