一個存在了127年歷史的物理學謎題

1.5年前，挪威科技大學（NTNU）的能源與程序工程系的副教授Simen ?dn?y Ellingsen僅用最簡單的方法——一支筆和紙，就解決了一個已存在了127年歷史的物理問題。他從數學角度證明了偏離中心的船的尾波是可以存在的。5年后，他的學生終于用實驗證明了——他是對的。

Ellingsen說：“看到那些照片出現在電腦屏幕上的那天，是我在工作上有過的最美好的一天。”就是那天，他的博士生Benjamin Keeler Smeltzer和碩士生Eirik ?s?y將實驗的照片發送給他，證實了他5年前的理論。

5年前，Ellingsen挑戰的是一個從1887年就建立起的公認知識。他解決了一個與船的尾波中的開爾文角有關的問題。

2.想必大家都見過這樣的畫面，當船只在水中游動時，會形成V字形的尾波圖案。由于開爾文是最早對這種船波進行數學研究的，因此，這種波也被稱為開爾文船波。

一直以來，我們都認為只要水的深度不是太淺，那么V字尾流的角度應該始終低于39度，不管它是跟在一艘超級油輪后面，還是跟在一只小鴨子后面。但是就如許多其他公認的事物后來也被證明是錯誤的那樣，Ellingsen證明了開爾文角的情況并非總是如此。

其實在Ellingsen剛準備研究這個問題時，他并沒有意識到這是會是一個多么困難的問題，對他來說這是一個全新的領域。他發現在某些情況下，船的尾波可以有完全不同的角度，甚至會偏離船的航行方向。他推測，當不同的水層中有不同的水流時，即所謂的剪切流，就會發生這種情況。對于剪切流來說，開爾文的船尾波理論是不適用的。

Ellingsen回憶說：“首先試圖解決這些波浪問題的是像柯西、泊松和開爾文等一眾天才，而且他們處理的都是最簡單的沒有水流的靜水問題。這比我們后來要找出的更一般的情況要容易的多。”

3.在某些情況下，環形波也會表現出有非常有趣的行為。如果你在一個寧靜的夏日將一塊鵝卵石扔進湖中，你看到波紋形狀將會是完美的同心圓。但如果存在剪切流的話，情況就會有所不同，環形的波紋可能會變成橢圓形。Ellingsen也從柯西和泊松1815年的理擴展出了這個預言。

Ellingsen說：“在我做了最初的那些計算后，我在荷蘭的一個海灘上看著在一個海浪過后返回的水流。我在水中制造出了一些環形波紋，并拍下了一些照片。后來再看的時候，發現這些環形看上去是橢圓形的，我激動壞了！不過當然，那時它還不是科學，但現在是了！”

4.因為這一發現，Ellingsen登上了《流體力學》雜志的封面。但那時，他的所有計算都是在紙上完成的，并沒有實驗可以檢驗他的預測。于是后來，他獲得了一個建立實驗室的機會來支持他的這項研究工作，在他的兩個學生的幫助下，他們在一個專門為此項研究而設計的水池中進行了實驗。

?s?y有作為一名技術人員的背景，這大大節省了搭建實驗室所需的時間和金錢。他們從開始啟動到一切準備就緒大約花了六個月的時間。Smeltzer和?s?y設置了所有用來創建所需水流的設備。最終，他們的實驗結果被也被發表在了《流體力學》上。

5.這些關于開爾文角的新的研究結果可能可以為實際應用帶來影響。比如它可以有助于減少船舶的燃料消耗。或許大家有所不知，實際上船的很大一部分燃料都被用來產生這些波浪了，船只在順流和逆流中航行所消耗的燃油差異是非常大的。

根據開爾文的理論，這三個尾跡看起來應該都是一樣的，可事實卻并非如此。計算船后的橫波（每張圖片上方的小白點），左：傾斜的波，這里的水面并沒有移動，但是在水面下一個水流。中：速度相同，水的表面也處于靜止狀態，但水下有一個向反方向運動的水流。右：水面仍然沒有運動，船和水下的水流方向相同。

這些燃油消耗計算都是基于美國俄勒岡州哥倫比亞河河口的水流得出的。這里水流湍急，船只眾多。因此，對于任何有興趣減少燃料消耗進而減少排放的人來說，研究不同水流中的船只都是非常重要的。

Ellingsen表示，他們的結果并沒有推翻開爾文的理論，只是對其進行了擴展。當水面下沒有水流層，且水深足夠時，開爾文角仍然成立。但一旦水層之間有了運動，不同的水層有著不同的流動速度，那么這個角度就會改變。在某些情況下，這種改變甚至可以非常大。從理論上說，當非常強的水流垂直于船的航行方向時，尾流實際上可能出現在船的一側的前面。在這種情況下，你若是船長，可能就得考慮換個地方航行了。

參考來源：原理