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轮船在水里突然减速甚至“卡住”的原因找到了

时间: 2020年07月17日 | 作者: Admin | 来源: CNRS
是什么力量让船只在航行过程中神秘地慢了下来,甚至停滞不前,哪怕引擎还在正常运转呢?


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图片来源:Morgane Parisi -StudioBrou.com

来源 CNRS

翻译 阿金

审校 戚译引


是什么力量让船只在航行过程中神秘地慢了下来,甚至停滞不前,哪怕引擎还在正常运转呢?该现象首次发现于 1893 年,1904 年得到了实验性描述,但是我们仍未完全理解的“死水”现象背后的秘密都。如今,一支由法国国家科学研究中心(CNRS)和普瓦捷大学(University of Poitiers)组成的跨学科团队首次解释了该现象:困在死水中的船速会发生变化,是因为波浪像起伏的传送带那样,让船在上面来来回回。该研究于 2020 年 7 月 6 日在《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表。


1893 年,挪威探险家 Fridtjof Nansen 在西伯利亚北部探险时经历了一种奇怪的现象:他的船被一股神秘力量控制,速度慢了下来,他几乎无法前行,更不要说恢复正常船速了。1904 年,瑞典物理学家和海洋学家 Vagn Walfrid Ekman 在实验室展示了盐水和淡水交界处表面下形成的波浪,这种波浪也构成了西伯利亚地区北冰洋的上层部分,和船相互作用,产生拖力。


这一现象被称为死水(dead water),发生在不同密度的水(盐度或者温度不同)交汇的地方,在所有的海洋中都能看到。据科学家观察,这会引发两种拖曳现象。首先是 Nansen 发现的产生波浪的拖力,它引发恒定的不正常低速;其次是Ekman 发现的产生波浪的拖力,其特征是被困船只中出现速度震荡波。死水现象产生的具体原因仍然不得而知。CNRS 的 Prime 研究所和数学与应用实验室(隶属普瓦捷大学)的物理学家、流体力学专家尝试解决这一谜题。首先,他们使用数学方法对不同的内波进行分类,并分析了亚像素级的实验图像。


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实验装置图。研究团队使用比普通水槽更大的水槽,证明如果对船体施加侧向限制,例如参数设置太窄,或者加入港口和船闸,就会加剧船的动态振动。图片来源:© Pprime (CNRS) & LMA (CNRS/Université de Poitiers)


研究表明,这些速度变化是因为水中产生了特定的波浪,就像起伏的传送带一样,让上面的船来回移动。科学家们也将 Nansen 和 Ekman 观察到的现象结合到一起。们表示,Ekman 发现的振荡区域只是暂时的,船最终会逃逸出来,达到恒定的 Nansen 速度。


这一研究是大型项目的一部分,该项目旨在调查亚克兴战役(Battle of Actium,公元前 31 年)期间,埃及艳后克娄巴特拉的大型船队为什么败给了屋大维的弱小船队。是不是拥有海峡所有特征的亚克兴海湾用死水现象困住了埃及艳后的海军呢?


根据传说,这场战役的失败是因为“吸盘鱼”(也就是鮣鱼)牢牢吸住了埃及船队,让它们动弹不得。所以,我们现在有了另一个假设来解释这场著名的败战了。



论文信息


【论文标题】The dual nature of the dead-water phenomenology: Nansen versus Ekman wave-making drags

【论文作者】Johan Fourdrinoy, Julien Dambrine, Madalina Petcu, Morgan Pierre, and Germain Rousseaux

【发表时间】2020年7月8日

【发表刊物】PNAS

【论文编号】10.1073/pnas.1922584117

【论文链接】https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1922584117 

【论文摘要】A ship evolving in a stratified fluid is sometimes slowed down in comparison to a homogeneous case. This dead-water phenomenon was reported by the Norwegian explorer Fridtjöf Nansen during his North polar expedition in 1893. The physicist and oceanographer Vagn Walfrid Ekman was the first to study in the laboratory the physical origin of dead-water phenomenon in 1904: at the interface between saline water and freshwater, internal gravity waves appear, propagate, and generate a wave-making drag. Here we show that the velocity oscillations of pulled ships models à la Ekman caught in dead water are due to a transient internal dispersive undulating depression produced during the initial acceleration of the ship that we predict with a linear analytical model.


原文链接:

https://phys.org/news/2020-07-dead-water-phenomenon.html