走进科学
听说过流体力学中的死水效应吗
引擎正常工作的轮船在行驶过程中为何神秘减速，甚至停滞不前？1893年，工程师首次观察到的这一现象，并在1904年通过实验进行了验证，但直到今天，我们还是没有完全揭开死水效应的神秘面纱。
来自CNRS和普瓦捷大学的跨学科团队首次给出了关于背后机制的解释：被死水困住的船只，速度变化是由于波浪的作用，就像起伏的传送带一样，船只在其上来回运动。这项研究于2020年7月6日发表在PNAS上。
1893年，挪威探险家Fridtjof Nansen在西伯利亚北部旅行时遇到了一个奇怪的现象：他的船被神秘力量减速，几乎无法操纵。1904年，瑞典物理学家和海洋学家Vagn Walfrid Ekman在实验室中发现，北冰洋这一区域上部的盐水和淡水层之间的界面，在水面下形成的波与船相互作用，产生阻力。
这种现象被称为死水(dead-water)，出现在所有存在混合密度(由于盐度或温度不同)的洋流中。科学家观察到两种拖曳力。首先，一种学名叫Nansen造浪的阻力导致船体恒定低速。第二，Ekman造浪阻力，其特征为被困船只的速度振荡。其原因未明。CNRS的Institut Prime和Mathatomatiques et Applications实验室(CNRS /普瓦捷大学)的物理学家，流体力学专家和数学家都试图解答这一难题。他们首先对不同的内部波进行了数学分类，并在亚像素尺度上对实验图像进行了分析。
这项工作表明，这些速度变化是由于产生特定的波浪而产生的，特定的波浪就像是波浪状的传送带，船舶就像是在跑步机上的你。科学家们同时调和了Nansen和Ekman造浪阻力。他们表明，Ekman振荡状态只是暂时的：船最终会逃逸并达到恒定的Nansen速度。
除了在数学物理方程上做出理论贡献之外，这项工作在海洋运输和舰船设计上，也有潜在的应用价值。同时，或许还有一个意想不到的应用方向。
西方著名的阿克提姆海战(公元前31年)，在军队数量上占优的安东尼和屋大维最终决战，当时支持安东尼的埃及艳后的舰队，却逡巡不前。最终，埃及艳后所在的旗舰脱离舰队，不战而逃。安东尼军心大乱，本人也弃师而走。
历史学家分析这场战役，比较合理的解释的是，埃及女王克里奥帕特拉不懂战争和指挥，患得患失，优柔寡断，最终导致不战而败，自取灭亡的结局。
但是，现在我们有了另一种解释：考虑到阿克提姆海湾是洋流交汇之处，或许是死水效应导致奥特利帕特洛的舰队被困在原处。想象一下吧，迷信的古人要如何理解这种现象：被鞭笞的奴隶死命划桨，但是战舰就是一动不动……等摆脱Ekman造浪阻力之后，逃离战场似乎才是埃及艳后最为合理的选项。
更多信息： Johan Fourdrinoy等， PNAS(2020年)。www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1922584117