8. 现在往回转,你可以看到染料又分开了。很神奇吧!
实验原理
这个神奇的实验是一个叫做 John P Heller 的石油科学家在1960年发明的,当时他把实验发表在《美国物理学期刊》(American Journal of Physics)上。
最开始,Heller 使用的是甘油,实验仪器是一种高大上的装置,叫做库爱特粘度计(Couette viscomete)。后来数不清的老师在流体力学课上用简单的杯子为学生展示这个反常识的“魔术”。
所以到底为什么染料不会混合呢?还记得我们之前解释过彩条牙膏不会混合的原理吗?(点我回顾)。让彩条牙膏的颜色不会混合的原因是因为牙膏的粘度很大,因此牙膏流动时只能是“层流”(laminar flow),也就是说流体就像一根一根分明的绳子一样各自流动,不会搅和在一起。
层流的反面是湍流,也就是液体互相混合。粘度小的流体容易湍流,因此我们平时看到的水流基本都是湍流。
先层流再湍流
在我们的实验里,因为洗洁精粘度很大,所以在流动时也是层流。
虽然我们知道粘度是决定流体层流或湍流的一大因素,不过现在没有人能够预测湍流的具体数学形式。
有了湍流的数学模型有什么用呢?
就比如拿飞机设计来讲吧,因为没有精确的数学模型,现在在设计飞机时,工程师们必须要建造昂贵的风洞,然后才能获得宝贵的数据。显然有了数学模型以后就不需要做这些耗时耗力的装置了。
风洞
由于湍流的数学模型有很大的实用价值,因此著名的克雷数学研究所(Clay Mathematics Institute)在2000年5月为湍流的数学模型问题(纳维-斯托克斯存在性与光滑性)专门设立了一个价值1百万美金的奖——千禧年大奖,专门用来奖励第一个解决湍流数学模型问题的人。