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[工程技术知识]有什么人们不知道原理就投入使用的产品?

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镜像问题:有什么知道原理却无法制造的产品
当然是涡流管。


涡流管又称冷却枪、冷风枪,又称兰克·赫尔胥(Ranque-Hilsch)管——进气口接入压缩气体,两个出气口就能自动分离冷、热空气。结构简单,价格便宜,工业上大量应用于各种降温场景,某宝只卖100多。但就这么一根小管子,困惑了科学家近90年,至今也没有一个公认的理论解释。
涡流管的基本结构如下图所示:


压缩气体在喷嘴内膨胀,以高速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时,分离成两部分气流,中心温度低,外层温度高。图中所示结构是冷热口相反的设计,冷空气从左边出,热空气从右边出。也有冷热同向的设计,但分离效率相比而言会低很多。
涡流管看似非常简单,但原理却云山雾罩。一般认为,热的传导过程不可逆,但涡流管愣是将冷热空气简单粗暴地分离了开来——至今没有人精确地知道管子内部究竟发生了什么情况,也没有一个精确预测涡流管性能的数学模型,而对涡流管效应的基本原理解释更是如坠雾里云中。Van Deemter曾试图将广义柏努利方程用于涡流管计算,结果表明冷效应并不能由涡流管外缘的热效应引起。涡流管的研究一直都是一个重大难题。
1930年,法国科学家兰克(Georges J. Ranque)最早发现,旋风分离器具有冷却效应,即分离器中气流的中心温度和周边各层的温度不同——中心温度低,而外缘温度高。1931年,兰克发表了首篇涡流管论文并申请专利。1933年,兰克在法国物理学会上作了《涡流管装置及其涡旋温度分离效应》的报告。但大会对这一报告嗤之以鼻,没有人相信涡流管制冷的现象,认为明显违背了热力学定理,这一研究被搁置起来。
十几年后,德国物理学家赫尔胥(Rudolf Hilsch)在狄拉克(对,就是狄拉克方程的那个狄拉克)的研究基础上,用更加详细的资料证实了“涡旋温度分离效应”,涡流管终于获得学界重视,开始为人所知。因此,这一效应也称兰克效应或赫尔胥效应。
以下对于“涡旋温度分离效应”的理论解释各有亮点,但也各有缺陷,甚至互相矛盾,仅供大家参考批判:
动能传递理论:
认为管内气体从中心到外缘有动能的流动交换。气流形成拟自由涡,发生动能的径向交换,导致沿着半径方向出现温度梯度。根据这个假设,Fulton推导出如下关系:


这种理论的缺陷在于,内层气体所形成的涡旋恰恰是由于外层气体通过摩擦力引起的。这样,能量的传递将与上述理论相反,即动能将由外层向内层传递。其次,外层流体流速较高,流量通常也大于内层气流流量,因此,这一解释有不少疑点。
2.热传递理论
认为内层回流气体的初始热力学温度高于外层气流,由此导致能量由内层传入外层。然而,许多研究数据表明,外壁面的静温比内层的静温高,热量从冷气流以热传递方式传递到热气流似乎不大可能。
3.绝热冷却理论
认为由于离心力作用,会产生一个径向压力梯度,导致发生能量分离。即在气体的漩流方向,压力逐渐降低,可看作是一个绝热冷却(adiabatic cooling)过程。这一理论看起来很美好,但理想值与实验结果偏差较大。
4.紊流能量交换理论
认为离心场中的紊流引起能量脉动(注:不是那个饮料!),使能量从低压流体传导到外层高压气流中。这一解释也不能自圆其说。
5.声流理论
认为涡流管内的有序扰动引起声流,声流把Rankine涡变成强制涡,导致能量分离……这一理论也应者寥寥。
“涡旋温度分离效应”虽然还没有一个让大家都十分信服的理论解释。但这并不妨碍工程师对其进行设计和改进,经过几十年的摸索,涡流管出现了很多经验性的设计规律。
比如:管壁粗糙度几乎没有影响;涡流线形状以阿基米德螺线最佳;喷嘴出口以渐开线形最佳;喷嘴的相对面积以9%为最佳;长径比为3最佳;扩张角为3°41′最佳……实验物理不断换参数和材料,就可以获得一手数据;而理论物理学家则必须要算到秃头……
此外,在实验中还发现了一个有趣的重要现象。如果采用不同的气体,如氨、甲烷和二氧化碳,当湍流Pr<0.5(Pr是普朗特数)时,涡流管会出现反转效应——冷气流在外缘流出,而热气流从轴线附近流出[1]——同样,没有人知道为什么……
继续秃头。
----------困惑的分割线----------
故事远没有结束,涡流管的后续研究引出了更加匪夷所思的现象。
众所周知,涡流管中的气体是可被压缩的,大家也认为温度分离现象与流体的可压缩性相关。但1988 年,Balmer 博士[2]突发奇想,用不可压缩的液体——水进行了实验。他发现流体的压缩性并不是导致温度分离的原因,水在高压下通过涡流管也能产生温度分离!这一现象更加离奇。
实验显示,在 20 到 50Mpa 的入口压力下,水的温度分离可以达到 10℃到 20℃。而且,与气体不同,水通过涡流管并不会降温,而是相反——升温。也就是说,即便是冷流端的出口,水温也要高于涡流管进口的温度!
这一现象令研究者大跌眼镜。因为这意味着系统的整体温度增加了,也就是说能量似乎变多了。气体的降温本来就很难解释,这下又来了个更难以解释的问题——能量守恒定律似乎不允许整体升温。实验测量做了一遍又一遍,结果依旧。问题究竟出在了哪里?
针对涡流管的这一异常加热现象,现有理论解释主要有以下几种:
粘性耗散理论
认为空气温度分离现象是由于摩擦力的作用。涡流管中,外围流体的速率大于涡核的速率。随着流速的降低,动能转化为热能,造成涡流管内的热分离。这一机制用到不可压流体时,由于水的粘性大约是空气的50倍,将会导致更多的动能转化成热能。所以,与空气不同,水经过涡流管后冷端和热端的温度都高于进口温度。但这个理论不能解释很多涡流加热器接近100%的加热效率。
2.气穴空化效应理论
这种解释认为,当水通过涡流管的时候会发生气穴空化。通常,空化气泡含有能量,当气泡破碎的时候,就会对周围的流体有加热的作用。然而,气穴空化气泡本身也没有得到很好的解释(比如,空化气泡溃灭时会导致发光放电现象)。数据显示,在空化气泡溃灭瞬间,其周围极小范围内会产生1900-5200K的高温,超过 5.065×10^7Pa的高压,温度瞬间变化率可以高达 109K/s,产生400km/h的微射流[3]。这些小气泡的能量甚至会摧毁坚固的螺旋桨!


快速旋转的螺旋桨产生了气穴空泡


被气穴空化效应摧毁的螺旋桨
3.真空零点能理论
这一理论认为涡流提取了真空中的零点能,高速的涡流会影响空间中的某些神秘粒子……由于这一解释过于石破天惊,本文不做过多介绍。只是提醒大家注意前文提到的狄拉克——他提出的Dirac方程对应自由粒子有正能量和负能量两种状态。在这一理论中,真空不再是一片虚无,而是充满了无限稠密的负能量粒子的海洋,也就是“狄拉克海”。从狄拉克海中提取“真空能”,也成了很多科幻小说的主题。


不能再写了。一个100多块钱的淘宝货,眼看就成了人类获取无限能源,飞向星辰大海的突破口……
我只想说,物理学远没有终结,宇宙还有太多的秘密等待着我们去探索。
参考^曹勇,吴剑峰等:涡流管研究的进展与评述[J];《低温工程》:2001年06期^Balmer, RT, “Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids”, Journal of Fluids Engineering, vol. 110, pp. 161-164. 1988^李鹏飞. 涡流管加热装置的实验研究. 北京航空航天大学硕士论文.2010.12
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全身麻醉的原理,至今都没搞清楚。
(哎,作为一个麻醉医生........)
而且,全身麻醉药,特别是吸入麻醉药的作用原理,目前也不十分清楚。
(你没看错!现在广泛应用的全身麻醉,算是一个大大的“黑箱”)
大家都知道,麻醉分为全身麻醉、半身麻醉(腰麻、硬膜外麻醉等)和神经阻滞麻醉。
后两者的原理我们很清楚,是通过局部麻醉药(罗哌卡因、布比卡因、罗哌卡因),通过抑制神经细胞的电传导,从而把神经的感觉运动功能阻断。
这很好理解。
但是全身麻醉的原理,却是一个宏大的神经科学问题。
全身麻醉所运用的药物主要有静脉麻醉药(丙泊酚、芬太尼一类)和吸入麻醉药(七氟烷等氟烷类)
其中,静脉麻醉药中的芬太尼一类(镇痛药),我们大概弄清楚了他的原理——即通过与神经细胞上的阿片类受体相互作用,阻断痛觉的形成、传导和整合。
而丙泊酚等麻醉性镇静药,以及吸入麻醉药的原理却不清楚。
为什么呢?
这要从麻醉的起源说起。
1846年,美国的莫顿医生用乙醚实施第一例现代医学上的全身麻醉,那是一个口腔科的手术。
那个时候,人们只知道吸了乙醚以后,人会睡着,过一会又会醒来,并且不记得睡觉过程中发生的事,睡觉时对疼痛的反应也减轻。
后来,人们从乙醚出发,探索了其他各种各样的气体,并在化学结构的角度,成功开发了现在广泛应用的吸入麻醉药——七氟烷、地氟烷、异氟烷等。
从名字就可以看出,这些药都属于氟烷类,从化学上说是一类物质,只是在特定基团上有差别。
但是,到今天为止,我们并不知道为什么这一类物质,可以让人进入麻醉状态,即达到镇静的效果。
尽管近年来,随着分子生物学和神经科学的发展,我们逐步发现,麻醉药物的镇静效果,和大脑神经细胞上的几种受体有关,包括NMDA受体、GABAA受体、5羟色胺受体等等。
我们也发现,通过对这些受体的激活或者抑制,达到镇静或者觉醒的效果,
但单独针对受体的效果与麻醉药物实际应用的效果还是有所不同。
真实的情况,远比我们了解的复杂。
我们仍然不知道,当麻醉药物进入到大脑以后,是如何作用于神经细胞、如何影响这些受体的功能,以及如何调控复杂精细的神经互作网络。
这些,我们都不清楚。
我们只知道,这些药物应用到多大剂量可以满足外科手术的要求,多少剂量范围内对患者是安全的。
1951年,氟烷被应用于麻醉,并在后续几十年中陆续开发出性能更加优异的地氟烷、七氟烷。
1983年,丙泊酚在英国开始临床试验,并应用至今。
现在,丙泊酚已进入基本药物清单,七氟烷等氟烷类麻醉药也成为了麻醉机的必备单元,它们几乎是所有全身麻醉的核心。
然而,这两个药物的原理,时至今日,也没有完全弄清楚。
全身麻醉的原理,本质上是神经科学中觉醒、记忆、感觉等多个问题的综合。
尽管现代麻醉学已经能通过使用这些麻醉药物实施安全有效的手术麻醉,但大脑仍然是现代医学中最大的黑箱,麻醉的原理仍依赖对大脑的进一步认识。
过去的医学,是我们从实践中总结经验,通过用在人身上所得到的结果,记录下哪种治疗针对哪种疾病。
我们不清楚其中的原理,把这叫做“黑箱操作”。
现在,我们逐渐开始认识人体和疾病,了解其中的具体原理和机制,并针对性的开发药物解决问题。
我们正在逐步把“黑箱”打开,了解其中的构造和零件。
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1 人已送礼物
玻璃的本质,是固体物理最深刻、最有趣的未解问题
这话不是我说的,是 Philip Anderson 说的——1977 年诺贝尔物理学奖得主,凝聚态物理学的奠基人之一。
三十年过去了,这句话基本还成立。
一、问题从一个朴素的疑问开始:玻璃到底是固体还是液体?
中学课本告诉我们物质有三态:固、液、气。区分它们的关键在于原子的排列方式。
晶体(典型固体):原子按规则的格子周期性排列,像砖墙一样。盐、糖、金属、雪花都是晶体。
液体:原子无序排列,可以相互滑动,所以液体会流动、会顺应容器形状。
玻璃:原子排列像液体一样无序,但它又像固体一样不流动。
你拿 X 射线去衍射玻璃,看到的图样和液体几乎一样——没有长程规律,没有周期性结构。但你又确实可以用玻璃盖楼、做透镜、装水。
所以玻璃结构上是液体,行为上是固体。
它不属于经典物质三态分类里的任何一种。
顺便澄清一个流传很广的误解:古老教堂的玻璃下厚上薄不是因为玻璃在缓慢流动,而是当年吹制玻璃工艺造成的厚薄不均,工匠安装时把厚的一边朝下了。室温下玻璃实际”流动”的时间尺度远超宇宙年龄。
二、玻璃是怎么形成的?——一场来不及完成的结晶
把二氧化硅熔化,然后冷却,会发生什么?
如果冷却得慢:原子有充足时间找到自己在晶格里的位置,最终形成晶体(石英)。这是热力学最稳定的状态。
如果冷却得快:原子来不及排队,就被”冻”在了原地。它们的位置接近液态时的随机分布,但不再能移动。
这就是玻璃。
本质上,玻璃是一团被时间冻结的液体。
这个定义听起来挺直白,但麻烦从这里开始。
三、第一个怪异之处:转变不像转变
水变成冰,是经典的相变。在 0°C 时:
? 体积突然变化
? 释放潜热
? 熵不连续地下降
? 出现明确的晶体结构
整个过程干净利落,有明确的临界温度,前后两个状态在数学上完全不同。
玻璃化转变(从液体变成玻璃)完全不是这样:
? 没有潜热
? 没有结构剧变(X 射线衍射图前后几乎一样)
? 热容只有一个小台阶
? 但黏度在很窄的温度区间内增长了十几个数量级——从能流动的液体变成实际不流动的固体
这意味着玻璃化转变不是一个”结构性”事件,而是一个”动力学”事件——不是原子重排了,而是原子动不了了。
更怪的是,玻璃化转变温度依赖于冷却速率。冷得快,转变温度高;冷得慢,转变温度低。这意味着它根本不是一个传统意义上的相变——传统相变温度由热力学唯一决定,不该依赖于过程。
四、第二个怪异之处:Kauzmann 佯谬
1948 年,化学家 Walter Kauzmann 注意到一件让人不安的事。
如果你能无限慢地冷却一种液体(避免它玻璃化或结晶),并外推它的熵随温度变化的曲线——
你会发现在某个温度(现在叫 Kauzmann 温度 T_K),液体的熵会等于晶体的熵。
继续往下走,无序液体的熵会比有序晶体还低。
这违反直觉。无序状态怎么会比有序状态熵更低?
所以一定有什么东西在 T_K 之前介入,阻止这种情况发生。
问题是:是什么?
可能性一:在 T_K 存在一个真正的热力学相变,液体进入某种”理想玻璃态”——一种独特的、低熵的无序固体。
可能性二:根本到不了 T_K,因为系统在那之前就因为动力学原因卡住了,问题纯粹是动力学的,没有真正的热力学相变。
这两种图景的争论持续了七十多年,至今没有定论。
五、第三个怪异之处:找不到序参量
物理学描述相变有一套强大的工具,核心概念叫序参量——一个能在相变前后从零变成非零的量,标志着对称性的破缺。
? 铁磁体的序参量是磁化强度
? 超导体的序参量是库珀对的波函数
? 液晶的序参量是分子取向的有序度
? 晶体的序参量是密度的周期性调制
玻璃找不到序参量。
它的原子位置看起来和液体一样随机。没有任何明显的对称性破缺。但它就是固体——它有非零的剪切模量,能承受剪切应力而不流动,液体不能。
所以问题尖锐地浮现:玻璃和液体到底哪里不一样?为什么液体会流动而玻璃不会?这种”刚性”是从哪里冒出来的?
晶体的刚性容易理解——你想让原子动,得对抗整个晶格的周期性势场。但玻璃没有周期性,原子的局部环境和液体差不多。它的剪切模量从何而来?
这个问题一旦深问下去,会发现它牵扯到固体物理最基本的概念——“固体”到底是什么?
我们以为我们懂这个问题,其实不懂。
六、玻璃可能根本不是一个”态”
更深的麻烦在于:从严格的统计力学看,玻璃甚至不是一个定义良好的状态。
平衡态有一个性质叫各态历经性——给定足够时间,系统会经历相空间里所有可达状态,宏观性质由这些状态的统计平均决定。状态由当前条件唯一确定,不依赖于历史。
玻璃打破了这一点。
同样化学成分的玻璃,冷却快慢不同、放置时间不同,性质会有微小但可测量的差异——密度、折射率、内能都会略有差别。
玻璃有”记忆”。它记得自己是怎么形成的。
这种现象叫非各态历经性——系统被困在了相空间的某个区域里出不来,所以它的状态依赖于历史。
而且玻璃在 Tg 以下仍然在缓慢弛豫——这叫物理老化(physical aging)。它在以人类时间尺度几乎察觉不到的速度,向某个更稳定的状态爬。它从未真正”安顿下来”。
所以一个更激进的说法是:玻璃不是一个名词,是一个动词的过去时。它是”曾经是液体、然后被太快冷却、来不及变成晶体、于是停在了半路”的产物。它的身份里包含着时间。
七、目前最严肃的几种理论尝试
物理学家不是没努力。几个主要的理论框架:
模耦合理论(MCT) 把玻璃化看作一种动力学相变:分子运动在某个温度突然”卡住”,因为每个分子被邻居”笼罩”导致集体无法运动。它对中等过冷液体的预测相当成功,但预测的卡住温度比实际 Tg 高,所以只是部分对。
随机一阶相变理论(RFOT) 借用自旋玻璃的数学,假设系统存在指数多个亚稳态,玻璃化是在这些状态之间跳跃越来越慢的结果。优雅,预测了 Kauzmann 温度处可能的真相变,但实验上很难直接验证。
动力学非均匀性图景 实验观测到液体里存在”快区”和”慢区”,温度降低时慢区越来越大,最终连成一片导致玻璃化。能解释一些现象,但不构成完整理论。
几何阻挫 局部偏好的排列方式(比如二十面体)没法平铺整个空间,所以系统找不到统一的低能态,被迫卡在无序构型里。
每个理论各能解释一部分实验,没有一个能解释全部。
2021 年 Giorgio Parisi 因自旋玻璃的复本对称性破缺工作获诺贝尔物理学奖,这给玻璃理论提供了重要数学工具。但从自旋玻璃(一个简化模型)推广到真实的结构玻璃,还有相当长的路。
八、为什么这个问题这么重要?
读到这里你可能会想:好吧,挺有意思,但我们已经能用玻璃了,搞清楚原理有什么实际意义?
答案分几个层次。
最直接的:你没法理性地设计新材料,只能试。 想要一种新玻璃——更耐摔的屏幕、损耗更低的光纤、能在极端温度工作的窗户——目前基本靠”配方调参”。康宁开发大猩猩玻璃花了几十年试错。对比硅半导体:我们能精确计算掺杂多少硼会得到什么导电性,可以在纸上设计晶体管。玻璃做不到。
计算与算法的回报。 自旋玻璃的数学结构出现在很多地方:神经网络的损失函数地形、组合优化问题、SAT 问题的相变。为什么深度学习能 work? 为什么明明有无数个糟糕的局部极小值,梯度下降却总能找到好的解?目前最有希望的理论框架就来自玻璃物理。Hopfield 拿 2024 年诺贝尔物理学奖,工作内核就是把自旋玻璃数学用到神经网络上。攻克玻璃,可能给我们一个真正的深度学习理论。
生物学的回报。 越来越多证据显示活细胞的细胞质处于接近玻璃态的状态,这影响蛋白质折叠、酶反应速率、染色质组织。阿尔茨海默、帕金森、ALS 都涉及蛋白质聚集成不溶性沉积物,这个过程和玻璃化有深刻类似性。还有器官冷冻保存——能不能让水玻璃化而不是结晶——是器官银行的关键技术。
最深的:非平衡统计力学。 平衡态统计力学有完整漂亮的框架(玻尔兹曼、吉布斯)。但宇宙里大部分东西都不在平衡态——湍流、生命、生态、经济。我们想要一个处理非平衡的统一框架,玻璃是其中最干净、最可控的样本。它就坐在我们眼前,不像湍流那么混乱,不像活物质那么复杂。攻克玻璃,可能给整个非平衡物理提供工具。
九、回到 Anderson 那句话
“固体理论中最深刻、最有趣的未解问题。”
为什么是”最深刻”?
因为它不是某个细节没搞清楚,而是整个理论框架在玻璃面前不够用了。
物理学描述世界的两大支柱——平衡态统计力学和对称性破缺——在玻璃这里都不太管用。玻璃既不在平衡态,也没有明显的对称性破缺。但它就在那里,每天被几十亿人使用。
它的存在本身在提示我们:物质的图景比经典图景更丰富。 物质可以有历史,可以记忆,可以处于既非平衡又稳定的状态。这一类物质——非平衡的、有记忆的、依赖历史的——可能才是宇宙的常态,而不是教科书里那些干净的平衡态。
生命体某种意义上就属于这一类。
所以攻克玻璃,等于在攻克一类全新的物理图景。它的回报不会只是更好的窗户,可能是处理整个无序、非平衡、复杂世界的新语言。
不知道原理却用的很开心的东西太多了,身边随处可见的钢材就是一个例子。
钢材制备过程中有个重要的工艺,叫做淬火(一般读成蘸火)。电视里经常演,就是把烧红的铁器往水里一浸,然后发出令人愉悦的呲呲声。由于淬火可以大幅度的提高钢材的硬度/强度/耐磨性,很多钢材出厂前都要经历这么一道冰火两重天的体验。
中国对淬火的最早记载大概是《史记·天官书》,里面提到春秋晚期就有了淬火工艺。然而,淬火的理论解释(以及跟钢铁有关的大部分理论),却都是近一百来年的成果。
淬火最主要的原理,就是通过快速冷却,使得铁中的碳原子来不及扩散析出,滞留在铁内部变成过饱和的铁-碳固溶体,并形成一种称为“马氏体”的显微组织。
直到在1890年,马氏体才被一个叫马登斯(Adolf Martens)的德国人发现。这时候人类已经无知并快乐的耍了两千多年的钢刀了。
即便是2020年的今天,也没有人敢说完全掌握了钢材的相关原理。这不,最近Nature Materials新鲜出炉了一篇论文https://www.nature.com/articles/s41563-020-0677-9" data-tooltip-richtext="1" data-tooltip-preset="white" data-tooltip-classname="ztext-reference-tooltip">[1],就在马氏体形成的基本原理上取得了重要的理论突破。
类似的,很多金属材料的相关理论(例如位错理论)都是近一个世纪提出来的。在此之前人类用了几千年的金属材料,都是像下面这位一样,只知道好用,却不知道为什么好用:


01:11
猩猩玩手机
不知道为啥大家这么关注淬火的读音(这不是本回答的重点好不好),但我还是去查了一下相关文献[2][3]:淬火是标准词,人们不读它,“蘸 (zhàn)火”是常用词,人们却不写它,这是我国文字 中不多见的现象。淬火这个字应该是司马迁在《史记·天官书》里面最早采用的,但蘸火这个读法很可能是从春秋时期一直口口相传下来的。另外蘸火也是后面改出来的,是个假借词,本词应该是湛火。
参考^Mechanism of collective interstitial ordering in Fe–C alloys https://www.nature.com/articles/s41563-020-0677-9^金属材料中常见误读误用字词初谈,金属世界,2013年05期^“蘸火”词辩,金属热处理,1999年03期
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说一个高中学过的,动物培养皿要加血清。
Q:为什么要加血清?
A:有因子可以帮助细胞分裂生长。
Q:因子是什么?
A:不知道是什么所以叫因子。
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加:2026-05-02 15:35:00  更:2026-05-02 15:35:14 
 
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