问题

为什么漩涡的宽度会向底部逐渐变窄?

回答
你这个问题问得很有意思,其实漩涡这个现象,无论是自然界的水流,还是我们生活中接触到的很多其他流体,它的宽度变化规律确实很有代表性。要理解为什么漩涡的宽度会向下逐渐变窄,咱们得从流体的几个基本特性说起,以及它们是怎么相互作用的。

首先,咱们得聊聊“角动量守恒”。你想象一下,一个滑冰运动员在旋转时,当她收紧手臂,身体就转得更快了,对吧?道理是相似的。当流体形成漩涡时,它就相当于在绕着一个中心旋转。在理想状态下,流体内部的“角动量”——可以粗略理解为旋转的动量——总量是不会无缘无故消失的。

那么,漩涡的“底部”通常是哪里呢?大多数情况下,我们说漩涡的底部,是指它能量耗散最明显、或者与固体表面(比如浴缸底部)发生最直接相互作用的地方。而漩涡的形成,往往伴随着流体速度的分布。在中心附近,流体的速度会非常快,但越往外,速度就越慢。

现在,把角动量守恒和速度分布结合起来看。当流体绕着中心旋转时,假设总的角动量是恒定的。如果流体想要继续旋转,并且又要受限于空间,它就得想办法调整它的“形状”。

想象一下,一个不断旋转的、像盘子一样的流体团。如果它向底部收缩,变成一个更细长的圆柱形,那么为了保持总的角动量不变,它的旋转速度就必须加快。这就好比你拧一个湿毛巾,拧得越紧,水珠飞出去的速度就越快。

更关键的是,在现实世界里,流体并不是完全没有阻力的。尤其是在漩涡的底部,可能会有相对静止的水面、地面或者管道壁。这些边界会跟流体产生摩擦,也就是“粘滞阻力”。这种阻力会消耗流体的能量,减慢它的旋转速度。

但是,即使有阻力,流体仍然会尽量地维持它的旋转动量。当流体流向底部时,它能接触到的“横向空间”变小了。就好比你用力推一个在地面滚动的球,如果地面突然变窄,球为了继续滚动,就不得不改变它的路径,并且可能需要更紧密地“包裹”住那个窄小的空间。

漩涡也是如此。当流体流到底部,受到边界的约束,它能够“舒展”的半径就变小了。为了维持旋转,它就必须将速度集中到这个更小的区域。这就像一个消防水枪,如果你用手指挡住喷嘴的一角,水柱就会变得更细,但喷射出去的力量会更集中、更远。

此外,还有一个很重要的概念叫做“压力梯度”。在漩涡的中心,由于流体快速旋转,会产生一个向外的离心力。为了平衡这个离心力,在漩涡的中心区域,压力会比较低,而在外围压力会比较高。这种压力差也是驱动流体运动的重要因素。

当漩涡流向底部,并且宽度变窄时,中心区域的流体速度会进一步加快,这又会进一步降低中心的压力。同时,外围的流体由于被“挤压”,可能会感受到更大的压力。这种压力分布的变化,也促使流体向中心汇聚,从而使得漩涡的宽度在底部进一步收窄。

所以,综合来看,漩涡宽度向底部变窄,是流体自身角动量守恒的内在要求,是应对边界约束和能量耗散的一种自然响应。当流体被限制在越来越小的空间里时,为了保持旋转的“活力”,它只能将旋转的能量更集中地传递给速度更快的中心区域,而这最终就表现为漩涡宽度的逐渐收缩。

网友意见

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先生这是为您特制的三杯漩涡,请问您要中杯、大杯还是超大杯?

从图中可以看出来,的确漩涡的宽度会向底部逐渐变窄。

So TM why ?

因为离心力重力一起参与了水压的形成啊。下面的分析有一些公式,但只有初中难度,经过我通俗的解释就只有小学难度了哦。

另外漩涡的形成或是由于自然的科里奥利力,或是因为强制液体旋转,总之都是让它有了一个角速度 omega ,我们这里只讨论漩涡的形状

初中我们就学过水压的公式: p= ho gh

这个公式告诉我们,其实水压是水的重力( g )沿着深度往下( h )积累的结果

如果水是静止不动的,那么从水面开始,垂直向下重力一层一层累积就形成了某一个深度的水压。

举个例子,就好比十个人“多人运动”,一个人趴在另一个人身上,这样堆十层,那么最高处的那个人肯定最轻松(摔下来另说),最底层的那人就是在用生命运动啊,泪目。

理解水压是怎么形成的之后,我们看看加上离心力会产生什么结果。

我们假设水杯里某一点的深度是 h ,离漩涡中心轴的距离是 r ,漩涡旋转的角速度是 omega

那么在 left( r,h ight) 这个点上的水,它要受到向下的重力 g 和远离漩涡中心方向的离心力 romega^{2}

那么这点的压力就要加上离心力了:

p= ho gh+frac{1}{2} ho (romega^{2})r

细心的同学可能发现了,你离心力的那一项凭什么多一个二分之一啊?

因为实际上的压力“积累”过程是在数学上是一个积分的过程,本来的重力和离心力的“积累”是这样的,具体的推导参考欧拉静平衡方程

dp= holeft( romega^{2} dr+gdh ight)

得到加上离心力的压力公式之后我们再考虑一下,漩涡的表面有什么特点呢?

很明显,压力相等吧,也就是说液面是一个等压面,我们设定液面压力是 p_{0} (实际上等于大气压)。

所以就有: p_0= ho gh+frac{1}{2} ho (romega^{2})r

我们把深度 h 写到方程的左边:

h=-frac{omega^{2}}{2g}r^{2}+frac{p_0}{ ho g}

这不就是一个抛物线吗!!!自变量是 r ,因变量是 h ,二次项系数是 -frac{omega^{2}}{2g} ,常数项是 frac{p_0}{ ho g}

逐渐变窄,原来就是往抛物线的顶点走!!!Amazing!!!


突然想到一个小问题就留给大家思考啦:

假如我们在水杯底部的正中心开了一个孔,水在漏出的过程中满足角动量守恒(即 r^{2}omega 恒定),那么液面形状会发生什么变化?

(说得这么通俗易懂给个左下角好不好,给您嘤嘤嘤了)

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