奇妙流体运动照片：超声波喷泉（图）

2009-12-06 23:05

据新科学家杂志网站报道:本周，研究流体动力学的美国物理学，家聚首明尼苏达州明尼阿波利斯，展示了他们所创作的最佳“流体运动”实验图片。

流体动力学(Fluid dynamics)是流体力学的子学科。流体动力学研究的对象，是运动中的流体(流体指液体和气体)的状态与规律。

流体动力学底下的小学科包括有:空气动力学(研究气体)和hydrodynamics(研究液体)。流体动力学有很大的应用，在预测天气，计算飞机所受的力和力矩、输油管线中石油的流率等方面。其中的一些原理甚至运用在交通工程，交通运输本身被视为一连续流体。

1. 超声波喷泉

如果利用高频率声音“聚焦”于水面之下的少量水域中，就会形成图中所示的“超声波喷泉”。当声波在水中传播时，会形成一种巨大的压力，使得一些区域的液态水变成气态形成气泡。这些气泡也会由于声音的振动而被排出水面，这样水面就会像沸腾的水面一样翻滚。

2. 空气旋涡

空气旋涡，通常形成于飞行中的飞机翼尖处。当飞机接近地面时，空气旋涡可能会影响飞机的动作。本图是利用激光照射荧光染料的方法，所拍摄的空气旋涡的照片。图中红色的旋涡是初始旋涡，当气流与地面交接时又形成了第二个旋涡(绿色部位)。

3. 反泡泡

反泡泡(Antibubbles)也是一种小液滴，就是液体里悬浮的一种球形薄壁气泡。当一种液体流入另一种液体时，通常会形成这种反泡泡。

此前，对于反泡泡的物理属性，人们研究较少。和液体里普通空气气泡不同的时，反泡泡会下沉而且状态较不稳定。本图是关于反泡泡的实验效果图。当肥皂水中出现一个漩涡，反泡泡会拉长或是被漩涡击破，还有许多反泡泡(黑线圈)被拉进漩涡中。

4. 液体分界面

图中这种奇怪的蘑菇状物体，事实上是两种不相溶液体之间的不稳定分界面。这两种液体分别是水，和密度较大的氟代烷基甲基:上层是水，下层是氟代烷基甲基。在一束短脉冲激光照射下水份被蒸发，于是就在两种液体的分界面上形成了一个气泡。

这个气泡收缩后，回到液体表面会继续收缩，缩小的气泡会沉入下层较重的液体中。下层较重的液体，又会产生一种反弹力将其弹出表面，于是就形成了这种蘑菇形状。图中，蘑菇头是由氟代烷基甲基组成。最终，这种蘑菇状结构又会破裂，沉回剩下的液体之中。

5. 液体粘性

液体粘性是指液体内部的阻力。硅树脂油的粘性大约是水的粘性的10倍。当一滴硅树脂油滴到干燥的玻璃表面时，它会分散形成一层形状规则的薄油脂层，直到周围出现触角。但是，像水这种粘性较低的液体，滴到玻璃表面时会立即飞溅开来。但是，在低气压环境下，这种差异会减小甚至会消失。本图是在大气压力下拍摄的。

6. 水中贝壳阻力

寄生蟹，通常喜欢寄居在那些不容易被水流冲走的贝壳中。因此，它们在选择贝壳时形状因素非常重要。因为，不同形状的贝壳在运动的水流中可以产生不同的阻力。

本图介绍的是采用一种粒子图像测速技术，对贝壳周围的水流进行测速的实验过程。微小的追踪粒子悬浮于液体中，可以测量液体的速度并将其形成图像。根据所得的图像进行分析，研究人员发现粗糙的贝壳在水流中移动较快，而平滑的贝壳则在水流中运动较慢。

7. 油滴下沉

图中这个酒瓶状的物体，事实上是一个滴入盛满异丙醇的油滴。油滴的密度比异丙醇大因此它会下沉，当油滴完全沉入异丙醇中时它就会溶解。在油滴下沉的过程中，它的运动、粘附和扩散等行为，就使其形成了这个平滑的酒瓶形状。

8. 日本黑潮洋流

海洋表面的水流是一种相互连接的拼凑体。本图，就是向人们展示了海水如何拼凑成一体的复杂过程，这个过程也是气候模型的重要特征之一。研究人员对日本黑潮洋流的卫星数据进行了分析，得出这个结果。图中红色部分代表的是快速移动的海水，形成一个个连环圈状的几何结构。

9. 激光下的气泡

当一束单独的激光束，照射到显微镜载片上的一层液态薄膜之上时，就会在液态薄膜中产生这组25个泡泡。这幅照片曝光于激光束照射后的6微秒内。由于周围液体的压力，外层泡泡会慢慢被压缩，而内部泡泡则因为有外层泡泡的保护，暂时还处于较大形状，整幅图片跨度仅为0.2微米。

10. 岩脉形成

本图显示的是:将调味酱注入到凝胶中，来进行某种地质学构造研究的实验过程。这种地质学构造就是所谓的“岩脉”。岩脉通常形成于地壳之中，由入侵的岩浆所造成。在本图中，调味酱的压力不断增大，直到它在凝胶中挤出一个裂缝。调味酱于是充满裂缝，凝胶裂缝也在不断扩展最终延伸到表面。 (唐宁)