厨房中的超声速现象

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　　超声速是指物体的运动速度超过了声速(通常为340米每秒，即1224千米每小时)。目前大型民航飞机的巡航速度基本在0.8倍声速左右，战斗机的速度可以达到几倍的声速。当我们在厨房中将一个玻璃球投到一个较深的盛满水的容器中，你可能绝不会想到会产生超声速现象。但事实的确如此。

　　图1描述了将玻璃球等物体投入到水中所发生的物理现象。随着玻璃球的下沉，空气占据了玻璃球下沉过程中经过的路径(图1a)。当玻璃球下沉到一定深度以后，由于水的重力和(可能的)表面张力的作用，空气和水交界处开始收缩(图1b)。在收缩过程中，由于内部(靠近玻璃球一侧)的空气被压缩，其压力高于外部的空气，这个压力差驱动内部的空气向外溢出。当边界收缩的一定程度的时候，将会形成向上的空气射流(图1c)。这里，射流指的是一小段快速运动的物质(通常为空气或者水)。例如喷气式飞机便是依靠其尾部通过涡轮喷气发动机向后喷出的高速空气射流产生的推动力前进的。实验发现，图1c中产生的向上的空气射流的瞬时速度竟然超过声速。在图1c中，我们也注意到随着水气边界的收缩而形成了很有趣的形状，即先逐渐收缩到最小截面积(称为喉部)，然后再逐渐扩张。工程上很有名的“拉瓦尔喷管”就是这个形状。拉瓦尔喷管是瑞典工程师兼发明家拉瓦尔于1888年发明的，最初主要用在蒸汽轮机上。拉瓦尔喷管的主要作用是增加流体的流速，现在已被广泛应用于火箭发动机和航空发动机等领域。与常见的拉瓦尔喷管相比，图1c中形成的形状的边界并不是固定的，而是快速变化的。随着边界的收缩，“拉瓦尔喷管”的喉部被封闭(图1d)，接着形成了一个向上的和一个向下的水射流(图1e)。你也可以在厨房里面尝试一下上述实验，选择盛水的容器一定要足够深才能够观察到完整的物理过程。

　　图1 向水中投掷玻璃球等物体过程中所发生的物理现象。(c) 中箭头为产生的超声速空气射流的方向。图片版权归Physics杂志所有。

　　参考文献：
　　Stephan Gekle, Ivo R. Peters, José Manuel Gordillo, Devaraj van der Meer and Detlef Lohse. Supersonic Air Flow due to Solid-Liquid Impact, Phys. Rev. Lett. 104, 024501 (2010) – Published January 11, 2010
　　Daniel P. Lathrop, Making a supersonic jet in your kitchen, Physics 3, 4 (2010).

　　来源：张宇宁科学网博客，作者：张宇宁。