边界层解读：这个你每天刷牙时看见的现象，物

『菜叶网摘要_边界层|这个你每天刷牙时看见的现象，物理学家花了500年也找不到解释』直到最近，科学家终于得以建立水跃现象的模型。更加令人惊讶的是，除了帮助理解其流体力学过程，环形水跃还能让我们更好地认识超新星爆发等天文学现象。撰文?|亚历克……

『菜叶网摘要_边界层|这个你每天刷牙时看见的现象，物理学家花了500年也找不到解释』直到最近，科学家终于得以建立水跃现象的模型。更加令人惊讶的是，除了帮助理解其流体力学过程，环形水跃还能让我们更好地认识超新星爆发等天文学现象。撰文?|亚历克西·杜歇纳...

文章插图一股黏度达到水的20倍的硅油垂直落在水平面上。我们可以观察到圆形的水跃|图源AlexisDuchesne边界层|这个你每天刷牙时看见的现象，物理学家花了500年也找不到解释当水流流入水槽，我们很容易观察到，水流周围会形成一个圆环状结构——环形水跃。出人意料的是，500年来，这个看似简单的现象从未得到一个完整的解释。直到最近，科学家终于得以建立水跃现象的模型。更加令人惊讶的是，除了帮助理解其流体力学过程，环形水跃还能让我们更好地认识超新星爆发等天文学现象。撰文?|亚历克西·杜歇纳（AlexisDuchesne）翻译?|戚译引你有没有试过在洗漱完毕之后，让水龙头再开一会儿？这固然不太环保，却能让你观察到一个有趣的现象水流抵达水槽底部并扩散开来，菜叶网，在碰撞点周围形成一道薄薄的水膜。随后由于这种径向扩散，加上水与水槽表面之间的摩擦，水膜的扩散越来越慢。但出人意料的是，一种剧烈的转变发生了当水膜很薄而且速度巨大的时候，它的厚度将突然增加500倍，速度也下降至1/500。水流的这种状态转变体现为一道“水墙”，即由液体构成的环形。这就是环形水跃现象。即使我们很熟悉这一现象的存在，水跃的浮现仍然令人惊奇，因为它违背了从亚里士多德到牛顿的一代代物理学家和哲学家的认知，而莱布尼茨甚至将这一认知提炼成一条公理，即“自然界无跳跃”（Naturanonfacitsaltus）。这一原则又叫延续性原理，它假设事物通常以循序渐进的方式进展，十分符合直觉，而且往往是有价值的。在水槽里，我们看见的就是一个跳跃现象，而不是液面的延续抬升。很长时间以来，这道水墙似乎没有过多地困扰那些学者。直到16世纪，莱昂纳多·达·芬奇（Le?onarddeVci）才对水跃进行了描述。他在笔记中写道“圆形水管流出的水垂直落到一个平整的表面上，会在撞击点周围形成一道圆形的波纹；在圆圈内部，水的流动很快，在撞击点周围形成一道薄薄的水膜，然后一跃而起产生了浪，外部的水又试图回到撞击点。”用现代的语言来说，达·芬奇所描述的水跃就像一道冲击波。在物理学家看来，这一现象源于流体扩散速度和重力波之间的竞争。重力波是在流体表面扩散的波纹，重力和流体的高度决定了波长和扩散速度。在水跃的内部区域（靠近水流处），重力波扩散的速度小于流体扩散的速度，被水流带着向前传播；而在外部区域，水的高度增加，流速减缓，重力波扩散的速度大于流体的速度。受到外部扰动或反射，例如水流遇到水槽边沿的时候，重力波的影响变得可以忽视不计。，水跃被视为这样一个区域从边缘地带（水槽边或水膜的终点）释放的重力波，即抬高流体的力量，再也无法回到峰值，因为重力波“遇到”了一股流速过高的流体，无法继续传播下去。