湍流比層流要更碉！【官方雙語】【Veritasium真理元素】 P2 - 純英文版

本影片的一部分由 Cottonelle 贊助。 這就像一個科學家的陷阱。 當然沒錯。舉個例子，那位就是太空站指揮官克里斯·哈特菲爾德。 這並非湍流。不，這主要是層流。 有人提到層流嗎？ 如果你不知道的話，來自《每天 smarter》的德斯蒂恩非常喜愛層流。 流體中所有粒子以平行方式移動，形成有組織的層狀結構，稱為層流。 看啊！我置身於一個泡泡裡！ 我住的地方，有人看到我在街上，就會把車窗搖下來。 他們會尖叫，湍流對我來說更好。 這會發生。這在亨茨維爾會發生。是的。 這是給你的論點，德斯蒂恩。 層流更容易讓人喜愛。 好的。 但若你付出那樣的努力，湍流實際上更加壯觀。 不，紊流並不好於層流。 非常棒，但並不如層流優越。 我可以說，我明白。我明白德斯蒂恩的出發點。 我的意思是，層流很漂亮，而且行為很穩定。 同時，紊流在許多方面都是一團混亂。 我的意思是，甚至沒有普遍接受的湍流定義。 你知道的，一看便知。 所以，湍流的情況就是如此。你一看就明白了。 基本上是的。 因此，這段影片中並未提供正式的定義， 我們將建立一個紊流特性的檢查清單 這樣一來，你看到的時候就會知道。 湍流的第一個特徵是其不可預測性。 沒錯。紊流是混亂的，難以預測的。 這從定義上來說就是混亂的。 意思是它對初始條件極為敏感。 所以如果你想要在流體的某處做些改變， 好吧，這將完全改變最終狀態。 這意味著你無法對湍流進行預測。 你所能做的只是從統計角度來談論它。 我的意思是，有納維-斯托克斯方程， 這些方程式旨在控制所有流體流動，包括湍流。 但它們 notoriously 難以解決。 事實上，只要能取得進展，就有一百萬美元的獎金等待著任何人。 為了深入理解這些方程式，從而解釋湍流現象。 是的，我懂。亂流確實很混亂。 層流很容易讓人喜愛。它就像舞會中的佳麗， 而湍流則有點像一隻醜小鴨。 但在這段影片中，我想將那只醜小鴨變身為一隻美麗的天鵝。 我希望你明白，只要你願意付出努力， 你對湍流所能產生的愛，是如此深刻 而且比你與層流之間那種浮淺的曖昧關係要豐富得多。 你正在觀察房間內空氣的流動情況， 這通常是很混亂的。 物理女孩和朋友们拍攝了空氣的橫截面。 使用霧機和雷射光束。 湍流流動的一個顯著特徵是 它由許多相互作用的流體漩渦組成， 也稱為渦流或漩渦。 這些渦流的尺寸範圍極廣。 在房間中的空氣情況下， 從微米級別一直到數米的直徑。 你能想到另一個物理現象嗎 這種結構在如此廣泛的尺寸範圍內表現出的特性？ 但湍流可能大得多。 太陽的表面湍流湧動， 當高溫的電漿以巨大的對流 currents 上升至表面時。 這裡的細胞樣結構大致與德克薩斯州大小相當。 木星上更大的是那些湍急的漩渦。 大紅斑是一個比地球還大的漩渦。 地球的其餘部分覆蓋著各種大小的渦流， 到我們從繞軌太空船測量它們的極限為止。 即使是星際之間的塵埃，也處於湍流運動之中。 它使無線電訊號源閃爍 就像大氣中的湍流使星星閃爍一樣。 一個令人驚嘆的湍流塵埃範例 是獵戶座星雲，寬達24光年。 湍流是宇宙性的。 相比之下，層流必須很小。 這一點在1883年通過實驗得到證實。 Osborne Reynolds 用水通過玻璃管，以不同的流速進行實驗。 並用以呈現流程的流動情況， 他將一束染料引入管子的中間。 他在低流量時發現， 染料保持穩定的層流狀態。 但隨著流量增加， 染料開始來回振盪。 超過某個臨界點之後， 染料完全擴散到了整個管子中。 這是湍流。 雷諾茲觀察到紊流另一個重要的特性。 它是擴散的，意思是它會將事物混合在一起。 湍流會使物體散開。 不僅是染料，還有熱量或動量。 它們都會均勻地分散在液體中。 雷諾茲發現了過渡到紊流的現象 不僅取決於流量。 湍流在較寬的管中更容易發生， Immunoglobulin G (IgG) 是一種抗體，主要在人類和動物的血液與組織液中發現。它在免疫反應中扮演關鍵角色，特別是在對抗細菌和病毒的感染方面。IgG 是人體中最常見的抗體類型，佔血清抗體總量的約75%。它具有多種功能，包括中和毒素、促進吞噬作用（即調理作用），以及激活補體系統。IgG 能夠穿越胎盤，為新生兒提供被動免疫保護，這使得母體的 IgG 抗體在出生後的早期階段對嬰兒的健康至關重要。此外，IgG 在二次免疫反應中表現出快速且強烈的反應，是疫苗接種後產生長期免疫記憶的基礎。 他計算出一個無量綱量，如今稱為雷諾數。 等於流體速度乘以特徵長度。 說出管子的直徑。 除以流體的運動黏度 你可以將其視為衡量其內部摩擦力的指標。 高雷諾數會導致紊流。 看看蠟燭火焰上升的煙霧。 起初是層流，但隨著熱氣體上升，速度逐漸加快。 當雷諾數變得過大時， 煙霧轉化為湍流。 因此，層流僅在雷諾數較低時出現。 這表示其適用範圍僅限於低速、小型或黏性較高的流體。 這就是為什麼在日常生活中，大多數流體流動都是紊流。 湍流是常態。 層流是例外情況。 你呼吸時吸入和呼出的空氣是湍流。 你主動脈中流動的血液是紊亂的。 地球表面附近的氣氛是湍流的， 正如積雲和積雨雲內部及周圍的氣流狀況。 事實上，模擬顯示湍流流動 在雨滴形成過程中扮演著關鍵角色。 因此，湍流真的會導致降雨。 我將在這種渦流液體中製造擾動。 「雷索斯克」僅表示它能顯示水流的流向。 它透過讓這些微小粒子懸浮在水中來實現。 但如果你仔細觀察這湍流，就會注意到 那就是它逐漸消逝。 這是因為湍流的另一個特性是它具有耗散性。 也就是，它在最大尺度上吸收能量，即在這些大渦旋中。 然後那股能量會傳遞到越來越小的渦流中。 直到微小尺度上，這股能量才會轉化為熱能並散失到流體中。 因此，為了維持湍流，你需要一個持續的能量來源， 一些東西持續產生那些大型渦流， 這就是為什麼我們經常會考慮物體在流體中運動時周圍的紊流現象， 飛機、汽車或船隻之類的東西。 因此，我想探討物體與流體之間的介面。 想像液體流過一個平坦的表面。 遠離表面，流體不受影響。 它持續以我們所稱的自由流速度移動。 但在表面層，由於摩擦力和附著力的影響， 流體的分子有效地被黏附在表面上。 他們的速度為零。 與其相鄰的流體由於與這層靜止層摩擦，只能緩慢流動。 隨著距離表面的距離增加， 流體的速度從零逐漸增加，直到達到自由流速度。 而這個速度調整的區域稱為邊界層。 在這種情況下，是一個層流邊界層。 為了形成這個邊界層，表面對流體施加了一個力。 這意味著流體對表面施加了一個大小相等、方向相反的力。 這稱為皮膚摩擦力。 現在，如果流體流速特別快，或者表面特別長， 邊界層將不斷增厚，最終轉變為紊流。 在紊流邊界層中，流體會渦動並混合。 將流動更快的流體移近表面。 這會增加皮膚摩擦力。 因此，紊流邊界層所產生的阻力遠大於層流邊界層。 飛機和大型船隻周圍的邊界層大多為紊流。 皮膚摩擦力佔了它們所受阻力的大部分。 更糟糕的是，層流邊界層可能會被擾動 因微小的障礙或粗糙的表面而變得湍急。 實際上，這意味著光滑平整的表面可顯著降低阻力， 節省燃油成本。 如果你的車非常髒，它的燃油經濟性很可能比乾淨時差。 這就是《流言終結者》在測試後所發現的情況。 這也解釋了為什麼飛機經常被清洗。 所以當你想到飛機時， 我想象它们会被建造得尽可能光滑。 我想起《飛行家》中的那個場景 利奧說他想要把所有的鉚釘都削平至與表面齊平。 而且你會發現，這架飛機就是如此。 所有這些螺絲都已鎖入機翼內。 並真正打造出最順暢的服務。 但接著你轉過頭來看向這裡， 而且有這些脊狀結構從平面上突了出來。 看起來毫無道理。 我的意思是，為什麼你要在機翼表面增加粗糙度呢？ 答案實際上是為了在機翼上方的氣流中引發紊流。 在平飛巡航時，空氣會順著機翼的曲面平滑流動。 但在低速或大迎角時，氣流可能會分離。 你可以把它想成是能量不足，無法跟隨機翼的曲線。 這會導致稱為失速的狀態，使升力大幅下降。 這裡，你可以看到透過黏在翼面上的繩子所顯示的氣流情況。 當飛機減速時，氣流分離，繩索便狂亂飛舞。 這架飛機失速了。 延遲流體分離和失速的方法是通過 在機翼上加裝小型翼片，稱為渦流發生器。 這些渦流發生器的作用實際上是引發湍流。 將較高處流速較快的空氣混合到接近地表的地方。 所以你正在讓氣流經過翼面時產生能量。 而且由於這種流動具有更高的能量， 它能夠沿著機翼表面持續流動更長的距離。 這意味著氣流保持附著。 如果你在機翼上保持附著的氣流，就能維持升力。 因此，對於飛機而言，實際上你需要湍流， 並在機翼上引發更多亂流，以實現高效且有效的飛行 並且能夠在更高的攻角下爬升。 高爾夫球也遵循類似的原理。 蘇格蘭人是用痛苦的教訓才了解到湍流的危險，因為他們一開始就遭遇了。 玩著一個非常光滑的高爾夫球， 而且它飛行的距離也不會像剛開始那樣遠，一旦受損、出現刮痕或弄髒後，飛行距離就會明顯縮短。 你可以通過觀察風洞中的氣流來理解其中原因。 當球體表面光滑時，空氣會在其表面形成層流邊界層。 這導致皮膚摩擦力降低，這是件好事。 但也意味著氣流更容易分離， 球後方留下一大片低壓湍流空氣。 這便導致了一種不同的阻力形式。 那是壓力差阻力嗎？ 沒錯，這是一種壓力阻力。 因此，邊界層本身會產生表面摩擦阻力。 然後，如果它分離，就會產生壓力阻力。 而且如果你強制使這個邊界層轉變為紊流， 所以你的高爾夫球上有泥漬、粗糙處或刮痕。 然後，一個紊流的邊界層實際上可能會 在球分離之前進一步繞過高爾夫球。 因此，它減少了尾流，也減少了壓力阻力。 因此，減少壓差阻力所帶來的效益，遠大於皮膜阻力增加所造成的影響。 沒錯，高爾夫球能飛得更遠。 對。 高爾夫球手開始在他們的高爾夫球上刻劃凹槽。 在這項空氣動力學原理尚未完全明確之前。 從那以後，酒窩被發現效果最佳 用於產生紊流邊界層。 酒窩相對於高爾夫球的直徑來說非常淺。 但它們的影響力非常巨大。 我們在談論的是哪種影響？ 觀察阻力，我們所稱的阻力係數， 你看到一個非常大的下降，幾乎達到兩倍。 當邊界層變為紊流時。 因此，紊流邊界層可減小紊流尾流的尺寸。 但湍流尾流本身就很有趣。 科學家正在尋找利用其中能量的方法。 我來到加州理工學院是為了觀看這個實驗。 當水流過圓柱體時，會在尾流中轉變為湍流。 這裡使用螢光染料來呈現流動情況。 你會發現，在適當的條件下， 漩渦會從圓柱體的一側脫落，然後再從另一側脫落。 以規律的模式來回交替。 這稱為週期性漩渦脫落。 而其在下游形成的模式稱為卡門渦街。 這些模式隨處可見， 最為壯觀的是來自太空拍攝的影像。 在這個尺度下，島嶼扮演著產生週期性漩渦脫落的障礙物角色。 渦街由雲層中的圖案顯現出來。 這些圖案甚至從地面也能看到。 顯然，這種現象並非嚴格意義上的湍流 因為它遵循一個可預測的模式， 但它屬於過渡到紊流的一部分。 這些科學家正在尋找方法，以利用這些漩渦結構中的能量。 一個實驗顯示，如果你把一條死魚放在某個物體的尾流中， 它實際上會逆流而上。 這表明魚類可以利用湍流水域來更高效地游動。 這只是動物適應干扰世界的一種方式。 總而言之，湍流無處不在。 它在你內心，圍繞著你， 從最小的尺度到宇宙中最大的結構。 而且對駕駛飛機很有用， 形成雨滴， 讓高爾夫球飛得更遠， 並幫助魚隻，無論生死，逆流而上。 相反，層流則較小且僅限於表面。 這只是一個玩具。 這就是為什麼它最突出的用途是在裝飾性噴泉中。 它迎合了你對秩序的渴望。 但世界就像紊流一樣，混亂不堪。 這正是我個人更傾向於湍流的豐富性與不可預測性的原因。 不，湍流也有其應用之處。 我其實正在讀書時，研究湍流。 例如，我正在研究火箭噴管中的湍流流動。 那是真的。 你正在作弊，搞層流是吧。 不。 是的。 也許吧。 我不知道。 但你無法讓我承認湍流既不壯觀也不美麗。 你休想讓我說出那話。 因此我認可，我同意你的看法，紊流真是太棒了。 我同意。 好的。好的。 好吧，它沒那麼令人驚艷，不像層流那樣。 讓我們誠實一點。 嗨，我只是想讓你知道，這段影片是在新冠肺炎爆發之前拍攝的。 在「就地避難」指引實施之前。 現在，這段影片由 Cottonelle 可沖洗濕紙巾贊助。 自疫情爆發以來，他們一直通宵達旦地工作，以恢復其產品的生產。 在架上。 當我拍攝這段影片時，我確實針對這些濕巾做了一個小實驗。 找出它們真正可沖入馬桶的程度。 那我們來看看吧。 這裡我有一片嬰兒濕巾、一張紙巾，以及一片Cottonelle可沖洗濕巾。 我將把這三樣東西全部浸入魚缸中30分鐘 然後測試它們的強度。 幾年前，沖水濕紙巾對我來說變得非常重要，當時主要的下水道系統出現了問題。 我的樓宇後面緊貼著我的公寓，導致整個一樓被淹。 原因是我的鄰居把嬰兒濕巾沖入馬桶，導致堵塞。 啟動整個系統。 所以實在非常糟糕。 但事實上，這正是人們經常做的事。 有一項2016年的研究發現，在美國，每年會購買六千萬片嬰兒濕巾。 每年都有數百萬個，其中七百萬個最終被沖入馬桶。 事實上，當他們檢查紐約市的下水道系統時，發現其中38%的管道…… 你在那里找到的东西其實就是那些嬰兒濕巾。 同時，每年有1400萬片可沖洗濕巾被購置並沖入馬桶。 但它們僅佔你在下水道系統中所發現物質的2%。 因此，我认为無論你丟進馬桶裡的東西，都必須能夠被妥善處理。 拆開來，以免堵塞所有地方。 好的，30分鐘已經過去，是時候測試這三塊濕巾的強度了。 那我將用一卷銅板來測試他們的實力。 我們開始吧。 在嬰兒濕巾上，仍然可以承受那種重量。 紙巾怎麼樣？ 它仍然可以支撐那個重量。 至於Cottonelle可沖洗濕紙巾呢？ 啊，掉下去了。 這就是讓Cottonelle可沖洗濕巾可沖入馬桶的原因。 它一沖水馬上就开始損壞。 因此，你應該購買一些Cottonelle可沖洗濕紙巾，親自試用一下。 我要感謝 Cottonelle 對本影片的贊助，也要感謝您觀看。