波流二象性”探讨刘大为( 甘肃联台_ 人学理工学院- 甘肃1 1 州7 ：川)擅耍；考虑到易变形物体运动时容易通过其局部畸_ 娈! 不断传递m 导致其整体运动认为流体运动时，必然同时发生阿种现象，一种是流体的总体运动一种是流体内部的波动。我们将这种现蒙称为波流二象性。利用简单的流体绕射实验验证波流二象性关t 词t 最小作用量原理；局部畸变：整体运动；波流二象性对丁：层流状态下的流体，在肉眼观察的尺度各个质点似乎沿着与流线重合的迹线依照顺序向前移动。这仅仅是粗略的观察，我们没有理由认为在精细观察F 流体真正的运动就是这样的。本文旨在探讨层流状态下的流体真正的运动方式，因为在层流时流体的真正运动方式是随后的由于流速发生变化( 流速增加)所出现的流体运动复杂图景的起点，这一起点孕育着随着流速增加时流体运动将会出现的复杂图景。1 。由物体局部畸变的逐层传递所导致的物体整体运动对于连续的容易变形的物体或者各个质点之间存在相互作用的质点系，若系统的拯体( 即系统的质心)处于由静_ L I ! - I 运动的状态改变中，其整体的运动可以存在多种可能的路径( 或者说方式) ，而且其实际路径必然符合最小作用量原理【】j 1 口J 1 口】。整个系统同时发生运动只是其可能的路径之一，还存在其它可能的路 径，实际路径不一定是整个系统同时发生运动所以，我们并非可以先验地认为整个系统同时发生运动就是系统的实际路径。例如说，对丁晶体，其一部分对于另一部分沿剪切面发生滑移时，在滑移面，两层原子之间不是整体同时发生滑移，而是发生运动的那层原子以不断地向前传递位错的方式进行滑移恻。起初，人们以为晶体内部发生的剪切滑移是在两层原于之间发生的刚性滑移。基于这种认识，1 9 2 8 年，前苏联科学家弗伦 克耳( YC F r e n k e l ) 得出晶体剪切强度理论公式，但是，由该公式计算出的品体剪切强度比实验值高出干倍以上，理论和实际的明显差别，说明是理论出了问题，为了解决这一问题，1 9 3 4 年，英国科学家泰勒( GI T a y l o r ) 等三位科学家分别提出了位错模型( 图1 ) ，在理论上，使这一问题得以解决”J 。 我们还可以观察一F 在有阻力的情况F 推动一个易发生弯曲变形的物体时所发生的运动，当我们用撬杠从其一端向前撬动一个置放于水泥地面上的铁皮时，从撬杠的作用端开始，铁皮不断地向前传递凸起，由于凸起不断地向前传递，使得铁皮整体向前运动( 图2 ) 。此时，存在两种现象，一种是铁皮内部的波的传递，另一种是铁皮相对丁静 L 参考系的整体运动，铁皮上凸起的不断向地前传递是- - ；f e e 波，尽管不是简 谐波，根据富利叶原理，该波可以被分解成若干简谐波。如果我们将所述的铁皮改换为厚钢板，那么钢极将整体同时向前运动，不再发生局部凸起的逐层传递，这说明，物体越容易变形，整个物体的运动越容易以逐层传递局部畸变( 局部I 起就是一种局部畸变) 的方式发生。生物界总是令人惊讶地遵循着科学原理，例如毛虫就似乎“很理解”其柔软躯体的运动以逐层传递凸起的方式进行将符合最小作川量原理，“毛虫有很多脚，如果所有对脚同时爬，显然也可以前进，但太费力，毛虫自有其省力之道：在其尾部将身体拱凸，将一对脚悬空，F 使这# I 凸细态向前传_ | ，造成整个虫体向前”( 剀3 ) ”J 。饪地面上进行K 度测鼙时我们手持皮尺的端，H 要轻轻一抖然后m 将手前移I 、，KK 的一段作卉简扣刈 为f 4 HJ ，鼻，【7J 教授 监研究力卞3 2 0 “皮尺就可以向前移动一段距离，这种做法实际上和毛虫的做法一样，只不过我们没有去想这是在追随毛虫的做法。我们认为，连续的易变形物体在由静止到运动的运动状态改变中，如果物体越易于变形，那么越容易通过将局部畸变( 例如局部凸起) 不断向前传递的方式使整体运动。流体是一种在静止的情况下完全不能抵抗形状改变的连续的质点系统，因此对于流体的运动，这一性质将更加突出。例如：水是一种流体，在静止时，内部不存在剪应力，因此不能抵抗形状的改变，所咀水在运动时容易产生波，一个J , d , 的扰动就足以产生水波，“风乍起，吹皱一池春水”就是一个生动地描述，而在一个广阔的水面上，一阵大风的扰动则更会产生巨浪滚滚的场面。河流在向前流动的同时总是承载着起伏的波浪；我们观察风中的旗帜，又会发现气流的运动总是伴随着波动。我们认为：在流体流动时，流体的运动都是以逐层传播凸起的方式进行的，即流体内部出现波的传播，而流体本身则相对于静止参考系向前运动。圈翮瓣雕引套落7 属i 孑b = 0k 嚣：fi i i i i i ； 阑瓣周 ：；： ：；譬玲i i ；j i ；|嘲制歪要了q 。 - 泰勒的位错模型动，上排正位错：F 排负位错圈1往前拱的毛虫圈32 。波流二象性”假说臆胁撬动铁皮时，由于凸起向前传递，致使铁皮向前运动 图2j。l流线变化演示模型尉4根据以E 讨论，由表及里，我们提出”波流二象性”假说：流体向前运动时必然发生两种现象一种是流体的整体运动，一种是流体内部的波动。具体说来，我们认为：在压力的作用下，流体发生运动时，流3 2 1 体的运动以逐层传递凸起的方式进行，即流体内现波的传播，也就是说，以流体为参照系，流体上有波的传播，而流体本身则相对于静I 参考系向前运动。下面利用幽4 所示的物理模1 4 进行具体讨论。盛有流体的容器，在接近其底部的器壁上沿水平方向有个较K ：的水管，水管的末端有控制管内流体流速的阀fJ 。在管中的流体内取线段A A 与管轴线平行，将A A 向两侧延氏得到与管长相等的线段B B ，取A A 上的全部质点为研究列象，打开蒯门，在管内流体的流速很小的情况F ，B B 线成为一条流线。此时如果原来在A N 线E 的各个质点构成其他形状，流线B B 就不再成为直线，由于在管内流体流速很慢的情况下可以不考虑在精细观察FB B 线所具有的横向起伏的结构 6 1 ，近似认为管内内流体的各条流线为与管轴线平行的直线，亦即近似认为原A A 线上的各个质点保持原有的相互位置，保持直线形状，整体沿流线B B 运动。现在让我们看一看原A A 线上的各个质点的真实运动方式，在原A A 线上的各个质点向前运动时，A A 线上各个质点都受到来自前方的阻力，由于A 点离流体出 J 最远，所以，在A 点阻力最大，冈此，A点附近的质点容易首先拱起，并且这种拱起一黾发生，将从A 点向A 点传播，每完成一次从A 点拱起向点的传播，A A 线上的各质点相应向前运动一段距离。根据以上分析，我们认为：在流速的某一限定范同内，A A 线上的各质点在管内向前运动的方式类似于毛虫沿树枝爬行的方式，只不过组成原A A 线的质点系所发生的凸起的方向应该是随机的、多方向的。当管内流体的流速很小时，这一“质点系毛虫”凸起的高度也很小，儿乎看不出来，可以认为是沿着管轴线平动。但是当管内流体的流速很大时，这一“质点系毛虫”凸起的高度也很大，这一点也同真实的毛虫相似，当毛虫快速爬行时，其拱起的高度必然增高。当管内流体的流速很大时，组成原A A 线的质点系成为向各个方向产生很大凸起的曲线，随着流速增加，这些曲线会进一步发展成为一群看起来极为散乱的质点，此时，流体中每一质点在任一瞬时的运动都是经过复杂合成形成的随机的运动于是形成了湍流1 7 1 8 1 。剐5 避木离“ 细符后技牛明显绕射3 “波流二象性”的实验验证划6 从火箭尾部喷H 的气甜L 扩散样幢较小我f 知道：对丁光是一种波的理论可以通过光的衍射现蒙进行实验验证，同样物质波的理论U 以通过物质波的衍射现象进行实验验证【9 】。所以，我们可以从流体向前运动时是否出现绕射现象( 即衍射现象)验证是否存在波流二蒙性，我们的实验是：在注射器| ， = 】充有监色墨水，将注射器前端浸入盛于玻璃容器内的水中，推动活塞，墨水离开针管前部与针头的接口( 更好的情况是是离开针头) 时，会发生明显的绕射现象：水中山现了一个由蓝色墨水形成的圆锥体( 图5 ) 。当然，这一由蓝色墨水形成的圆锥体还存在另一种解释：由从喷嘴射出的高速射流将周罔流体卷吸入射流所形成【“。究竟这种射流的卷吸作j ；j 能否成为形成锥状蓝色水流的主要原因呢? 为此，我们可以对比一下从火箭尾部喷山的高速气流的形状，该气流的扩散情况远小于蓝色水流从浸入水中的针头射出时的扩散情况( 图6 ) ，显然，从火箭尾部喷出的高速气流存在很大的卷吸作用，不存在绕射现象：而从注射器针头射出的射流存在较小的卷吸作用，但是存在绕射现象。这一比较可以说明：从浸入水中的针头射出的由蓝色墨水形成的圆锥体是由于墨水从针头射山后发生绕射现象所引起。4 结语流体运动时，必然同时发生两种现象，一种是流体内部的波动，一种是流体的整体运动。我们将这种 现象称为波流二象性。利用流体绕射实验可以验证波流二象性参考文献：l i 王光远应用分析动力学 M 北京：人民教育出版社，1 9 8 1 ( 9 7 1 0 0 )i 2 1中国大百科全书编委会中国大百科伞书力学卷 M 北京：中国大百科争书出版社，1 9 9 3 ( 光盘) 3 许良最小作用量原理与物理学的发展 M 成都：四川教育出版社，2 0 0 1 ( 卜4 0 ) 4 j 冯瑞，帅昌绪，刘治国材料科学导论一融贳的论述 岫北京：化学丁业出版社，2 0 0 2 ( 4 1 9 4 2 2 )：5 冯瑞，冯步云晶态面面观 M 长沙：湖南教育出版社，1 9 9 4 ( 1 0 61 1 2 ) ( 6 卜8 1 )1 6 张兆顺惜梓香流体力学 帕北京：清华大学出版社，1 9 9 9 ( 2 0 0 ) 7 张远君流体力学大全 M 北京：北京航卒航天大学出版社，1 9 9 l ( 1 9 91 2 C I ) 8 邱翔，刘宇陆，湍流的相干结构 J 自然杂志2 0 0 4 ：2 6 ( 4 ) ：1 8 7 1 9 3 9 ：郭奕玲，沈慧君物理学史 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 31 2 0 0 ) ( 6 8 、1 7 2 ) ，( 3 0 3 )3 2 3