上纽科研动向：如果“风起于青萍之末”，那么混沌发源于哪里呢？

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追踪漂浮在缓缓流淌小溪上的树枝，比追踪在波涛汹涌的大海中上下摇摆的瓶子容易很多。由于漂流过程中充满了意外的转弯和长短不齐的位移，瓶子这样的随机漂流轨迹被物理学家们称为“混沌”路径。虽然看起来不太可能，这种“混沌”是否也会发生在缓慢漂流的树枝上呢？

在最近发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇论文中，纽约大学博士生胡世渊等研究人员发现，这确实是可能的，尤其是当树枝——或者研究人员称之为“漂浮物”的结构——具有与水流漩涡大小相当的尺寸时，混沌路径就可能出现。该研究结合了数值模拟和实验观察，其中实验部分在华东师范大学-纽约大学物理联合研究中心（上海纽约大学）的实验室中完成。

他们的研究还表明，除了漂浮路径表现出混沌之外，漂浮物还有可能被困在一个漩涡中，或者漫无目的地游荡，甚至沿着一个方向曲折地前进。在这个研究中，一个漂浮物被放在整齐排列的漩涡中，随着时间推移，它被动地跟着流体运动，而研究人员通过改变漂浮物的长度和柔韧度观测到上述的许多现象。

“所有的这些运动行为都取决于漂浮物的大小和刚度。令人惊讶的是，像我们这样的低雷诺数系统也会产生混沌，”上海纽约大学和纽约大学物理与数学教授张骏说，“大致来说，雷诺数是衡量一个流体系统活跃程度的指标。”

“背景水流是缓慢而稳定的，但是一旦将细长的结构放入其中，结构与水流之间的相互作用就变得有趣且出人意料，这就像一个台球被流动的漩涡轻轻地弹来弹去。” 纽约大学及Flatiron研究院（Flatiron Institute）的数学教授Michael Shelley说。

论文的第一作者为纽约大学在读博士生胡世渊，第二作者为同济大学在读博士生、上纽大研究助理储军军。Michael Shelley教授与张骏教授同为本文的通讯作者。

“由于不同长度的结构在流场中表现不同，” 胡世渊和张骏教授进一步评论说，“我们的发现有朝一日或可用于生物聚合物的分类，比如可以把大DNA分子按它们的长度来进行筛选。”

半柔性长丝与一系列旋转流动漩涡之间的相互作用。根据其长度和刚度，长丝可能会发生混沌运动，或沿直线移动，甚至被困住于一个漩涡。图片由论文第一作者胡世渊提供

论文链接（请扫描二维码）：

 张骏教授档案 

 

张骏教授现任上海纽约大学和纽约大学物理学与数学联聘教授、纽约大学全球特聘教授。自2001年以来，张教授还担任纽约大学库朗数学研究所应用数学实验室联合主任。张教授在哥本哈根大学尼尔斯•玻尔研究院获得物理学博士学位，现任美国物理学会会士。

研究兴趣

◦ 流体物理学和流体动力学，包括生物力学和生物运动（有机体游泳、飞行和行走）

◦ 地质流体（热对流，大陆动力学和侵蚀）

◦ 以动边界或柔性边界为主的流固耦合问题

◦ 不同长度和时间尺度的自组织现象

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