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　　湍流景观

　　坐在清澈的溪水旁，鸟声奏乐，树影婆娑，怡然世外。这不能不说是人间美事。脚下流水潺潺，"魔术"彰然显露：平缓流动的溪水倏然忽左忽右旋转起来，旋涡一个套一个，井然有序，一个精巧别致的旋涡体系须臾形成。这就是湍流，怡然世外者碰上了令科学家至今还头痛的难解景观。

　　湍流随处可见。在烟囱冒出的滚滚浓烟中；在奔泻着的江河中；在飞机航线上(旋涡气流颠簸飞机)；在大气层中(旋涡气流使天气难以预报)。它与人们生活紧密相关。科学家已对湍流进行了长时间研究，发现湍流的基本形式是小旋涡或涡流。当你搅拌咖啡或糖水时，就会产生一两个旋涡，而在江河流水或大气层中的大规模湍流中却有成百上千的旋涡，它们一个套一个，一个连接一个，彼此相关。这一特性可以列成方程，用计算机显示出来。这种方程叫做非线性方程。

　　19世纪，英国物理学家雷诺做过一个名垂物理学史的实验。首先将染料注人水流缓缓流动的管道中心，发现染色线以直线或流线的形式通过管道，他将这种类型的流动叫做层流；后在大管道中将水流加速，结果染料以复杂的方式旋转，通过管子后就交相融合或混合了，水流变成了湍流。他发现，流体变成湍流的可能性可由一数表示，后人称这个数为雷诺数，它等于流体的速度乘以管道的直径，再除以流体的粘性系数。雷诺数越大，湍流越容易出现，反之则较难出现。流速大且粘性较小的液体在较大尺寸的物体中流动时容易产生湍流，而粘性大且流速大的液体则难产生湍流。水流动时的雷诺数可高达数百万，而汤匙搅拌的糖浆则只有约0.1，地壳下的岩浆则更小，不逾百万分之一。因此，它是决不会变成湍流的(人类之幸事！)，除非在火山爆发时。

　　当流过圆柱体的流体的雷诺数约为40时，流体在圆柱体周围开始摆动；当雷诺数增至3000时，摆动就开始分解为规则的、沿圆柱体顺流而下的湍流；雷诺数高达数千时，湍流环绕着圆柱体流动。层流如何转变为湍流是一个妙理幽深、诱人研究的问题，现已基本清楚，它原来与紊乱或混沌休戚相关，所谓混沌就是一种极端的无序。美国麻省理工学院的E.N．洛伦兹在20世纪70年代发现的混沌性表明，只有几具因素的简单确定性系统也会产生随机性的行为。洛伦兹曾在60年代用"蝴蝶效应"风趣地说明了天气为什么难以长期预报。气象台也许能全面地考虑各种气象条件。如果由这些气象条件决定的天气再不受其他因素影响，气象台原则上应能长期预报天气，然而气象台却无法考虑到诸如(在何时何地有)"蝴蝶拍它的翅膀"这样一些小因素影响，这些小因素本身并不能直接左右天气，而是因为天气是一个混沌系统，对这些小因素很敏感，它们很容易与某些气象条件(如风速、风向等)一道(或者说被某些气象条件放大)使整个气象条件发生急剧变化，如使大气层流变成湍流，产生一个个大气旋涡，最终使气候发生变化，造成天气误报。

　　上述蝴蝶拍打翅膀(这样一些小因素)对大气湍流的形成起到了"种子"的作用。物理学家认为，湍流就是因这些"种子"(或小因素)的影响被急剧放大而形成的。物体表面某些不规则或规则的部分，如溪底某个凸起的尖石(溪流在这里可能形成湍流)或圆柱体(水流过圆柱体时可能形成湍流)等都是种子，物体的各种振动及原始旋涡均是种子。从时间角度看，层流具有明显的周期性，湍流则无周期性可言，或者说周期为无穷长。所谓周期性是指系统具有每隔一定时间就恢复原来状态的特性。科学实验表明，层滚周期随雷诺数增加(或减少)而变化。在某一雷诺数上周期将倍增，雷诺数进一步增加会导致进一步的倍增，周期增至无穷大后，层流就成了湍流。物理学家菲金鲍姆还发现了预测连续周期倍增间隔的方法，这个连续间隔比率由一具通用"幻数"4.66920给出。如上所述，科学家虽已对湍流(问题)花了不少功夫，但距最终揭示这个问题的谜底和准确预测湍流还路途遥远。这正是：物含妙理总堪寻，自然探谜无已时。 探秘蓝色星球【富媒体版】