探索尼古拉·特斯拉的未竟事业:在100年前的发明中发现潜在的新用途

一个研究小组在对20世纪早期设计的复制品进行了一系列实验后发现,工程师尼古拉·特斯拉在一个世纪前发明的一个阀门不仅比以前意识到的功能更强,而且在百年后的今天还有其他潜在的应用。《自然通讯》杂志上报道的研究结果表明,特斯拉的装置,即他所说的”阀状管道”可以利用发动机和其他机械的振动来泵送燃料、冷却剂、润滑剂和其他气体和液体。

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现在被称为 “特斯拉阀门”的专利装置激发了在流动网络和电路中引导水流的策略。

纽约大学Courant数学科学研究所的副教授、该论文的资深作者Leif Ristroph解释说:”这个有100年历史的发明仍然没有被完全理解,并且可能以尚未考虑的方式在现代技术中发挥作用,这一点很了不起。虽然特斯拉作为电流和电路的巫师而闻名,但他在控制流动或流体电流方面鲜为人知的工作确实领先于时代。”

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在三种不同的速度下,反向(从右到左)流动的比较。水流用绿色和蓝色的染料进行了可视化,显示出在更高的速度下,水流会被破坏。

特斯拉阀门,即一系列相互连接的水滴形环路被设计成只在一个方向上通过流体流,并且没有移动部件。该装置为正向流动提供了一条清晰的路径,但反向流动的路径较慢。但后者的缺点事实上表明,在需要控制流动而不是释放流动的情况下,有一个潜在的、尚未实现的好处。

为了了解阀门的功能,Ristroph和他的合作者,纽约大学物理学研究生Quynh Nguyen和Joanna Abouezzi(研究时为纽约大学本科生)在纽约大学应用数学实验室进行了一系列实验。在这里,他们复制了特斯拉阀门的设计,并对其进行了测试,测量其在两个方向上通过流动的阻力。

总的来说,他们发现该设备的反应有点像一个开关。在低流速下,正向和反向流动的阻力没有区别,但在超过一定的流速时,该装置突然 “打开”,并开始明显对抗反向流动。

“至关重要的是,这种开启伴随着反向湍流的产生,它用涡流和破坏性电流’堵塞’管道,”此外,湍流出现的速度远远低于以前观察到的更标准形状的管道–比圆柱形管道或管子中的传统湍流速度低20倍。这显示了它在控制流量方面的力量,这可以在许多应用中使用。”研究人员发现,当流量不稳定时–当流量以脉冲或振荡的形式出现时,该阀门的工作效果甚至更好,然后该装置将其转换为平滑和定向的输出流量。这种抽水动作模仿了将交流电转化为直流电的AC-DC转换器。

“我们认为这就是特斯拉对该设备的想法,因为他正在考虑用电流进行类似的操作,”Ristroph观察到。”事实上,他最著名的是发明了交流电机以及交流-直流转换器。”

今天,鉴于阀门控制流量和在低速下产生湍流的能力,Ristroph看到了特斯拉在20世纪初发明用于今天的可能性。

“特斯拉的装置是传统止回阀的替代品,传统止回阀的活动部件往往会随着时间的推移而磨损,而现在我们知道它在混合方面非常有效,它可以用来利用发动机和机械的振动来泵送燃料、冷却剂、润滑油或其他气体和液体。”

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