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科学家设计水仙花式稳定结构

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来源: 作者: 2019-05-16 21:39:29

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1940年,塔科马海峡吊桥以戏剧性的方式坍塌:在风中轻轻摇晃,然后突然断裂并掉到下面的水中。随着风吹过大桥,气流诱发了来回振荡的侧向力。这促使大桥在开通仅数月后便发生了坍塌。这种类型的侧向力振荡还会破坏天线、塔台和其他结构。

如今,来自韩国首尔国立大学和亚洲大学的研究人员发现,拥有扭曲的螺旋形状和椭圆形横截面的结构能减少阻力,并消除侧向力的波动。这受到了水仙花茎的启发。近日,研究人员在美国物理联合会出版公司下属《流体物理学》杂志上描述了他们的发现。

无论风什么时候吹过细长的物体,侧向力都会发挥作用。比如,当你从1辆正在行驶的汽车一侧伸出胳膊时,空气会在胳膊周围流动并且形成以交替方式从胳膊前面和后面脱落的旋涡。这种旋涡脱落会将周期性外力传给你的胳膊。

为找到减少这些力的方法,研究人员向大自然寻求灵感。他们特别研究了水仙花茎的形状。水仙花茎扭曲且形似柠檬的横截面,使其能避开风并保护花瓣。

研究人员利用计算机摹拟,探究了水仙花茎——扭曲成螺旋形的椭圆柱——周围的流体动力学。他们在平稳的层状气流和更狂暴的风中测试了各种变化,比如拥有更加椭圆的横截面或更似螺旋状。在两种情形下,水仙花形状出现出很大的不同。

“一些呈螺旋形扭曲的圆柱避开了漩涡脱落,致使阻力减少并且使侧向力变为零。”来自首尔国立大学的Haecheon Choi表示,同圆形柱子相比,切忌空腹喝咖啡
水仙花形状使层状气流和湍流气流的阻力分别减少了18%和23%。

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