生活中无处不在的湍流
我们中大多数人对大气湍流只有个大致的理解——湍流造成的飞机颠簸令人头晕目眩,这种经历深深地印在我们的脑海里。
但湍流在我们生活中无处不在:不仅仅在空气中,还有水中,甚至在移动的人群中。
不过出人意料的是,我们并不了解湍流背后具体的科学。各个学科的研究人员都在研究湍流,却都还不了解它复杂的运作原理——所以,一般与湍流有关的问题都是极其困难的。
生活中的湍流
从简单意义上来讲,湍流可以被描述成液体流动的一种形式。虽然有时湍流使飞机颠簸,让人不适,它却对地球上生命的存在有重要的意义。
湍流在地球表面混合了热量,水汽,二氧化碳和污染物,使我们的生态圈维持在一个宜居的状态。如果没有湍流,地表的空气将会比现在热许多——当太阳升起的时候,你的脚和头将是冰火两重天!
在澳大利亚,超过三分之二的人口住在首府所在城市,形成麻烦的人群湍流。人口较多,植被覆盖较少的地方会吸收更多的太阳热量,再通过上升的空气湍流释放出来。这个过程可以形成复杂的微气候,带来严重的空气质量问题。
雾霾和水华是湍流减少造成消极影响的极端事例。
湍流确实会减缓水的流速——没有湍流的话,乘着小舟沿着雅拉河顺流而下,船速能达到每小时2000千米,这种速度是很恐怖的;有湍流的话,船速就只有每小时一千米了。
从工程学的角度来看,由于湍流难以建模,难以控制,已经造成了低效的过度设计,限制了未来科技的大量应用。每年大约10%的电量都消耗在了抵消湍流的作用上。
达芬奇的湍流
在人文学科中,湍流的形象广泛出现在艺术象征,以及哲学理论,经济模型和政治革命描述的文学表达中。
与它们科学的另一面相比,人文学者倾向于用湍流的概念表示失调,瓦解,煽动和骚动等负面意义。
这个词的这层意思体现在最早有记录的对水流图案的描述中。莱昂纳多达芬奇把水的这种围绕障碍物的旋转流动方式描述为搅动和混乱的:也就是“turbolenza”。
达芬奇对艺术与科学的研究并不是自发形成的,而是受到了周围环境的影响。当时的世界正处于战争之中,于是他一路从意大利来到了法国。他的一些关于空气和水流的研究,以及一些借鉴了鸟类飞行的发明,本来是直接用于军事纷争的。
所以,湍流对于达芬奇来说不仅仅是一种抽象的研究对象,也是他所经历的事物,湍流的应用设计也是他重要的收入来源。
达芬奇的研究,让我们想起了关于湍流那易被忽视却十分重要的一点,那就是它悠久的历史。对这段历史的理解是理解湍流概念形成的基础,让我们知道我们现在对湍流的理解如何形成,以及未来我们对它的看法。
这些想法是由现在我们所面临的问题产生的——它们可以是技术,文化,社会和/或政治上的问题。我们所处时代中最紧急的一个问题——一个湍流普遍存在于各个方面的问题——就是难民危机。难民危机带来了历史上前所未有的人流。
叙利亚对公民的化学战争同样反映了工业化,大气湍流和人流的共同点。
用多种专业的方式解决问题
加强对湍流的理解可以减少拖拽,提高效率,减少化石燃料的使用,创造更好的飞行环境。这对像澳大利亚这样依赖长途飞行的国家尤为重要。
或者,我们可以给风和潮汐发电站湍流的数值和规模建立经过验证更可靠的模型,以此提高它们的可靠性,降低由涡轮故障和能源不足带来的风险。
加强对沿岸和内陆水域的湍流的理解有助于制定出江河边和近岸海域的最优维护计划。
长远看来,湍流的在工程上的应用可能帮助我们更好地理解人流,比如说在战争中使用化学武器后和难民危机中的应用。
科学,技术,工程,艺术和人文之间的合作帮助我们探究涡流在不同文化知识体系中理解的方式和原因,还有湍流在日常和极端情况下是如何被理解,建模和处理的。
这样,我们才能建设可持续发展的未来。
(翻译:费哲妮,审校:刘博尧)