重新定义流体力学：古老的发明引发了现代的突破

来源：cnBeta 　2023-06-04 05:48:59

一组科学家通过对一种古老的技术 - 吸管进行实验，发现了管理流体流动的新规律。这种新发现的理解有可能加强医疗和工程背景下的流体管理。液体和气体通过管道、管子和导管等渠道的运动是自然和工业背景下的一种常见现象，包括血液循环或通过管道运输石油等情况。

纽约大学库兰特数学科学研究所的一个研究小组发现了制约流体流动的新规律，与之前已知的规律相矛盾。他们的发现是基于对饮管和金属管的实验，从而推导出一个通用的数学公式，可以预测流体在任何管道或管子中的流动，这可能对医学和工程等领域产生重大影响。

"我们发现，通过吸管喝水违背了所有先前已知的关于流经管道的阻力或摩擦力的定律，"纽约大学库伦特数学科学研究所的副教授和该研究的作者Leif Ristroph解释说，该研究发表在《流体力学杂志》上。"这促使我们寻找一个新的定律，它可以适用于以任何速度通过任何大小的管道的任何类型的流体。"

(资料图片)

"管道流动问题一直是流体力学研究中最基本和最重要的问题之一，在许多方面，该领域的发展就是为了解决这个问题，"纽约大学应用数学实验室主任Ristroph解释道，该研究就是在这里进行的。

然而，在他们的工作中，Ristroph和他的同事发现，所有与压力和流速有关的已知定律只有在某些条件下才是准确的。

为了得出这个结论，他们进行了一系列的实验--测量不同长度和直径的金属管道的流速和压力，并使用几种类型的液体。其目的是确定这些因素与流经管道的摩擦阻力有什么关系。

"我们的数据显示，著名的和经典的流动摩擦定律只对某些流速和管道尺寸的组合是准确的，"Ristroph解释说。"我们绘制了现有定律不能很好工作的条件，我们在我们的眼皮底下发现了一个很好的例子：通过吸管喝饮料。"

据认为，早在5500年前的美索不达米亚文明早期的苏美尔就已经开始使用吸管。但是以前没有研究过它们运作的流体动力学。

研究人员扩大了他们的研究范围，包括几种吸管--一种薄的咖啡搅拌器类型，一种普通的苏打水类型，以及一种宽的茶饮类型--他们进行了实验，以确定在饮用过程中典型的流速的摩擦。

吸管和类似大小的管道上的数据与任何已知的定律都不相符，这些定律是以其发现者--科学家Evangelista Torricelli和Jean Léonard Marie Poiseuille等人命名的。

研究人员发现，每个经典定律都失败了，因为它假设管道要么非常短，要么非常长，流速要么非常慢，要么非常快。介于两者之间的情况，包括吸管，涉及复杂的因素，如流动如何沿着管道的长度变化，以及它是变得光滑和层状还是粗糙和湍流。

对这种影响进行建模使研究小组能够得出一个单一的数学公式，其预测结果与所有管道和吸管以及所有被测试的流体和流速的实验测量结果相匹配。

"一个通用的公式可能非常有用，例如，在理解和模拟循环系统中的血液流动方面，"Ristroph观察到。"我们的静脉、动脉和毛细血管基本上是具有许多不同直径、长度和流速的管道。"

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