介绍
通过轻轻地脉动其囊状身体在海洋中移动的水母似乎并没有掌握许多人类工程师感兴趣的秘密。 尽管水母很简单,但它们却能熟练地利用和控制周围的水流,有时效率惊人。 因此,它们体现了流体动力学问题的复杂解决方案,可供工程师、数学家和其他专业人士学习。 约翰·达比里加州理工学院机械和航空航天工程专家在本集中与 Steven Strogatz 讨论了水母和其他水生生物可以教会我们有关潜艇设计、风力涡轮机的最佳放置以及人类心脏健康的知识。
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成绩单
史蒂文·斯特罗加兹(Steven Strogatz) (00:03):我是 Steve Strogatz,这是 为什么的喜悦,来自的播客 广达杂志这将带您进入当今数学和科学中一些最大的未解决问题。
(00:14) 人们说生物学是工程师的伟大老师。 想一想翱翔的雄鹰可以教会我们关于空气动力学的一切吧。 今天我的客人认为水母对于工程暑期实习来说是一个有启发性的东西。 多年后,他仍在研究水母,以获取它们提供的有关流体动力学的丰富信息,这也是本集的主题。
(00:36) 关于空气、水甚至血液的运动,水母和鱼群的运动可以告诉我们什么? 通过研究鱼群如何一致移动的数学,我们今天的客人已经能够弄清楚如何放置风力涡轮机以更有效地产生清洁能源。 但这还不是全部。 事实证明,水母游泳的方式甚至可以告诉我们人类心脏的健康状况。 水母教会了我们水下推进的新技巧,这可能有助于新一代潜艇的设计。 但让我们的嘉宾约翰·达比里 (John Dabiri) 告诉我们更多信息。 他是加州理工学院机械和航空航天工程教授。 他赢得了 沃特曼奖 2020年,美国授予早期职业科学家和工程师的最高荣誉。 他也是拜登总统的成员 科学技术顾问委员会。 欢迎,约翰·达比里教授。
约翰·达比里 (01:31):谢谢,史蒂夫。 很高兴来到这里。
斯特罗加茨 (01:33):非常高兴您能来到这里。 我们已经认识有一段时间了,但我认为我们以前没有机会谈论过实际情况,所以我对此感到很兴奋。 你知道,我必须承认,虽然我们要和你谈论很多关于水母的事情,但我从来没有握过水母,也从来没有被水母蛰过。
达比里 (01:51):你错过了。 我两者都做过。
斯特罗加茨 (01:55):怎么会这样呢? 您近距离接触水母并被蜇伤的经历是怎样的?
达比里 (02:00):嗯,你知道,这实际上是我为一本杂志拍摄的照片,摄影师认为我可以近距离接触我的拍摄对象。 于是他把我拉到水里,并告诉我要抓住果冻。 与此同时,它的触手开始滴在我的腿上。 所以这是一次非常痛苦的拍摄,但我们还是拍到了。
斯特罗加茨 (02:21):照片中你在做鬼脸吗?
达比里 (02:23):你知道,他们设法让我看起来像是在微笑并享受整个事情,尽管这非常痛苦。
斯特罗加茨 (02:29):嗯,很抱歉,今天我们不会让您受到任何影响。
达比里 (02:31):谢谢,谢谢。
斯特罗加茨 (02:33):所以,你知道,当我在大卫·阿滕伯勒电视节目或其他自然节目中看到水母游来游去时,它们看起来几乎像一个袋子,就像一个被水推来推去的玻璃纸袋。 但我知道那是不对的。 他们不仅仅是被动游泳者。 那么你能告诉我们一些吗? 他们如何移动? 他们有肌肉吗?
达比里 (02:52):确实如此,事实上,水母是我们所知的第一种能够在海洋中移动的动物。 你在那些纪录片中看到的游泳是由单细胞层提供动力的。 想象一下非常薄的肌肉层,它能够以几乎与心脏跳动一样的节奏收缩和扩张。 这使得它们能够在海洋中推进。
斯特罗加茨 (03:13):所以当你谈到节奏时,这让我想到,他们也必须有一个控制肌肉的神经系统。
达比里 (03:20):事实上,水母根本没有中枢神经系统。 他们也没有脑子。 它们所拥有的只是身体周围的这些小细胞簇,它们告诉它们何时启动肌肉、何时收缩。 因此,它们利用这些肌肉来协调游泳运动,其方式与你我的移动方式非常不同。
斯特罗加茨 (03:39):嗯嗯。 所以,这是……有铃声,对吧? 他们谈论钟声。 钟声是什么意思?
达比里 (03:42):没错。 所以如果你在水族馆里看水母,它看起来就像你说的一把雨伞或一个袋子。 在伞的底部边缘周围,有几簇,通常大约有八簇。 这些是身体发出游泳信号、收缩肌肉的地方。 因此,通过协调这些收缩信号,它们能够在水中游泳,并且在此过程中消耗的能量非常低。
斯特罗加茨 (04:12):是的,当我想到自己的游泳时,我绝对无法体会到这一点,这太尴尬了,消耗了很多——而且浪费了很多能量。 那么你在这里说什么? 你说他们是非常高效的游泳者? 你是什么意思?
达比里 (04:27):我们知道水母是 200 亿多年前最早游泳的动物之一。 它们在大规模灭绝事件中幸存下来。 因此,很长一段时间以来,人们一直认为,它们高效移动的能力一定有某种能力,使它们能够在海洋中生存这么长时间,甚至在面对海豚和鲨鱼等更奇特的游泳者时也能生存下来。当您想到一名优秀的游泳运动员时,您可能会想到这一点。
(04:53) 事实证明,这些水母非常简单的身体形状,简单的伞,它创造了所谓的涡环。 想象一下旋转水的甜甜圈。 因此,每次动物收缩肌肉时,就会产生这个水甜甜圈。 它几乎推动了旋转水的甜甜圈,在水中移动,而无需在此过程中使用大量能量。 因此,这与你或我在海洋中尝试完成的游泳动作非常不同,但它非常有效。
斯特罗加茨 (05:25):突然,一个画面出现在我的脑海中。 告诉我我是否走错了路。 但当我还是个孩子在夏令营时,我记得划独木舟。 他们会让我们把桨放入水中。 我被告知要进行 J 型划水,即用桨向后推,然后将其向后卷曲。 你可以看到小漩涡,水的小漩涡,从那里出来。
达比里 (05:46):没错。
斯特罗加茨:那个中风,和你所说的漩涡有关吗?
达比里 (05:50):是的。 因此,在整个海洋中,事实上,即使是现在,当我对你说话时,我的嘴也在推动我周围的空气,并产生这些我们称之为漩涡的漩涡流。 所以当你游泳时,你就会产生这些漩涡。 独木舟桨会产生这些漩涡。 涡环中的水母的不同之处在于它们具有近乎完美的圆形形状。 这种圆形形状使它们游泳的效率比你我通过抚摸手臂或独木舟桨所产生的效率更好。 所以,这些漩涡、那些旋转水流的形状实际上是它们高效游泳的关键。 这就是长期以来我们试图解开这些动物如何在海洋中生存如此之久之谜的原因。 那些圆形涡环才是关键。
斯特罗加茨 (06:41):让我们看看我脑子里是否有这样的画面。 当你谈到圆形涡环时,现在想到的另一个图像是那些……不是……人们不像以前那样抽烟了,但你知道我要去哪里,对吧? 比如,有些人会抽雪茄,或者有人会吹烟圈。
达比里 (06:57): 没错。
斯特罗加茨:这是我应该想象的那种从某人圆润的嘴唇上掉下来的圆圈吗?
达比里 (07:02):当然。 当我过去教书时,这是我经典使用的例子(但现在我们正在努力阻止吸烟或电子烟)。 但如果您想象该示例的无毒版本,那么您是完全正确的。 人们吹出的烟圈看起来像空气中的甜甜圈,它在旋转,并且在远离吹它的人很远的地方保持圆形形状。
(07:23) 也许另一个版本是有时您会看到海豚在海洋中这样做,玩与它们形状相似的气泡环。 它是一个水甜甜圈,中间有空气。 在这种情况下,海豚能够维持这些环的方式是因为这种特定类型的旋流的稳定性。 它在流体动力学中确实是独一无二的。
斯特罗加茨 (07:47):好吧,谈论水母很有趣,而且无可否认,它们非常酷且高效。 但对于那些在场聆听的人来说,他们可能想知道,为什么我们要在他们身上花费如此多的精力? 帮助我们更广泛地理解。 流体动力学是关于什么的? 它在其他科学或技术中应用在哪里?
达比里 (08:09):是的,流体动力学就在我们身边。 事实上,对我来说,作为一名有抱负的机械工程师,真正令人兴奋的应用领域之一是思考更有效的火箭和直升机——一般的推进系统。 现在,我们知道流体动力学这个领域,即对空气和水如何运动的研究,就水或空气的运动而言,就我们如何尝试用物理学来描述它而言,确实很复杂。 因此,几十年前出现了一场运动,它说:为什么我们不研究一些已经弄清楚了这一点、弄清楚如何有效地游泳或如何有效地飞行的动物系统呢? 实际上,您可以追溯到几个世纪前的达芬奇,并尝试通过观察鸟类来了解如何开发人力飞行。 因此,研究自然系统实际上是为了获得灵感来开发更有效的技术,这一点由来已久。 我就是这样进入这个领域的。
(08:29) 事实证明,即使像水母这样非常简单的动物也能教给我们很多东西,因为它们与水的互动方式如此优雅。 这正是促使我们研究水母的真正原因,特别是在这个更广泛的领域,有时被称为仿生学或仿生工程。 从生物学角度寻找工程挑战的解决方案。
(09:08) 但水母的出现,实际上是出于我想要提出一个方便的夏季项目的愿望。 我在加州理工学院参加一个夏季研究项目,我的导师说:“让我们去水族馆,尝试找到一个动物系统来研究”,就像我在大学期间研究直升机和火箭一样。 说实话,我对此并不感到兴奋。 当时,我以为我要来加州理工学院学习火箭和推进系统。 加州理工学院拥有著名的喷气推进实验室。 但我们到了水族馆,我想,“好吧,我在这里有一个为期 10 周的项目。 让我挑选我能找到的最简单的动物。 你知道,为它建立一个简单的模型应该更容易。” 因此,水母似乎是一个轻松的出路。 当然,20 年后的今天,我仍在试图弄清楚它们是如何工作的。
斯特罗加茨 (10:17):我不得不说,作为一名数学家,我总是被流体动力学所吸引,因为它太难了。 在我感兴趣的领域(微分方程)中,我们遇到的一些最困难的数学问题首先与流体动力学问题有关。 所以你提到——好的,所以火箭、喷气推进——我们可以考虑飞机,还有医疗应用——
达比里 (10:42):当然。我们刚刚摆脱新冠肺炎 [Covid-19] 的影响。我的意思是,举一个非常现实的例子:有关新冠病毒传播的问题实际上是流体动力学问题。气溶胶是如何形成的?它们是如何传播的?它们是如何从其他人身上收集的?如果我想设计一个面具,有什么有效的方法呢?在气候变化方面,对地球气候进行建模在很大程度上是一个流体动力学问题。流体动力学体现在我们生活的各个方面。
(11:11) 我认为这项动物系统研究真正令人兴奋的是,从我的角度来看,如果你正在建造一架飞机,那么就是一个人坐在计算机前并试图解决那些非常复杂的方程,您描述了机翼的理想形状是什么,飞机其余部分的理想形状是什么。 在某些方面,水母每天在水中游动时都在求解偏微分方程。
(11:35) 所以我们只需要弄清楚它们的游泳到底是什么让它们能够得出这些微分方程的特定解。 然后希望,我们可以将其应用到我们自己的设计问题中,这样我们就不会像水母在进化中受到相同的限制。 我们有大脑、中枢神经系统和不止一个单细胞层的肌肉来工作。 我们拥有可以使用的工程材料。 现在我们有了人工智能可以使用。 因此,如果我们将我们对水母的了解与我们作为工程师可以使用的所有工具结合起来,我们可以开发的东西确实是无限的。
斯特罗加茨 (12:09):好吧,那么让我们来讨论一下水母是如何做到这一点的。 你做了哪些实验来弄清楚它们是如何利用它们收缩铃铛时产生的涡环的?
达比里 (12:21):所以要解决的第一个挑战是水和空气是透明的。 因此,即使我们坐在这里互相交谈,我们周围的空气也会因我们的呼吸而不断运动。 我们无法真正感知到这一点。 在水中也是如此。 如果你去水族馆,对你来说,主要的吸引力可能是动物,但对我来说,是它们周围的水。 问题是,仅仅盯着水箱你很难看到水的运动。 因此,我们所做的是开发一些新技术来帮助我们测量动物周围的水。
(12:53) 您可以做的第一件事就是考虑在水中加入染料,例如食用色素,因为这会显示当地的水是如何输送的。 这是一张高质量的图片。 它为您提供了一般性的描述,但您无法轻松地用数字来表示水朝这个方向移动得如此之快。
(13:11) 但我们可以做的是使用一些工程中常见的技术。 例如,使用激光。 因此,水中存在微小的悬浮颗粒——想想悬浮在水中的沙子或淤泥。 我们可以用激光片照亮它。 拿起家里可能有的激光笔,通过玻璃棒照射它,它会将光束传播成一片薄薄的光。 所以我们把那片光穿过水面。 它反射水中的所有悬浮颗粒。 现在我们可以追踪每一个小粒子,就像移动的星夜一样。 这就是视频的样子。 每一颗星星,即水中的沉积物颗粒,都告诉我们一些关于水在动物周围局部移动的情况。
(13:56) 所以我们在实验室开发了这些技术。 那么最大的挑战是去实地寻找水母并实际测量它。 我很幸运地找到了愿意与水母一起游泳并与它们一起使用激光的学生。
斯特罗加茨 (14:10):但是——让我明白一下……你可以在水下携带激光笔或其他任何东西,没有问题。
达比里 (14:15):嗯,所以这是学生的一部分, 卡卡尼[卡蒂娅] 是她的名字。 她的博士学位。 论文的目的是开发使我们能够做到这一点的技术。 这样水肺潜水员就可以进入海洋,非常小心地靠近这些水母,然后打开激光并测量它们周围的水。 事实证明,她第一次非常成功地以非常精致的细节捕捉到了旋转的水流。
斯特罗加茨 (14:42):还有一些摄像机设置吗?
达比里 (14:45):有。 事实上,该成像技术主要是基于视频的。 所以你会得到一段移动的水、反射激光的沉积物颗粒的视频。 因此,通过观察动物周围的水随着时间的推移如何移动,我们可以发现在某些情况下,动物并没有在水中投入那么多能量来移动。 我们称之为高效运动。 当他们可以向前移动而不必搅动周围的大量水时。
(15:12) 有趣的是,有些种类的水母很少会游泳,但当它们游泳时,这是为了逃避捕食者或捕捉猎物,处于生存模式。 在这些情况下,他们实际上会将大量能量投入水中。 我们对此的想法是,这是一个生存问题。 当杀戮或被杀时,你并不那么担心效率。 因此,在这些情况下,我们还能够看到动物周围的水的差异,所有这些都是由激光技术捕获的。
斯特罗加茨 (15:41):好吧,也许我的整个玻璃纸袋图片是错的,我需要把它从我的脑海中清除,但对我来说,即使它有一个很好的,也会遇到很大的阻力,协调运动。 这些涡环的行为方式必须有一些技巧才能帮助运动保持原来的效率。 您的测量是否揭示了水母正在做的一些令人惊讶或棘手的事情?
达比里 (16:05):是的,这是一个很好的问题。 有几种方法可以思考这个问题。 首先,我应该支持并说,就水母的行为而言,它们自然行为与我们在自己的潜艇中可能想到的差异之一,水母正在使用相同的水流来进食。 因此,当它们创造这些涡环时,涡流实际上会将猎物拉向它们的触手,在那里猎物被捕获并吃掉。
(16:30) 因此,事实上我们看到的运动(它们从 A 点移动到 B 点)很可能并不是预期的结果。 这只是牛顿作用定律和反作用定律的必然结果。 在某些情况下,动物创造这些涡环只是为了吸引猎物。 但因为它们推动水,所以反应是它们在这个过程中移动。 因此,对他们来说,有效的运动不一定是试图匆忙到达某个地方。
(16:59) 我们能做的就是说:“让我们采用同样的想法,即涡环的形成。 我们的潜艇不需要像水母那样进食。” 因此,我们可以走得更快,例如,使用相同的推进技术,即使真正的动物本身不这样做。 这确实是死记硬背生物学之间的区别,你知道,可以追溯到人们试图通过用力拍打翅膀来实现人力飞行的时代。 最终,我们通过使用固定翼并在其上安装喷气发动机取得了成功。 这就是窍门。 因此,在这里,我们要小心,不要简单地盲目模仿水母的行为,而是要询问其行为的哪些方面可以带来有效的推进力。 然后,当我们想要设计一艘快速高效的潜艇时,我们可以偏离动物给我们的蓝图。
斯特罗加茨 (17:50):那么关于未来潜艇的设计,我们从水母中得出的一些原则或观察是否可以提出某种疯狂的新设计?
达比里 (18:02):我们已经探讨过这个问题。 关键还是这些涡环,这些旋转的环形水流。 如果我们能够设计出一种潜艇设计来实现这些功能,但又不需要天然水母非常灵活的运动,那么我们发现这实际上可能会为当前的潜艇设计带来重要的附加值。 我们已经在实验室对此进行了测试。 因此,您可以做的是,采用传统的螺旋桨驱动潜艇,并在背面添加一个机械附件,它不会在背面推动平滑的连续喷射流,而是会产生波动的水流。 因此,想象一下车辆后面的气流的脉动。 我们能够证明,该车辆的能源效率比没有流量脉动的同类车辆高出 30% 甚至 40%。
(18:55) 现在,棘手的部分是提出一个不太复杂的机械设计。 如果您使该部件过于复杂,您将需要更换这些组件。 事实上,这些机械部件本身可以从车辆中吸收能量。 因此,我们无法想出一种设计,能够在没有过于复杂的机械部件的情况下实现受水母启发的流体动力学。 这就是那里的未解之谜。
斯特罗加茨 (19:23):好吧,在我们离开水母及其推进力之前——我想马上讨论风力涡轮机——但我想多谈谈动物王国中的涡环。 因为我听一些研究昆虫飞行或蜂鸟飞行的同事说,或者你知道,蜻蜓、鹰……有很多生物以各种方式利用涡流。 虽然我刚才提到的所有例子都是在空气中,而不是在水中。 你能告诉我们一些关于空中生物和水生生物之间的差异或相似之处吗——好吧,我不会说水生生物。 你知道我的意思? 如果我在水里或空气中。
达比里 (20:02):是的,水生的。 是的,我们可以更进一步,走向血液。 因为在人的心脏中,同样类型的涡流最终会在左心室中形成,当血液从左心房流向左心室时,含氧血液就会形成。 这是在它穿过你身体的其他部位之前。 在它穿过阀门的某个点上,你会得到与水母或鱿鱼所产生的涡环惊人相似的涡环。 所以你是绝对正确的,这个涡环或环形图案,有时是更复杂的链结构。 但在每一个不同的动物系统中,我们都看到这种情况反复发生。
(20:26) 事实上,我们的大量研究一直试图了解这些涡环的设计是否存在一些我们可以了解的基本原理。 事实证明是有的。 因此,所有涡环的创建方式并不相同,因为某些涡环非常适合高效推进,就像我们刚刚讨论的水母示例一样。 但在这种情况下会产生不同类型的涡环——只是试图产生很大的力。 例如,如果我只想快速移动,想要逃离捕食者的水母会创建一个涡环,该涡环与我们刚才讨论的非常高效的涡环不同。
(21:15) 所以我们的想法——这可能是几十年前的事了——也许我们可以利用这种洞察力来理解一个非常不同的系统(人类心脏)中的涡环。 就像我说的,在左心室充盈的过程中,你会形成这个涡环。 事实证明,健康患者与患有某些疾病(例如扩张型心肌病,心脏扩大)的患者相比,他们的涡环看起来与健康患者形成的涡环非常不同。 我们发现了一种有趣的相关性,我们在健康患者和其中一些患有这些疾病的患者之间看到的变化非常类似于有效游泳的水母和逃避捕食者或试图捕获猎物的水母之间的差异。
(22:05) 因此,查看这些效率与功能障碍的流体动力学特征的主要好处之一是,这些变化有时可能发生在心脏的结构变化之前或发生在一些全身范围的变化之前,也就是说你出了什么问题。 因此,我们认为这是进行更灵敏、更早诊断的机会,或者是人体疾病和功能障碍的标志。 随后,其他实验室表明,心脏内血流的这些变化实际上可以成为人类疾病的有效标志。
斯特罗加茨 (22:45):哇,约翰,这太令人兴奋了。
达比里 (22:47):是的,这是一个非常巧妙且意想不到的联系。 但是史蒂夫,这又回到了你之前关于流体动力学中涡环主题的重现的观点——无论是空气、水还是血液,无论是游泳,无论是飞行的生物体,还是坐在这里与我们的彼此交谈。心脏泵血。
斯特罗加茨 (23:06):嗯,这太棒了。 最后这个医学例子真的让我大吃一惊。 因为,我的意思是,特别是它可以是一个早期预警系统和早期诊断。 但我想知道,什么成像技术可以让你不会将沉积物放入心脏,不是吗? 我们在做什么? 是不是一切都在超声波或核磁共振成像上显示出来? 你会看起来怎么样?
达比里 (23:26):没错。 是的。 所以早期的工作是在MRI上完成的。 最近,超声技术。 目前的实验室还在研究潜在的声学检测,以便某些类型的涡流形成中的血流能够发出可以通过电子听诊器有效检测到的声音。 这里的目标是想出最简单的技术,让你能够检测到这一点,因为不是每个人都会拥有 MRI 机器或超声波机器。 但你可以想象一个 10 到 20 美元的声学测量声音测量设备,您可以在沃尔玛购买,并且能够检测这些类型的变化,并将其放在家里。
(24:10) 这就是目标。 无论如何,我们还没有到那一步。 但水母所做的事情为我们提供了一个初步目标,即根据健康患者与患病患者体内发生的血流变化来寻找什么。
斯特罗加茨 (24:24):好吧,现在让我们走出水面吧。 然后开始谈谈您与同事在加利福尼亚州和阿拉斯加的风力涡轮机方面所做的一些工作,以帮助提高它们的效率。 所以,首先,如果我说风力涡轮机,我脑海中浮现的第一个图像就是那些巨大的白色螺旋桨,高高地矗立在某个地方的某个地方。 这是正确的图像吗?或者我应该在脑海中浮现出不同的图像吗?
达比里 (24:54):所以这些涡轮机是不同类型的涡轮机。 尽管我们的工作很大程度上是由大型涡轮机面临的一些挑战推动的。 最大的挑战是单个涡轮机在将风的运动转化为电能的能力方面非常高效。 挑战在于,每个涡轮机的顺风位置都会产生大量的空气波动或湍流。 汹涌的空气会降低第一个涡轮机下风向的任何涡轮机的性能。
(25:24) 因此,如果您看到其中一个风电场,就会发现涡轮机都分布得很远。 因为他们试图确保涡轮机之间的不稳定空气不会降低团队的性能。
(25:36) 我总是觉得有点讽刺的是,如果你观察大自然,想想海洋中的鱼群,它们会拍打尾巴,创造自己的尾迹,正如我们所说的那样。 因此,风力涡轮机后面的不稳定空气我们称之为尾流。 鱼也会产生这些尾流。 它们成群结队地游泳,并且不会分散得尽可能远。 但相反,他们相互协调立场。 事实上,他们可以利用所创建的流程。 因此整体大于部分之和。 这意味着一群鱼在一起游泳比分开时更有效。 我们在环法自行车赛中看到了这一点。 您会看到骑自行车的人利用了邻居的空气动力学优势。
(26:17) 因此,这里的问题是我们是否可以与那些有助于风力涡轮机选址的鱼群进行类比。 现在,几乎是巧合的是,我在加州理工学院教授游泳和飞行流体动力学课程。 在我关于鱼群教育的讲座中,我在黑板上写下了如何预测风力涡轮机之间有益相互作用的方程式。 这些模型的主要特征之一是我们到目前为止一直在讨论的涡流。 鱼会产生的漩涡水流。 这些涡流之一的数学模型几乎与表示所谓的垂直轴风力涡轮机的方式相同。
(27:01) 所以,我要暂停一下,您习惯看到的螺旋桨式涡轮机,正如我们所讨论的,被称为水平轴风力涡轮机。 因为叶片绕水平轴旋转。 垂直轴风力涡轮机的叶片围绕垂直伸出地面的轴旋转。 例如,旋转木马就是垂直轴型系统的一个例子。 这些系统在数学上可以用几乎与鱼群相同的方式表示。
(27:31) 这就是联系,我说,好吧,让我们尝试考虑设计具有鱼群类型方向的风电场。 因此,我让实验室里的几个学生为他们的一个项目做了一个粗略的了解,以了解如何提高风电场在给定土地上可产生的能源的性能。
(27:52) 史蒂夫,假设我给你 10 英亩土地,我希望你使用传统风力涡轮机发电。 对于螺旋桨式涡轮机,您可能只能在那块土地上安装其中一台涡轮机。 对于这些较小的垂直轴风力涡轮机,通过纸笔计算,您可以利用这些效应从同一块土地上获得 10 倍以上的能量。
(28:15) 现在,这是一个纸笔计算,直到你可以说,嗯,这是一个很棒的理论想法。 但我们很幸运能够来到加州理工学院,我去了该部门并说:“我想买一些土地并尝试一下。” 这正是 08-09 年市场崩溃的时期。 这样你就可以非常便宜地获得土地。 所以我们在洛杉矶县北部买了几英亩的土地,我想,只花了 10,000 美元或 15,000 美元。 我们与制造这些垂直轴风力涡轮机的公司之一达成协议,他们将免费向我们提供涡轮机以换取数据。 因为如果你是一家初创公司,测试新涡轮机的成本确实很高。
(28:54) 因此,我们在该领域放置了一组涡轮机。 事实上,在我们的现场,我们大约有两打这样的人。 我们能够在现实世界中证明,事实上,使用这种受鱼启发的设计类型,您可以从一块土地中获得 10 倍以上的能量。 所以这是一个非常令人兴奋的发现,我们今天仍在继续追求这一发现。
斯特罗加茨 (29:14):非常非常非常令人兴奋。 我从来没有听说过这个。 我的意思是,我有一些模糊的想法,你曾致力于受鱼群启发的风力涡轮机放置,但只是听到你讲述这个故事和购买土地,我的意思是,我不知道。 这只是个人的看法:所以,我是一名数学家,从不购买土地来测试我的想法。 我想知道人们是否会想到对大型、高螺旋桨式风力涡轮机的常见批评。 您认为这种形式在美学上更有吸引力还是更不那么有吸引力? 我想它们似乎不必那么高或挡住人们的视线。
达比里 (30:00):没错。 事实上,当我在斯坦福大学与 布鲁斯凯恩,一位社会科学家。 我们能够研究加利福尼亚州对这些不同类型涡轮机的态度。 你是完全正确的。 它的一个重要特征是较低的视觉影响。
(30:17) 但更重要的是对鸟类和蝙蝠的潜在影响较小,对于大型涡轮机来说,这是一项持续的挑战,鸟类有可能撞上叶片、蝙蝠或其他区域。 正如你所说,这些垂直轴风力涡轮机的高度较低,但它们也有不同的视觉特征。 因此,坦率地说,在大型涡轮机外壳中,鸟根本无法看到叶片,否则为时已晚。 对于这些垂直轴风力涡轮机,视觉特征更加明显,因为叶片的移动速度比大型涡轮机慢。
(30:54) 现在,鉴于我刚才告诉你的内容,你现在到处都看不到它们的原因是,在提高它们的可靠性方面仍有工作要做,从某些方面来说,我想说的是不是火箭科学,你知道,我们校园里有人将漫游车送上火星。 很明显,我们应该能够设计出能够持续度过阿拉斯加冬季的风力涡轮机。 但实际上我们还没有做到这一点,只是还没有对这些新技术进行大量投资,因为开发新能源硬件非常昂贵。 所以这项工作正在进行中。
斯特罗加茨 (31:25):你提到有些想法来自数学。 就像,有与鱼群相关的数学,然后可以适应风力涡轮机的情况。
达比里 (31:36):没错。
斯特罗加茨:我正在尝试想象这个数学。 你能多说一点吗? 其中涉及什么数学原理?
达比里 (31:42):是的,当然。 例如,当我们考虑涡流时,我们试图想出的是涡流如何影响周围流动的简单数学描述。 因此,在我们的领域,有一种叫做势流理论的东西。 它是我们所描述的这些更复杂的流体流动的简化表示。 这样做的好处是,我可以在一张纸上写下一个方程式,该方程式表示,如果在给定位置有一个漩涡,则该漩涡周围的所有空气或水都会发生以下作用。 我们可以用一行数学公式来写出它。
(32:19) 因此,这种势流理论的好处是,如果我的左边有一个涡流,右边也有一个涡流,我可以立即计算出它们如何相互影响,只需将这两种效应相加即可。 我们称之为线性叠加,但我们只是将这两种效果叠加在一起。
(32:38) 这意味着,当我研究鱼群时,我可以写一次方程式,如果我想知道 20 条鱼的影响,我可以有效地将答案乘以 20,给出或接受,而不必做很多更复杂的计算。 就风力涡轮机而言,为了设计最佳的风力发电场,一旦我对其中一台风力涡轮机进行了数学表示,我就可以优化整个风力发电场的 1,000 台,或者如果我想要 10,000 台风力涡轮机,而无需开发任何新的数学,真的。 所以这是表示这些系统的一种非常方便的方法。
(33:13) 事实证明,鱼所排出的涡流的基本数学表示几乎与那些垂直轴风力涡轮机的数学表示相同,但存在前置差异。 因此,将鱼群问题一对一映射到风力涡轮机问题的便利性使我们能够借用许多与提出最佳鱼群配置相同的数学优化方法,并几乎直接使用它来优化风电场。
(33:45) 唯一的区别是目标。 在鱼群中,您可能会说,优化是试图最小化那群鱼在水中移动时所受到的阻力,或者最小化所有这些鱼在游泳时消耗的能量。 就风电场而言,我的目标可能是“让我最大限度地从风中收集能量”,或者“让我尝试设计这个系统,以便对于来自特定方向的风,我得到最大风力取决于我工作时当地的地形。” 所以底层的数学机制是相同的。 我们优化的目标可能不同。
斯特罗加茨 (34:25):我想任何听到这个的人都会像我一样被你所做的工作所需要的心态所震撼。 你所表现出的广泛兴趣,你知道,在风电场工程、心脏漩涡的医学方面以及理解它所需的数学之间自由移动。 也许你还没有提到计算机科学,但我猜它会出现。
达比里 (34:50):当然。 其乐无穷。 是的。
斯特罗加茨: 好的态度。
达比里 (34:55):不,是的。 我只想说,我想,很多时候,学生——高中或大学的学生——你会得到这样的印象:在生活中你必须选择一件事。 我要学习生物学,或者我要学习化学,我要学习物理。 就是这样。 事实上,一些最有趣的研究确实是这些不同领域的交叉点。 因此,这并不是说适应这些不同领域是一条容易的道路。 在加州理工学院作为研究生的第一年,我选修了生物课 弗朗西斯·阿诺德,诺贝尔奖得主。 假设我参加了两次课程,因为第一次对我来说并不合适。 与此同时,我认为努力学习这些不同的领域是值得的,因为我认为这样你可以从新的角度看待问题。
斯特罗加茨 (35:45):这非常鼓舞人心。 那么,让我们把注意力转移到你们这些天正在忙的事情上,那就是为拜登政府提供有关风力涡轮机的建议。 您能介绍一下您正在与政府合作的工作吗?
达比里 (36:01):是的,绝对如此。 你知道,能够担任这一职务是我的荣幸。 我想说,它确实与我们的任何特定研究目标没有直接联系。 我认为,在总统委员会中,我们都对科学及其在这个国家的发展广泛感兴趣。 我热衷的一个特定领域是看到我们的研究基础设施——我的意思是从高中到学院和大学再到研究生研究项目,这些项目使人们能够从事这些更加非常规的研究,就像我们所做的那样一直在谈论。
(36:39) 所以,回想起来,我真的很高兴听到你们对这些想法的积极反应。 我可以告诉你,当我第一次写提案试图为这项工作提供资金时,它们被一个接一个地拒绝,因为它们听起来有点奇怪。 你知道,关于水母游泳的任何事情都可以为心脏诊断提供信息,或者鱼群可以告诉我们关于风力涡轮机的任何信息。 感觉有点太陌生了,我也没有例子可以说,这一定会成功。 因此,审阅者通常会有第一反应:“好吧,如果它不起作用怎么办?” 我总是想,“好吧,如果它确实有效怎么办? 那有多酷? 那能解锁什么?” 不幸的是,我们现在通常不会根据“如果它有效呢?”的基础来资助工作。 通常是“如果没有怎么办?” 我认为这是我希望在总统委员会内我们能够解决的政策问题之一。
斯特罗加茨 (37:40):嗯,所以你在加利福尼亚州。 众所周知,加州的一个大问题是野火。 我认为这应该是一个对流体动力学感兴趣的人会考虑的事情。 对此你有什么要报告的吗?
达比里 (37:55):没错。 在拜登总统的科学委员会中,我有幸担任一个小组的联合主席,该小组思考如何利用科学技术更好地解决野火问题。 我们知道,近年来,此类事件变得越来越频繁,在某些情况下甚至更加严重,尤其是在加利福尼亚州。 然而,我们目前还没有使用一些技术,例如,消防员的通信、帮助预测野火进展的人工智能,甚至是机器人和无人机等技术,可以在火灾发生前帮助干扰火势。急救人员可以到达。 我们的工作已经确定了许多新兴技术,我们相信这些技术可以帮助遏制这些野火事件的负面影响。 因此,我们期待联邦、州和地方各级对这些建议采取行动。
斯特罗加茨 (38:48):所以流体动力学以某种方式影响了这一切?
达比里 (38:52):是的,流体动力学实际上是野火进展的最重要驱动因素之一。 想象一下携带燃烧余烬的风,并可能决定它们最终是否会穿过防火带。 风可以决定火势的移动速度。 因此,当我们发生真正灾难性的野火时,在某些情况下是因为风速有时达到每小时 70 或 80 英里。 对抗这些野火的关键挑战之一是能够使用流体动力学模型来预测火灾的未来进展。 它需要有关地面附近风的新型数据来补充高空数据。
(39:31) 但我们在模拟不同地点时可以做的就是帮助脆弱社区提前为野火做好准备 - 了解根据他们的地形和植被以及这些流体动力学模型,能够告诉他们哪些部分社区中的人可能会首先看到火灾的前部。 例如,这可以为疏散计划提供信息。
斯特罗加茨 (39:54):嗯,我想如果不提及湍流,对流体动力学的讨论就不完整。 它通常被称为经典物理学中最大的未解决问题。 你知道,我想要的只是一个小教程——比如,湍流问题到底是什么? 人们想了解的是什么?
达比里 (40:12):是的。 我有时描述它的简单方法是,在流体动力学中,我们有一组方程,它们以足以设计飞机的方式解释流体运动,但不足以告诉您飞机何时会遇到湍流。 因此,我们的流体动力学方程无法预测我们在流体流动中看到的一些非常常见的现象。 如果你想想家里的水龙头,只要稍微打开它,它就会呈现出玻璃般的外观。 你把水龙头开得高一点,然后自然而然地,它就变得更粗糙了。 您将过渡到湍流。 我们在各种实验室实验中观察到了这一点,但对于何时发生这种类型的湍流转变,我们还没有一个清晰的理论解释。
斯特罗加茨 (41:01):太有趣了。 巧合的是,昨晚——也许这不是巧合,也许我潜意识里正在思考我们即将进行的讨论。 但我只是碰巧在想 理查德·费曼他在他著名的物理学讲座中发表了演讲——就在加州理工学院,可能离你坐的地方不太远——他在演讲中谈到了水的流动和湍流的持久神秘。 他甚至提到,在风扇上,如果你观察风扇的叶片,比如在阁楼或其他地方,你总会发现一层薄薄的灰尘——非常微小的灰尘颗粒。 费曼指出,这似乎很神秘,因为风扇叶片在空气中以极快的速度移动。 但它并没有吹掉那些小灰尘颗粒。 所以我觉得这就是我们需要结束的地方:我想说,你是某种现代的达芬奇。 但现在我开始认为你也可能是现代的理查德·费曼。
达比里 (41:03):也许如果有一天我能够真正解决湍流问题,我们就可以考虑这种想法。 但现在,是的,我只是一个来自托莱多、喜欢水母的孩子。
斯特罗加茨 (42:06):完美。 约翰·达比里,非常感谢您今天加入我们。
达比里 (42:10): 谢谢你邀请我。
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斯特罗加茨 (42:40): 为什么的喜悦 是一个播客 广达杂志,一份由西蒙斯基金会支持的独立编辑出版物。 西蒙斯基金会的资助决定对本播客或本播客中的主题、嘉宾或其他编辑决定没有影响 广达杂志. 为什么的喜悦由 Susan Valot 和 Polly Stryker 制作。 我们的编辑是 John Rennie 和 Thomas Lin,并得到 Matt Carlstrom、Annie Melchor 和 Zach Savitsky 的支持。 我们的主题音乐是由里奇·约翰逊创作的。 播客名称是朱利安·林想出来的。 剧集艺术由 Peter Greenwood 创作,我们的徽标由 Jaki King 创作。 特别感谢康奈尔广播工作室的伯特·奥多姆-里德。 我是你们的主持人,史蒂夫·斯特罗加茨。 如果您对我们有任何疑问或意见,请发送电子邮件至 感谢您的收听。
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