不敢相信！海豚吐的泡泡居然和原子彈的蘑菇雲是一個原理？

新聞 02-17

大家一定都看過《貓和老鼠》，或者其他的什麼動畫片，裡面都有這種吐煙圈的鏡頭。

《貓和老鼠》動畫片中的吐煙圈鏡頭，雖然現實生活中做不到吐出那麼多字，但是還是能夠吐出一個圓圓的煙圈的。

無獨有偶，喜歡這種圈圈的並不只有人類……

在海洋里與自己吐出的圈圈戲耍的鯨魚

水族館裡的海豚也喜歡玩圈圈，當然他們都吐不出煙圈，但是他們都可以吐出空氣圈。只要在水中向前吐出一口氣，在摩擦力的作用下，這個圈圈就會不斷地向前移動。

這個圈圈在流體力學中被廣泛研究，其正式的名字被稱為渦環（vortex ring）。

泡沫環（bubble ring）是在水裡的渦環，在環內充滿了空氣。當泡沫環在水裡移動時，環內空氣與附近的水都會呈角向轉動（poloidal rotation），就好像當滾動一串柔軟的手鐲於手臂時，手鐲會呈平移運動與角向轉動一樣。泡沫環角向轉動越快，就會變得越穩定。

渦環中流體的流動方向示意圖。可以看到圓環中的流體在繞著軸進行旋轉，而且如果這個環的角向轉動越快，那麼這個環就會變得越穩定。

為了更方便讓大家理解渦環裡面的角向轉動，可以看上圖，兩個人在泳池內產生了一個渦環。隨著渦環的上升，放入其中的小物體也隨著渦環快速旋轉，展示了渦環內部的流體流動的方向。

渦環的存在十分地普遍，我們可以在很多地方都見到它們。

上圖直觀地展示了一個高速飛過的飛機，其產生的下降氣流也會導致渦環的產生。

在很多展示實驗中有空氣炮這個項目，實際上也是使用了類似的原理，拉動底部的彈性薄膜，釋放以後就會向外吹出空氣，這個吹出的空氣就會在空氣阻力的作用下形成穩定的渦環，傳遞十分遠的距離。上圖渦環帶動了可燃氣體，從而點燃以後形成了一個火焰環。

BBC紀錄片展示了一個渦環大炮。其內部通過點燃氣體向外噴射形成渦環，炮口處看到的渦環並不是內部的氣體，而是氣體快速收縮膨脹使得水蒸氣凝結形成的渦環。

雖然不能「八百里開外」打倒目標，但是摧毀這種近距離的小目標還是輕輕鬆鬆的。

慢鏡頭下的一個十分完美的渦環在不斷前進。

渦環的現象普遍到隨便一個和流體有關的實驗里你都能見到它。比如下圖這個酒精火箭，內部酒精蒸汽在點燃的過程中也會有肉眼可見的渦環。

酒精火箭演示實驗。可以看到瓶子內部的淡藍色的圈圈在不斷向前移動。

不得不說，渦環無處不在。這個「甜甜圈」實在是太過迷人。

就連原子彈和氫彈爆炸形成的蘑菇雲，其本身就是一個巨大的渦環在不斷上升。

氫彈爆炸

原子彈爆炸

在原子彈和氫彈爆炸的過程中，都會形成大量的高溫高壓氣體迅速膨脹，從而形成衝擊波。

而這突然產生巨大體積的低密度氣體都會形成蘑菇雲，這一過程導致瑞利-泰勒不穩定性。大量氣體急劇上升，導致沿其邊緣彎曲向下形成渦旋，從而形成一個渦環組成中心柱狀「蘑菇梗」。氣體以及夾帶的潮濕空氣最終上升到外界與其密度相同的高度並散開，而從低處升來的塵埃則會沉積）。這一穩定高度取決於溫度、露點以及起始高度上方空氣的風切變。

關於渦環也有許許多多的研究課題，比如，兩個渦環相撞，會發生什麼有趣的現象呢？上圖為 27 年前發表在 Nature 上的關於兩個渦環相撞的視頻。