ror体育奥斯本-雷诺兹（Osborne Reynolds）正在 1883 年的实践中证据了水流从层流到湍流的转折，从而提出了流体力学的根本题目。几十年后，奈杰尔-戈登菲尔德（Nigel Goldenfeld）和比约恩-霍夫（Björn Hof）带领的探索职员行使统计力学解开了这些谜团，证据流体中层流到湍流的转折再现为定向渗滤--流速决议最佳萃取的观念，您可能了解为相似于冲泡咖啡。

　　他们的跨学科伎俩揭示了这种转折可能用非平均态相变来描写，并为流体动力学供应了新的观点。

　　1883 年，奥斯本-雷诺兹（Osborne Reynolds）将墨水注入一根透后短管中的水中，调查水的活动。他的实践解释，跟着输入水流速率的扩张，水流从层流（滑腻且可预测）变为湍流（担心定且弗成预测），造成终局限的湍流斑块，即本日所说的Puffs。

　　他的做事帮帮开创了流体力学周围，但正如实践往往做的那样，他的做事提出了更多的题目。比方，层流和湍流之间为什么会发作转换，奈何定量描写这种转换？

　　固然雷诺兹没能找到谜底，但由加州大学圣地亚哥分校校长特聘物理学熏陶尼格尔-戈登菲尔德和奥地利科学技艺探索所的比约恩-霍夫带领的一个国际探索幼组，欺骗统计力学管理了这个历久存正在的题目。他们的探索效果公告正在《天然-物理学》上。

　　这项做事的簇新之处正在于，探索幼组不只从流体力学的角度来探索这个题目，并且还从统计力学的角度来探索这个题目。统计力学是物理学的一个分支，它行使数学来描写拥有巨额粒子的体例的行径。统计力学经常实用于处于平均状况的体例，但湍流并不处于平均状况，由于能量连接进出流体。然而，探索幼组正在先前做事的本原上证据，正在层流和湍流之间的过渡点，流体正在管道中的运动处于非平均相变状况，即所谓的定向渗滤。若是渗滤会让你联思到黎明的咖啡，那么它正在这里供应了一个有效的例子。

　　咖啡渗滤时，水以肯定的速率流经咖啡渣，并顺着重力目标向卑劣动。这种活动称为定向渗滤。速率太疾冲泡，咖啡会变淡；速率太慢，水会倒流并溅到台面上。最好的一杯咖啡是水流速率足够慢，以招揽咖啡豆中最多的滋味冲泡，但又足够疾，使其通过过滤器时不会倒流。这即是所谓的定向渗滤转换。

　　这好似与流体湍流无闭，但正在起初的做事中，探索幼组和该周围的其他探索职员有证据解释，定向渗流转折拥有与层流-湍流转折一样的统计性情。

　　这个题目曾经存正在了近150年，需求用分表规的思想来管理，戈登菲尔德说，他还正在雅各布斯工程学院和哈利西奥卢数据科学探索所任职。尚有时刻。团队中的极少成员正在这个题目上曾经做事了十多年。

　　湍流气泡沿模仿管道和实践转移时的时刻轨迹，蓝域体现气泡交通停顿。左边的图像比右边的图像更亲近层流-湍流过渡，因而可能明了地看到，跟着定向渗流过渡的亲近，交通停顿逐步消逝。图片开头：Nigel Goldenfeld / 加州大学圣地亚哥分校

　　底细上，2016 年，正在戈登菲尔德及其互帮家提出层流-湍流转折表面的同时，霍夫探索幼组就正在圆形几何中对层流-湍流转折举办了实践探索。

　　纵然霍夫探索幼组曾经证据了圆形几何体中的定向渗流，但正在管道如许的绽放几何体中会发作什么仍不明了。其余，正在管道几何体中举办实践也不切本质。固然圆形是永无尽头的，但探索职员揣测，正在管道中举办同样的实践需求 2.5 英里的长度，而网罗需要的数据点需求几个世纪的时刻。

　　为了获得进步，探索幼组做了两件事。起初，他们行使压力传感器调查管道中的气泡，并准确衡量了气泡奈何影响互相的运动。他们将数据输入分子动力学估计机模仿，结果解释，从统计学角度来看，正在层流-湍流过渡邻近，粉扑的行径与定向渗流过渡分表吻合。

　　其次，他们欺骗相变物理学的技艺，行使统计力学从数学上预测了Puffs的行径。这也验证了定向渗流转折的假设。

　　通过这项探索，探索幼组还从周详的实践和统计力学表面中浮现了极少意思不到的东西：就像岑岭时段高速公道上的汽车相似，粉扑容易变成交通停顿。若是一个粉扑填满了管道的宽度，那么没有任何东西可能通过它，这意味着其他粉扑大概会正在它后面聚积起来。就像你大概思明确为什么会发作交通停顿冲泡，为什么交通停顿会正在无法确定起因的情形下消逝相似，粉尘停顿也会以统计力学所描写的格式自行造成和消失。正在从层流到湍流的临界过渡点上，气泡停顿往往会熔解，让位于定向渗流过渡的特地统计行径。

　　戈登菲尔德评论道：这项做事不只揭开了管道层流-湍流转折的序幕，还展现了来自区别科学学科的观点是奈何出人预思地阐明一个困难的。若是没有统计力学的视角冲泡，就不大概了解这一样板的流体力学形象。咖啡杯里的风暴：科学家破解雷冲泡诺湍流的百年之谜