奇妙流體運動照片：超聲波噴泉（圖）

2009-12-06 23:05

據新科學家雜誌網站報導:本週，研究流體動力學的美國物理學，家聚首明尼蘇達州明尼阿波利斯，展示了他們所創作的最佳「流體運動」實驗圖片。

流體動力學(Fluid dynamics)是流體力學的子學科。流體動力學研究的對象，是運動中的流體(流體指液體和氣體)的狀態與規律。

流體動力學底下的小學科包括有:空氣動力學(研究氣體)和hydrodynamics(研究液體)。流體動力學有很大的應用，在預測天氣，計算飛機所受的力和力矩、輸油管線中石油的流率等方面。其中的一些原理甚至運用在交通工程，交通運輸本身被視為一連續流體。

1. 超聲波噴泉

如果利用高頻率聲音「聚焦」於水面之下的少量水域中，就會形成圖中所示的「超聲波噴泉」。當聲波在水中傳播時，會形成一種巨大的壓力，使得一些區域的液態水變成氣態形成氣泡。這些氣泡也會由於聲音的振動而被排出水面，這樣水面就會像沸騰的水面一樣翻滾。

2. 空氣漩渦

空氣漩渦，通常形成于飛行中的飛機翼尖處。當飛機接近地面時，空氣漩渦可能會影響飛機的動作。本圖是利用激光照射熒光染料的方法，所拍攝的空氣漩渦的照片。圖中紅色的漩渦是初始漩渦，當氣流與地面交接時又形成了第二個漩渦(綠色部位)。

3. 反泡泡

反泡泡(Antibubbles)也是一種小液滴，就是液體裡懸浮的一種球形薄壁氣泡。當一種液體流入另一種液體時，通常會形成這種反泡泡。

此前，對於反泡泡的物理屬性，人們研究較少。和液體裡普通空氣氣泡不同的時，反泡泡會下沉而且狀態較不穩定。本圖是關於反泡泡的實驗效果圖。當肥皂水中出現一個漩渦，反泡泡會拉長或是被漩渦擊破，還有許多反泡泡(黑線圈)被拉進漩渦中。

4. 液體分界面

圖中這種奇怪的蘑菇狀物體，事實上是兩種不相溶液體之間的不穩定分界面。這兩種液體分別是水，和密度較大的氟代烷基甲基:上層是水，下層是氟代烷基甲基。在一束短脈衝激光照射下水份被蒸發，於是就在兩種液體的分界面上形成了一個氣泡。

這個氣泡收縮後，回到液體表面會繼續收縮，縮小的氣泡會沉入下層較重的液體中。下層較重的液體，又會產生一種反彈力將其彈出表面，於是就形成了這種蘑菇形狀。圖中，蘑菇頭是由氟代烷基甲基組成。最終，這種蘑菇狀結構又會破裂，沉回剩下的液體之中。

5. 液體黏性

液體黏性是指液體內部的阻力。硅樹脂油的黏性大約是水的黏性的10倍。當一滴硅樹脂油滴到乾燥的玻璃表面時，它會分散形成一層形狀規則的薄油脂層，直到周圍出現觸角。但是，像水這種黏性較低的液體，滴到玻璃表面時會立即飛濺開來。但是，在低氣壓環境下，這種差異會減小甚至會消失。本圖是在大氣壓力下拍攝的。

6. 水中貝殼阻力

寄生蟹，通常喜歡寄居在那些不容易被水流沖走的貝殼中。因此，它們在選擇貝殼時形狀因素非常重要。因為，不同形狀的貝殼在運動的水流中可以產生不同的阻力。

本圖介紹的是採用一種粒子圖像測速技術，對貝殼周圍的水流進行測速的實驗過程。微小的追蹤粒子懸浮於液體中，可以測量液體的速度並將其形成圖像。根據所得的圖像進行分析，研究人員發現粗糙的貝殼在水流中移動較快，而平滑的貝殼則在水流中運動較慢。

7. 油滴下沉

圖中這個酒瓶狀的物體，事實上是一個滴入盛滿異丙醇的油滴。油滴的密度比異丙醇大因此它會下沉，當油滴完全沉入異丙醇中時它就會溶解。在油滴下沉的過程中，它的運動、粘附和擴散等行為，就使其形成了這個平滑的酒瓶形狀。

8. 日本黑潮洋流

海洋表面的水流是一種相互連接的拼湊體。本圖，就是向人們展示了海水如何拼湊成一體的複雜過程，這個過程也是氣候模型的重要特徵之一。研究人員對日本黑潮洋流的衛星數據進行了分析，得出這個結果。圖中紅色部分代表的是快速移動的海水，形成一個個連環圈狀的幾何結構。

9. 激光下的氣泡

當一束單獨的激光束，照射到顯微鏡載片上的一層液態薄膜之上時，就會在液態薄膜中產生這組25個泡泡。這幅照片曝光於激光束照射後的6微秒內。由於周圍液體的壓力，外層泡泡會慢慢被壓縮，而內部泡泡則因為有外層泡泡的保護，暫時還處於較大形狀，整幅圖片跨度僅為0.2微米。

10. 岩脈形成

本圖顯示的是:將調味醬注入到凝膠中，來進行某種地質學構造研究的實驗過程。這種地質學構造就是所謂的「岩脈」。岩脈通常形成於地殼之中，由入侵的岩漿所造成。在本圖中，調味醬的壓力不斷增大，直到它在凝膠中擠出一個裂縫。調味醬於是充滿裂縫，凝膠裂縫也在不斷擴展最終延伸到表面。 (唐寧)