有什么人们不知道原理就投入使用的产品？

营养师

镜像问题:有什么知道原理却无法制造的产品

原文地址：https://www.zhihu.com/question/395036820

同花顺

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。
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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。

大力水手

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。

大力水手

各式各样的工业催化剂及其载体

许多工业催化剂。

对于很多工业催化剂，比如石油裂解、三效、乙炔加氢、费托合成等催化剂，通常由多组分金属化合物组成，例如，二氧化碳加氢制甲醇常常使用铜锌铝催化剂(CZA)，其主要的金属组分就有铜锌铝三种，结构复杂且反应气氛敏感。
在研发阶段，这些催化剂在被偶然发现（少数经过理性推演或模拟获得）具有出色的催化性能之后，经过工业放大试验、中试、经济性研究等，最终大规模投入工业化应用。
但是，这些催化剂为什么会发挥其独特的功效呢？其催化原理是什么？我们往往不清楚。
说到催化原理，就必须搞清楚催化剂结构，因为结构决定性能。
事情并没有想象那么简单。催化剂（主要考虑催化反应的活性中心）并不是摆在餐桌上的烧饼，其微观结构并不是一成不变的，在反应过程中，活性中心经常会发生变化（反应气氛诱导的活性中心演化）。比如，许多金属合金在氧化还原反应过程中会发生部分氧化或还原，导致表面和体相的结构发生巨大的演化，表面甚至是体相的重构是十分常见的（如下图）。所以，ex situ（异位）的表征和关联往往是无效的；但真正in situ/operando （原位）的表征手段，又受到表征技术的限制，很难完全模拟真实反应条件。因此，对于大多数工业催化剂来说，我们其实都没有搞清楚它活性位结构，故而其“催化原理”到底是怎样的也都停留在设想与假设。



原位电镜下金属Bi纳米颗粒在反应条件下的重构



Au纳米颗粒的表面重构

例如著名的哈伯法合成氨，将N2和H2在高温高压下转化成氨气，是重要的工业原料。即便如此重要，哈伯法催化剂的微观结构在上世纪中叶工业化之后一直悬而未决，也带来了催化原理的不确定。但前期对于催化剂活性位的“无知”并没有影响合成氨催化剂对人类社会发展的巨大贡献。
直到上世纪末Gernard Ertl等人通过先进的表征和模拟手段，大致确定了合成氨铁基催化剂活性中心的微观结构，并证明了该催化过程的具体反应机理。为此，Ertl被授予2007年的诺贝尔化学奖。



Ertl教授

直到现在，解析催化剂的活性位仍然是催化科学领域的皇冠明珠。
但对催化原理认知的不充分，并不妨碍我们将其应用于工业生产。
毕竟，伟人曾说过：不管黑猫白猫，抓到老鼠的就是好猫。
https://en.wikipedia.org/wiki/Gerhard_Ertl哈伯法合成氨图片来源自网络。

感恩由您

人类用火多少年才认识了燃烧的本质？从把火当成元素，到燃素学说，再到反应放热是个漫长的过程。毕竟会使用火是人区别于其它生物的一项重要区别（当然也有些动物会有目的用火，但取火手段和保存火种的能力远不及人类）
人类使用独木舟之后不知道多久，阿基米德才提出浮力定律；人类编订历法不知多久，才理解天体运行的规律（这一认知还在不断深入中）；还有烹饪时的美拉德反应和糊化反应创造美味；还有各式各样的建筑和机械早于牛顿力学；人们种植养殖育种早于对遗传学的认识；等等等等，不胜枚举。

检验医师

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[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：

猩猩玩手机
https://www.zhihu.com/video/1244844403254145024
<hr/>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。