5年前，挪威科技大學(xué)（NTNU）的能源與程序工程系的副教授Simen ?dn?y Ellingsen僅用最簡單的方法——一支筆和紙，就解決了一個(gè)已存在了127年歷史的物理問題。他從數(shù)學(xué)角度證明了偏離中心的船的尾波是可以存在的。5年后，他的學(xué)生終于用實(shí)驗(yàn)證明了——他是對的。
○ 海灘上形狀奇怪的環(huán)形波，這與我們平時(shí)看到的一樣嗎？其實(shí)在這里，有許多不同的效果在發(fā)揮作用。| 圖片來源：Simen Andreas ?dn?y Ellingsen / NTNUEllingsen說：“看到那些照片出現(xiàn)在電腦屏幕上的那天，是我在工作上有過的最美好的一天。”就是那天，他的博士生Benjamin Keeler Smeltzer和碩士生Eirik ?s?y將實(shí)驗(yàn)的照片發(fā)送給他，證實(shí)了他5年前的理論。5年前，Ellingsen挑戰(zhàn)的是一個(gè)從1887年就建立起的公認(rèn)知識。他解決了一個(gè)與船的尾波中的開爾文角有關(guān)的問題。
○ Simen Andreas ?dn?y Ellingsen（左）、 Benjamin Keeler Smetzer（中）和Eirik ?s?y（右）發(fā)現(xiàn)他們苦苦尋找的波紋。| 圖片來源：NTNU想必大家都見過這樣的畫面，當(dāng)船只在水中游動時(shí)，會形成V字形的尾波圖案。由于開爾文是最早對這種船波進(jìn)行數(shù)學(xué)研究的，因此，這種波也被稱為開爾文船波。
一直以來，我們都認(rèn)為只要水的深度不是太淺，那么V字尾流的角度應(yīng)該始終低于39度，不管它是跟在一艘超級油輪后面，還是跟在一只小鴨子后面。但是就如許多其他公認(rèn)的事物后來也被證明是錯(cuò)誤的那樣，Ellingsen證明了開爾文角的情況并非總是如此。其實(shí)在Ellingsen剛準(zhǔn)備研究這個(gè)問題時(shí)，他并沒有意識到這是會是一個(gè)多么困難的問題，對他來說這是一個(gè)全新的領(lǐng)域。他發(fā)現(xiàn)在某些情況下，船的尾波可以有完全不同的角度，甚至?xí)x船的航行方向。他推測，當(dāng)不同的水層中有不同的水流時(shí)，即所謂的剪切流，就會發(fā)生這種情況。對于剪切流來說，開爾文的船尾波理論是不適用的。Ellingsen回憶說：“首先試圖解決這些波浪問題的是像柯西、泊松和開爾文等一眾天才，而且他們處理的都是最簡單的沒有水流的靜水問題。這比我們后來要找出的更一般的情況要容易的多。”在某些情況下，環(huán)形波也會表現(xiàn)出有非常有趣的行為。如果你在一個(gè)寧靜的夏日將一塊鵝卵石扔進(jìn)湖中，你看到波紋形狀將會是完美的同心圓。但如果存在剪切流的話，情況就會有所不同，環(huán)形的波紋可能會變成橢圓形。Ellingsen也從柯西和泊松1815年的理擴(kuò)展出了這個(gè)預(yù)言。
○ 沒有水流的情況下，環(huán)波呈完美的同心圓形狀。但當(dāng)水面下有水流存在時(shí)，環(huán)形的波紋就開始呈現(xiàn)出橢圓形狀，并且開始偏離中心。| 圖片來源：NTNUEllingsen說：“在我做了最初的那些計(jì)算后，我在荷蘭的一個(gè)海灘上看著在一個(gè)海浪過后返回的水流。我在水中制造出了一些環(huán)形波紋，并拍下了一些照片。后來再看的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這些環(huán)形看上去是橢圓形的，我激動壞了！不過當(dāng)然，那時(shí)它還不是科學(xué)，但現(xiàn)在是了！”因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)，Ellingsen登上了《流體力學(xué)》雜志的封面。但那時(shí)，他的所有計(jì)算都是在紙上完成的，并沒有實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)他的預(yù)測。于是后來，他獲得了一個(gè)建立實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會來支持他的這項(xiàng)研究工作，在他的兩個(gè)學(xué)生的幫助下，他們在一個(gè)專門為此項(xiàng)研究而設(shè)計(jì)的水池中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
?s?y有作為一名技術(shù)人員的背景，這大大節(jié)省了搭建實(shí)驗(yàn)室所需的時(shí)間和金錢。他們從開始啟動到一切準(zhǔn)備就緒大約花了六個(gè)月的時(shí)間。Smeltzer和?s?y設(shè)置了所有用來創(chuàng)建所需水流的設(shè)備。最終，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果被也被發(fā)表在了《流體力學(xué)》上。這些關(guān)于開爾文角的新的研究結(jié)果可能可以為實(shí)際應(yīng)用帶來影響。比如它可以有助于減少船舶的燃料消耗。或許大家有所不知，實(shí)際上船的很大一部分燃料都被用來產(chǎn)生這些波浪了，船只在順流和逆流中航行所消耗的燃油差異是非常大的。
○ 在這三張照片中，船都在以同樣的速度移動（50厘米/秒）。根據(jù)開爾文的理論，這三個(gè)尾跡看起來應(yīng)該都是一樣的，可事實(shí)卻并非如此。計(jì)算船后的橫波（每張圖片上方的小白點(diǎn)），左：傾斜的波，這里的水面并沒有移動，但是在水面下一個(gè)水流。中：速度相同，水的表面也處于靜止?fàn)顟B(tài)，但水下有一個(gè)向反方向運(yùn)動的水流。右：水面仍然沒有運(yùn)動，船和水下的水流方向相同。| 圖片來源：NTNU這些燃油消耗計(jì)算都是基于美國俄勒岡州哥倫比亞河河口的水流得出的。這里水流湍急，船只眾多。因此，對于任何有興趣減少燃料消耗進(jìn)而減少排放的人來說，研究不同水流中的船只都是非常重要的。Ellingsen表示，他們的結(jié)果并沒有推翻開爾文的理論，只是對其進(jìn)行了擴(kuò)展。當(dāng)水面下沒有水流層，且水深足夠時(shí)，開爾文角仍然成立。但一旦水層之間有了運(yùn)動，不同的水層有著不同的流動速度，那么這個(gè)角度就會改變。在某些情況下，這種改變甚至可以非常大。從理論上說，當(dāng)非常強(qiáng)的水流垂直于船的航行方向時(shí)，尾流實(shí)際上可能出現(xiàn)在船的一側(cè)的前面。在這種情況下，你若是船長，可能就得考慮換個(gè)地方航行了。參考來源：
https://phys.org/news/2019-08-year-old-physics-riddle.html
IEEE Spectrum
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