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爆炸吧知識
生活處處有科學
《哆啦A夢》裏的空氣炮，是很多人童年時夢寐以求的神奇道具。
只要將手伸進炮筒，就能發出強大的壓縮空氣炮，瞬間擊倒體型龐大的怪物。
爲了證明“空氣炮”的確有科學依據，有這麼一檔喪心病狂的電視節目，製造了全世界最大的空氣炮，還一炮打破了吉尼斯世界紀錄！
這枚大型空氣炮出現在2012年的捷克電視節目《自然奇觀》（Zázraky přírody）裏，向紙箱牆射擊的同時，測試人員不斷增加空氣炮與紙箱牆的距離。
在20米的距離，紙箱被強大的衝擊波擊散，兩名測試小哥嚇到抱頭蹲地。
再到50米，紙箱依舊沒有擺脫被推倒的命運，連一旁的鐵架都移了位。
最終在100米（330英尺）的位置，一炮打破吉尼斯世界記錄，榮膺世界上打得最遠的 炮 空氣炮！
事後，兩個測試小哥不忘再次作死，體驗一次向我開炮的感覺....
細心的模友可能已經發現，在空氣炮君打出的這些炮裏，都出現了一個若隱若現的煙霧圈圈！
是的，你沒有看錯，這空氣炮之所以打得又遠又猛，都和這個圈圈背後的流體力學現象——渦環有關！
什麼是渦環
渦環（又稱渦旋），是指流體沿着某一個方向，環繞在直線或是曲線軸的區域內。
它是由被擾動的流體，如液體、氣體、等離子體所形成的。就像這樣：
可以看到，圓環中的流體在繞着軸進行旋轉，如果這個環的角向轉動越快，那麼這個環就會變得越穩定。
爲了方便大家理解渦環裏的角向轉動，超模君邀請了B站上吐菸圈的大神vAustinL親自示範：
你會看到，隨着渦環的上升，第二波吹入的煙霧也隨着渦環快速旋轉，展示了渦環內部的流體流動的方向。
更神奇的是，內部的氣流旋轉極大增強了渦環的運動持久性。類似於讓球滾過地板比滑過地板更容易，渦環的渦流也減少了核心與周圍的摩擦。
因此，與流體射流相比，渦環不是一般的耐打。這也解釋了爲什麼吐出的菸圈可以飄得這麼遠。
妙不可言的渦環研究
自17世紀開始，人類就沒有停止過對渦環的研究。
1858年，德國物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）發表了論文《表達渦環的流體動力學方程的積分》，首次對其進行了數學分析。
在論文中，他用公式描述了渦環的強度。
正是亥姆霍茲的論文，讓人們開始對渦環的形成、運動和相互作用有了基礎的認識，並嘗試一步步展開深入的研究。
直到如今，出現了很多有關渦環的有趣研究，其中最著名的，莫過於兩個渦環的相撞實驗。
透過動圖可以看到，如果兩個相同渦環產生正面碰撞，就會出現如下神奇現象：沿碰撞平面徑向擴展後，渦環又形成多個美麗的小環。
從渦環狀態脫險的飛機
從早期使用直升機開始，飛行員們就發現，在垂直下降時，直升機很容易出現顛簸，快速下跌甚至操縱失靈的狀態。
其中的物理實質，是直升機下降時的相對來流對旋翼尾流的擠壓作用，導致在旋翼形成不穩定的渦環，科學家稱爲“渦環狀態”。
一旦直升機進入典型渦環狀態，那感覺就像雨雪天踩剎車一樣，老司機也未必剎得住，模友們可以看動圖感受一下有多危險。
處處可見的渦環
其實，自然界有很多神奇的現象都和渦環有關。
比如，蒲公英的超遠飛行。
三位科學家通過長曝光攝影和高速成像，發現分離的渦流環是蒲公英飛行的基礎。
圖片來源於Nature自然科研
又比如說，海豚吐出的神祕銀環。
這種神祕銀環也是渦環的一種，名爲泡沫環(bubble ring)。海豚熱衷於與之嬉戲、追逐，甚至有時候故意把它咬碎。
對它們來說，飯可以少喫，但吹渦環不能沒有。
那麼問題來了，海豚是怎麼在水中製造出渦環的？
第一種，海豚利用水壓的特性從鼻孔排出渦環。
第二種，海豚可以通過快速擺動背鰭，在水中作水平移動或向下移動的環。
圖片來源於Earthtrust
當人類明白海豚是怎麼吹渦環的，第一件事不是讚歎海豚的聰明才智，而是....自己下水吹起了泡泡。
沒錯，在海里，人類可以像海豚一樣吹出美麗的渦環，但目的通常和科學沒什麼關係.....
除了自然界之外，在航空、軍事當中，也同樣充斥着渦環的影子。
舉個栗子，當飛機高速飛過時，產生的下降氣流會導致渦環的產生。
莫得感情的防暴武器：渦環大炮。
“末日武器”原子彈和氫彈，其爆炸形成的蘑菇雲，本質上也是一個不斷上升的巨大渦環。場面之震撼，讓超模君只想祈禱世界和平。
渦環的存在，除了展示流體力學的魅力，也告訴了我們一個道理：生活中並不缺少科學，而是缺少一雙發現科學的眼睛。
對此，超模君最有發言權，因爲超模君發現：
寫在最後
何謂數學？
數學家Eduardo曾這樣回答
“數學是永恆，是真理，是一切的答案。”
爲了探尋趣味數學奧祕
真切感知理性之美
超模君精心打造了一款
數學文化圈藝術收藏品
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作者簡介：超模君，數學教育與生活自媒體博主，新晉理工科奶爸。出版過《芥子須彌 · 大科學家的小故事》；《數學之旅·閃耀人類的54個數學家》。後續數學文化創意多多，歡迎關注認識！
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