3D打印
majer @ 2021.08.22 , 22:08
了解一下 开尔文勋爵的各向同性螺旋体
作为那个时代最杰出的数学物理学家，开尔文勋爵现在被公众铭记却主要是因为热力学温标和“物理学天空中的两朵乌云”——尤其是在后一典故里，好像一个反派人物——历史还真是残酷。
开尔文在1871年曾描述了一种奇怪的形状，并预测其在流体中表现异常。现在，由于3D打印技术，终于可在现实世界里实地研究它们——而且开尔文似乎错了。
这种被称为各向同性螺旋体的形状，其行为在流体动力学教科书中已有描述，但直到现在还未经实验直接测量过。
一个各向同性的螺旋体，无论其平移方向如何，都经历来自流体的相同大小阻力，就像球体一样。但当它在流体中移动时也会旋转。因此，如果你把一个各向同性的高密度螺旋体扔进一个粘稠液体的罐子里，它应该边下沉边旋转，类似于螺旋桨。
制作各向同性的螺旋体的方法如下。
取一个球体，在球面上画三大圆：一个在赤道上，一个0°经度，一个90°经度。沿着每个圆，放置四个叶片，或 "鳍"，每个都与圆倾斜45°。类似于摩托艇的螺旋桨。
康涅狄格州米德尔敦卫斯理大学的Greg Voth和同事3D打印了五个不同形状的(应该是)各向同性的螺旋体，半径仅比一厘米宽一点，然后把它们扔进硅油罐。结果，没有看到任何螺旋的迹象，这意味着对各向同性的螺旋体的预言可能是错误的。
"在开尔文的原始论文中，听起来甚至像是他动手做了一个。" Voth说。"我怀疑人们曾试图制造，但他们受到工艺水平的制约，所以根本没有成功，最终这种现象作为猜想流传至今。"
在深入研究起作用的流体力学效应后，研究人员计算出他们的螺旋体的运动按道理确实应产生旋转，或者说是平移与旋转存在耦合，这意味着它们符合开尔文的定义。但是效应太微小了，无法产生任何可检测的影响。
Voth说："这种耦合很微小，但它仍然存在。”他的团队现在正致力于开发一个各向同性的‘大’螺旋体，足以使耦合效应被测量，这将最终证明开尔文勋爵的论断。
参考期刊 物理评论·流体, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.6.074302