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风如拔山怒，雨如决河倾—漫话台风
热度 1 zdwang 2010-6-28 07:22
风如拔山怒，雨如决河倾—漫话台风
风如拔山怒，雨如决河倾 —— 漫话台风 王 振 东 风如拔山怒，雨如决河倾。 屋漏不可支，窗户俱有声。 乌鸢堕地死，鸡犬噤不鸣。 老病无避处，起坐徒叹惊。 三年稼如云，一旦败垂成。 夫岂或使之，忧乃及躬耕。 邻曲无人色，妇子泪纵横。 且抽架上书，《洪范》推五行。 这是宋朝诗人陆游（1125—1210年）所写的《大风雨中作》 ,这次大风雨，据原注是发生于“甲寅八月二十三日夜”。甲寅年为宋绍熙五年（1194年），当时作者退居在家乡越州山阴（今浙江绍兴）。农历八月，是浙东沿海台风活动最频繁的月份，这次“如决河”般的大风雨，很可能是强台风过境时出现的。诗中：噤（jìn禁）意为闭口；夫（fú扶），系发语词；三年句,指近二年庄稼长得很好，今年也丰收在望，不料风雨一下子摧毁了；《洪范》是《尚书》篇名,以水、火、木、金、土“五行”释自然现象，含有朴素的唯物主义因素。 陆游还有一首五言古诗《十月二十八日夜风雨大作》，也描述了浙东台风到来时的情景 风怒欲拔木，雨暴欲掀屋。 风声翻海涛，雨点堕车轴。 拄门那敢开，吹火不得烛。 岂惟涨沟溪，势已卷平陆。 辛勤蓺宿麦，所望明年熟； 一饱正自艰，五穷故相逐。 南邻更可念，布被冬未赎； 明朝甑复空，母子相持哭。 每年，随着仲夏季节的到来，在气象预报的卫星云图上，我们经常可以看到由大团白云显示的反时针旋转的大尺度流体涡旋，人们在关心台风的形成、发展、在什么地方登陆、行走途径，以及其消失过程。 台风是有很强破坏力的气象灾害 台风是诞生在热带海洋上风速达到32.7米/秒以上的大气涡旋，其半径可达数百公里。它在不同地方有不同的称谓：发生在西北太平洋和南海上的，称为台风；在北大西洋、加勒比海、墨西哥湾以及东北太平洋上的，称为飓风；在印度洋和孟加拉湾上的，称为热带风暴；在澳大利亚，则称为热带气旋。 从流体力学的角度看，台风或飓风的形成、发展加强、移动、减弱和消失都是大尺度流体运动不稳定的过程。 台风之所以受到人们的关注，是因为它具有很强的破坏力，是一种严重的气象灾害。美国2005年8月的卡特里娜（Katrina）飓风，造成1330人死亡，损失960亿美元。中国2006年7月Bilis台风登陆福建，死亡843人，损失人民币348.2亿元 台风生成的条件 台风生成的条件主要有三： 一是生成在海表以下60米深的水温在26℃以上广阔的高温洋面上。温暖的海水是其动力“燃料”。 二是要有适当的地转偏向力（柯氏力），即地球自转产生的改变风向的力（北半球向右）。 三是有足够大的外部扰动，使大规模高温、高湿、高度不稳定的空气发生强烈扰动，释放大量能量，引起幅合上升形成气旋。 地转偏向力随地理纬度的降低而减小，在赤道地区为零。所以纬度低于5°的海洋上没有台风生成。 按照我国气象部门的定义：热带气旋中心附近的风力为6―7级称为热带气压，8―9级称为热带风暴，10―11级称为强热带风暴，12级及以上称为台风。风速小于17米/秒的热带气旋，称为热带低压。 有报道说，2008年9月11日在浙江台州登陆的卡努台风，最大风力达17级。这是因为通常发布风力预报时，凡32.7米/秒以上都称为12级。其实在气象学中还可以细分：13级（37.0―41.4米/秒）；14级（41.5―46.1米/秒）；15级（46.2―50.9米/秒）；16级（51.0―56.0米/秒）；17级（56.1―61.2米/秒）。卡努台风的最大风速59.5米/秒，自然就是17级了。 美国国家飓风中心则将飓风分为5级：1级飓风：119―153公里/小时；2级飓风：154―177公里/小时；3级飓风：178―209公里/小时；4级飓风：210―249公里/小时；5级飓风：249公里/小时以上。 台风 己编号和命名进行观测和预报 20世纪以前，台风命名是比较随意的。1953年美国开始用女性名字来命名台风。但由于台风是一种巨大的灾害，从而不断受到妇女运动的反对，于是在1979年达成用一男一女的名字交替命名。事先拟好4列88个，轮流使用。卡特里娜就是其中一个。 2000年元旦起，亚洲和太平洋地区，统一在台风编号后面再加上台风名字。台风的名字由该区域14个国家（地区）共同提供（大多是美好事物），每个国家（地区）提供10个，共140个，编成10组。第一组用完后用第二组。因为每年台风不过20个左右，因此一年中不会发生重复。台风命名的好处是可以避免因各国台风编号不一致而造成混乱。如果台风造成了特别巨大的灾害，可以停用该名字（例如云娜台风），再另补充新的名字。 台风眼 台风是结构十分特殊的天气系统，其中最特殊的是它有个台风眼。台风眼位于台风的中心，直径一般10―50公里，多为圆形。眼区中气流下沉，所以常常天气晴好，风速也很小。但台风眼的四壁是高耸的云墙（台风眼壁），一般厚几十公里，是台风中上升气流最强，风雨最猛烈的地方。云墙内外，咫尺之间天气截然相反，却又和谐地并存着，堪称自然界中的一个奇迹。所以，当台风来袭过程中，在台风眼区域突然风停日出，人们往往以为台风已经过去。实际上台风眼一过去，暴风雨立刻重又袭来。台风内虽是好天气，但海上的浪潮却非常汹涌。这是因为台风中心的气压，和其四周比起来要低的缘故。因此在台风中心登陆的地方，往往引起很高的浪潮，造成很大的损害。 台风从生成到消亡的3阶段 台风从生成到消亡一般经过3个阶段: 第一个是生成阶段（大多数热带气旋消失在这个阶段，不能形成台风）。 第二个阶段是成熟阶段，一般有一个完整清晰的台风眼。此时台风中心气压达到最低，大风和暴雨的范围也达到最大。 第三阶段是减弱消亡阶段。西北太平洋台风的寿命一般2―7天，平均约124小时。 台风消亡的原因主要有两个: 一是登陆后，切断了海水潜热能源供应，加上陆地摩擦力大，大量消耗了台风的动能。 另一是台风北上到达较高纬度地区后，进入了冷空气，热带气旋变成温带气旋而消亡。 所以我们经常在气象预报节目中听到：台风登陆后减弱为强热带风暴，又减弱为热带风暴，再减弱为热常气压，从而結束了一次台风过程。 每年平均有7个台风登陆我国 全球热带海洋上每年生成约80–100个气旋。其中约36%发生在西北太平洋和南海上，这里是全球生成台风最多的海区之一。南大西洋热带海区，因为南极流来的冷洋流降低了水温，因此不易发生台风。有人统计了42年资料，西北太平洋上共发生台风（包括热带风暴）1178个，平均每年约28个。42年中登陆我国的台风（包括热带风暴）共有297个，平均每年约7个，居世界各国的前列。 台风具有很强的破坏力，是一种气象灾害；但台风影响的地区，又可带来降水，以解除伏旱。 有时候，也能在电视台气象预报的卫星云图上，同时看到产生了两个热带气旋。 至今人们还不能准确知道热带气旋何时在何地形成，何时加强为台风，何时在什么地方登陆，行走途径，以及其消失过程。只能根据卫星云图做出大致的预报。 从流体力学角度可以看出，台风的形成与发展是大尺度的流动不稳定性过程： 1. 生成过程不稳定，多数气旋夭折，少数加强为台风； 2. 移动路径不稳定，经常突然变向； 3. 消亡过程也不稳定。
个人分类: 力学诗话|13510 次阅读|1 个评论
龙尾不卷曳天东—漫话龙卷风
zdwang 2010-6-21 06:51
龙尾不卷曳天东—漫话龙卷风
龙尾不卷曳天东 ——— 漫话龙卷风 王 振 东 成都六月天大风，发屋动地声势雄。 黑云崔巍行风中，凛如鬼神塞虚空。 霹雳并火射地红，上帝有命起伏龙。 龙尾不卷曳天东，壮哉雨点车轴同。 山摧江溢路不通，连根拔出千尺松。 未言为人作年丰，伟见一洗芥蒂胸。 这是宋代诗人 陆游（1125-1210年）在成都为官时所写的七言古诗《龙挂》，他曾先后担任成都府安抚司和四川制置司的参议官。黑云崔巍（ w é i 惟）,是指积雨云垂直发展旺盛，云色乌黑，从地面望去，好像耸立于天空的一座座大山。凛（ l ǐ n 林）如,指可怖的样子。 “ 霹雳并火射地红 ” 句， 描述了 龙卷风的出现时，伴有大风、雷电和暴雨。曳（ y è 叶）,是拖的意思。 “ 龙尾不卷曳天东 ” 的龙尾，是指龙卷风的漏斗状下垂尾巴，它一边旋转，一边拖着前进；龙卷风的中心气压低，上卷力非常大，如连接地面，就能 “ 连根拔出千尺松 ” 。一洗芥蒂胸,表示当看到了龙卷风的奇伟壮观之后，使胸襟为之开。 苏轼（1037-1101年）《连雨江涨》一诗,也说到了龙卷风 床床避漏幽人屋，浦浦移家疍子船。 龙卷鱼虾并雨落，人随鸡犬上墙眠。 这是作者在贬位于东江下游南岸的惠州（今广东惠阳县）时所作。“龙卷鱼虾并雨落”，是发生在水域的“水龙卷”的特点。幽人,指隐逸之人,为作者自称，有遂臣的意思。浦,指小河流入江海的地方。疍（dàn但）子,是过去广东、广西、福建内河和沿海一带的水上居民，多以船为家，从事渔业、运输业。 龙卷风是一种灾害天气 龙卷风是一种风力极强而范围不太大的涡旋，状如漏斗，风速极快，破坏力很大。其中心的气压可以比周围气压低百分之十。龙卷风的出现和消失都十分突然，很难进行有效的预报。 龙卷风上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向前移动。远远看去，它不仅很像吊在空中晃晃悠悠的一条巨蟒，而且很像一个摆动不停的大象鼻子。发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷” （或称 “ 海龙卷 ” ，waterspout） ；出现在陆上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷” （landspout，美国国家气象局称dust-tube tornado） 。 世界各地的海洋和湖泊等都可能出现水龙卷。在美国，水龙卷通常发生在美国东南部海岸，尤其在 佛罗里达 南部和 墨西哥湾 。水龙卷虽在定义上是龙卷风的一种，其破坏性要比最强大的大草原龙卷风小，但是它们仍然是相当危险的。 龙卷风的生存时间一般只有几分钟，最长也不超过数小时。龙卷风经过的地方，常会发生拔起大树、掀翻车辆、摧毁建筑物等现象，有时把人吸走，危害十分严重。 有记录以来美国最致命的龙卷风是发生于 1925年 3月18日，越过了 密苏里州 东南部、 伊利诺伊州 南部和 印地安那州 北部的“三洲大龙卷”，导致695人死亡。 龙卷风的力气是很大的。据报道记载，1879年5月30日下午4时，在美国堪萨斯州北方的上空有两块又黑又浓的乌云合并在一起。15分钟后在云层下端产生了涡旋。涡旋迅速增长，变成一根顶天立地的巨大风柱，在三个小时内像一条孽龙似的在整个州内胡作非为，所到之处无一幸免。但是，最奇怪的事是发生在刚开始的时候，龙卷风涡旋横过一条小河，遇上了一座峭壁，显然是无法超过这个障碍物，涡旋便折抽西进，那边恰巧有一座新造的75米长的铁路桥。龙卷风涡旋竟将它从石桥墩上“拔”起，把它扭了几扭然后抛到水中。在我国，1956年9月24日上海曾发生过一次龙卷风，它轻而易举地把一个22万斤重的大储油桶“举”到15米高的高空，再甩到120米以外的地方。 在美国，龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。它对建筑的破坏也相当严重，经常是毁灭性的。在强烈龙卷风的袭击下，房子屋顶会像滑翔翼般飞起来。一旦屋顶被卷走后，房子的其他部分也会跟着崩解。1995年在美国俄克拉何马州阿得莫尔市发生的一场陆龙卷,诸如屋顶之类的重物被吹出几十英里之远。大多数碎片落在龙卷通道的左侧，按重量不等常常有很明确的降落地带。较轻的碎片却飞到300多千米外才落地。 龙卷风的产生原因 龙卷风究竟是怎样形成的？可以从夏天在操场上常能看到的一种现象，得到启示：一阵风刮来，突然在操场中间出现了一个气流涡旋，它卷起了沙土和树叶随气流旋转，而且越转越快地在移动着，过了一会，又迅速慢了下来，突然消失了。这是很小尺度的气流不稳定性造成的。 龙卷风则是中尺度的气流不稳定性造成的，其平均直径为200-300米，直径最小的不过几十米，只有极少数直径大的才达到1000米以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均每秒15米，最快的可达70米；移动路径的长度大多在10公里左右，短的只有几十米，长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度，一般有l-2公里。 普遍认为，龙卷风是云层中雷暴的产物，是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式。 龙卷风的形成过程，大致可分为四个阶段： （1）大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。 （2）由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。 （3）随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，形成龙卷核心。 （4）龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。 由上可以看出，龙卷风的形成和消失，都是气流运动不稳定的过程。 美国的龙卷风为什么多 美国的龙卷风不仅数量多，而且强度大 , 被称之为 “ 龙卷之乡 ” 。这主要是和美国的地理位置、气候条件以及大气环流特征有关。美国东濒大西洋，西靠太平洋，南面又有墨西哥湾，大量的水汽不断从东、西、南面流向美国大陆。美国主要处在中纬度，春夏季常受副热带高压控制，即使在秋冬季，也常受其边缘影响。在副高南部和西部是偏东和东南气流最活跃的地方，它把大西洋和墨西哥湾的大量暖湿空气源源不断向美国大陆输送，这是产生雷雨云的充分条件。雷雨云不断地强烈发展，龙卷风就伴随而来。 美国龙卷风发生最多的是中西部 和南部的广阔区域,有人将美国这一常发生龙卷风的区域称为“龙卷风道”。美国 约有 54% 的龙卷风发生在春季， 5 月份副热带高气压控制美国，其西缘正好停留在中西部，这时，东南气流把墨西哥湾的暖湿空气从南向北大量输送。空气中有了充足的水汽，又有了强烈的垂直上升运动，雷雨云就会强烈产生，经常发展成龙卷云而产生龙卷。 6 月份大量的暖湿空气向北移到堪萨斯州、内布拉斯加州和衣阿华州， 7 月份移到加拿大，从此，美国的龙卷数量就大大减少了。 据近 50 年的统计，美国上空发生龙卷的次数至少增加 35 倍。有时没有龙卷云，但也会发生 “ 龙卷 ” ，这种特殊的龙卷称为 “ 无云龙卷 ” ，竟占美国龙卷的一半左右。这种怪现象是怎样形成的呢？ 有人认为，这是和奔驰在公路上的汽车数量增多有着密切的关系。现在美国公路干线上经常运行的小汽车不下 200 万辆，卡车 60 多万辆，美国交通实行靠右侧行驶，每当高速运行的两辆车错车时，就会形成逆时针方向的空气涡旋。众多辆汽车产生的空气涡旋叠加起来，就会形成一股强大的涡旋。这股强大的涡旋，一旦遇到合适的天气系统和大气温湿条件，也会诱发龙卷风。 在 北美洲 ，尽管龙卷风季节通常从3月到10月，但一年中随时都可能出现龙卷风,且在 午后 和 晚上 容易出现,超过80%的龙卷风在 正午 和 午夜 之间發生。 除 南极洲 外的每块大陆都发现有龙卷风，只是美国遭受的龙卷风比其他任何国家或地区都多些。除此之外，龙卷风在 加拿大 南部、 亚洲 中南部和东部、 南美洲 中东部、 非洲 南部、 欧洲 西北部和东南部、 澳大利亚 西部和东南部以及 新西兰 等地区也常有出现。
个人分类: 力学诗话|14420 次阅读|3 个评论
平沙莽莽黄入天—漫话沙尘暴
zdwang 2010-3-9 08:54
平沙莽莽黄入天—漫话沙尘暴
平沙莽莽黄入天 —漫话 沙尘暴 王振东 君不见走马川，雪海边，平沙莽莽黄入天。 轮台九月风夜吼，一川碎石大如斗，随风满地石乱走。 匈奴草黄马正肥，金山西见烟尘飞，汉家大将西出师。 将军金甲夜不脱，半夜军行戈相拨，风头如刀面如割。 马毛带雪汗气蒸，五花连钱旋作冰，幕中草檄砚水凝。 虏骑闻之应胆慑，料知短兵不敢接，车师西门伫献捷。 这是唐代诗人 岑参所写的《走马川行奉送出师西征》，是他在任安西北庭节度判官时，为封常清出兵西征，所写的送行诗。诗一开始就描写了出师西征时恶劣的自然环境，“平沙莽莽黄入天”，是典型的西北风沙情景，狂风怒卷，黄沙飞扬，遮天蔽日，迷迷蒙蒙，一派混沌的景象。开头三句并无“风”字，但却捕捉住了风“色”，将白天时风的猛烈写得历历在目。当 行军由白日进入黑夜时，风“色”己看不见了，便转而写风声。狂暴的风，象发疯的野兽，在怒吼，在咆哮，居然将斗大的石头也吹得满地滚动。“平沙莽莽”句写天，“石乱走”句写地，诗人用三言两语就勾勒出了在沙尘暴天气中出征的艰难与险恶。 在唐诗中还有不少关于沙尘暴的描述，如： 胡皓《大漠行》 云沙泱漭天光闭，河色阴沉海色凝 崆峒异国谁能托，萧索边心常不乐。 也形象地描述了西北大漠的沙尘天气，泱（ yāng ）指弘大，漭（ mǎng ）是广阔无边的意思，“云沙泱漭天光闭”形象地形容了沙尘暴使得天光失色的情景。 岑参《武威送刘单判官赴安西行营便呈高开府》 赤亭多飘风，鼓怒不可当。 有时无人行，沙石乱飘扬。 李白《北上行》 沙尘接幽州，烽火连朔方。 杀气毒剑戟，严风裂衣裳。 陈子昂《感遇诗三十八首》 黄沙幕南起，白日隐西隅。 汉甲三十万，曾以事匈奴。 崔湜《塞垣行》 疾风卷溟海，万里扬沙砾。 仰望不见天，昏昏竟朝夕。 崔融《西征军行遇风》 北风卷尘沙，左右不相识。 飒飒吹万里，昏昏同一色。 李益《度破纳沙二首》之一 眼见风来沙旋移，经年不省草生时。 莫言塞北无春到，总有春来何处知。 佚名《婆罗门》 回乐峰前沙似雪，受降城外月如霜。 不知何处吹芦管，一夜征人尽望乡。 中国古籍里有上百处关于“雨土”、“雨黄土”、“雨黄沙”、“雨霾”的记录，最早的“雨土”记录可以追溯到公元前1150年： 天空黄雾四塞，沙土从天而降如雨。 所记录的实际上就是现在所说的沙尘暴。 沙尘暴(sandduststorm)是沙暴(sandstorm)和尘暴(duststorm) 两者兼有的总称，是指强风把地面大量沙尘物质吹起卷入空中，使空气特别混浊，水平能见度小于1km的严重风沙天气现象。其中沙暴系指大风把大量沙粒吹入近地层所形成的挟沙风暴；尘暴则是大风把大量尘埃及其它细粒物质卷入高空所形成的风暴。 沙尘暴是我国西北地区和华北北部地区出现的强灾害性天气，可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人蓄伤亡，污染自然环境，破坏作物生长，给经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害。 一场沙尘暴，发生在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古……和发生在北京，是大不相同的。在西部边远地区，多一场、少一场，搅不起多大动静，而在北京发生一场沙尘暴，则会沸沸扬扬。 由于近年来沙尘暴常在北京的春天出现，引起了人们的普遍关注，本文试从流动不稳定性的角度来讨论沙尘暴的起因，并在看到沙尘暴危害的同时，也讨论了沙尘暴在生态系统中的作用。 沙尘暴的形成原因 沙尘暴的形成原因主要有三个：强风、沙尘源和不稳定的空气。 强风，是指足够强劲持久的大风，这是形成沙尘暴的动力条件。根据观测，当出现了强风时，如果风速每秒达到 30 米 (11 级风 ) ，粗沙 ( 直径 0.5~1.0 毫米 ) 会飞离地面几十厘米，细沙 ( 直径 0.125~0.25 毫米 ) 会飞起 2 米高，粉沙 ( 直径 0.05~0.005 毫米 ) 可达到 1.5 公里的高度，细尘埃 ( 直径小于 0.005 毫米 ) 则可飞到更加高的高度。 沙尘源，是形成沙尘暴的物质基础。我国是世界上沙漠较多的国家之一，西北、华北和东北地区是我国沙漠和沙地集中分布的地方，这里沙漠和沙地面积达 70 万平方公里 以上，沙漠中各式各样的沙丘，依照它们的稳定程度可分为流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。当强风发生时，流动沙丘扬起沙尘的数量最大，半固定沙丘要小一些，固定沙丘最小。除沙漠和沙地外，我国北方地区多属中纬度干旱和半干旱地区，地面多为稀疏草地和旱作耕地，植被稀少，加上人为地破坏，当春季地面回暖解冻，地表裸露，狂风起时，沙尘弥漫，在本地及狂风经过的地带很容易形成沙尘天气。 不稳定的 空气 ，有利于强对流发展，以夹带更多的沙尘卷扬得更高 。可以用生活中的一个常见的例子，来说明流动不稳定的影响：在捅火炉的时候，炉火烧得正旺，轻轻一捅，常会使炉灰飞满屋子；而当炉火熄灭后，使较大的劲捅，一般也不易扬起灰尘。这是因为炉火熄灭后，火炉上下的空气温度相差不大，因而空气稳定；当炉火燃烧很旺时，火炉上面的空气是不稳定的，靠近火炉上空的空气热，离火炉较远的空气较凉，热空气比冷空气轻，容易上升。所以，被捅火炉的灰很容易随着热空气向上升，飘飞满屋。 在自然界里，沙尘暴起沙尘的道理也是同样的，如果低层空气温度较低，比较稳定，受风吹动的沙尘将不易被卷扬得很高；如果低层空气温度高，则不稳定，容易向上运动，风吹动的沙尘将会卷扬得很高，从而形成沙尘暴。 实际上，我国沙尘暴一般在午后或午后至傍晚时刻最强，就是因为这是一天中空气最不稳定的时段。 北京 2006 年 4 月 16 日下午发生的沙尘暴，曾引起大家议论纷纷为“满城尽带黄金甲”。两天之内，北京共降下了 33 万吨沙尘。专家们曾对这次降尘的沙尘样本做过捡测，由粒度的分析发现，降尘粒度直径小于 0.074 毫米的粉尘物质，占 96 ％ 以上，所以严格地说，这实际上是一场尘暴；化学成份的分析还表明，这些沙尘有很大部分来自干旱农田、撂荒地和退化的草场。 张国藩教授 1942 年在西北工学院时，曾对风沙问题进行了研究。他用流体力学的观念，分析风夹沙的运动，写出了《我国北部沙漠南移问题》一文，认为比空气重很多倍的粗沙，之所以会随风飘移，是由于空气湍流作用所致，根据湍流的普朗特混合长理论，分析粗沙在湍流作用下沿铅垂方向的浓度分布。然后推导出在风力作用下飘移沙量的公式，公式中除包含有关空气和粗沙的物理常数外，还与大气边界层的厚度、粗沙粒径的分布有关。他应用公式预测了我国北部沙漠在风力作用下，向南推移的输沙量。在缺乏观测资料的条件下，引用了一些相近似的外国数据进行计算，得到的结论是：我国北部沙漠将以每年 7.65乘 10的10次方 吨 的输运量向南迁移。若将此风沙量分布到内蒙、新疆的一部分，以及甘肃、陕西、山西、河北、河南各省，则每年沙的堆砌厚度可达 0.47 英寸。 据马恩春教授回忆，当时张国藩教授曾将此论文公布在原西北工学院的壁报上，对沙漠在风力作用下的扩大，提出了科学的论断，并呼吁对沙漠扩大现象进行控制，引起全校师生的广泛兴趣。后来，又在兰州召开的中国工程师学会上正式宣读，获得了工程学会论文奖。 F.A.Zenz1956 年评价这一工作时认为：这是最早对气体或液体输送颗粒这一问题，所做的基础性研究。 沙尘暴是一种全球气候现象。主要发生在风大的干旱地区。如中亚、北美干旱地区，澳大利亚、北非等地。我国的沙尘暴属于中亚干旱区。 澳大利亚东部2009年9月23日出现罕见的沙尘暴，加上风速每小时上百公里的强风吹袭，使悉尼全城笼罩在一片橘红色的尘雾中，由于能见度相当低，飞机和渡轮均己暂时停飞和停驶。 沙尘暴在生态系统中的作用 沙尘暴的危害虽然甚多，但整个沙尘暴的过程却也是自然生态系统所不能或缺的部份，例如澳洲的赤色沙尘暴中所夹带来的大量铁质，已证实是南极海浮游生物重要的营养来源，而浮游植物又可消耗大量的二氧化碳，以减缓温室效应的危害，因此澳洲沙尘暴的影响层级并非全为负面。或许在另一角度来说，沙尘暴也许是地球为了应对环境变迁的一种症候，就像我们感冒了会发生咳嗽，是为了排除气管中的废物一样。 为研究沙 尘 暴提供塔斯曼海养分以及其它诸多效应，澳洲曾汇集了许多气候学者。他们发现澳洲沙尘暴的红色石英沉积物也可在新西兰找到，并且肥沃了新西兰的土地；因此澳洲沙尘暴所造成的养分损失却可造成新西兰土地的养分收获。 夏威夷当地肥沃的土壤沉积物，根据分析资料也可证明有许多的养料成分也是来自遥远的欧亚大陆内部。 两地相隔万里，普通的风无法把内陆的尘埃吹到这么遥远的地方。正是沙尘暴，把细小却包含养分的尘土携上3000米高空，穿越大洋，再播种一般把它们撒下来。除了夏威夷群岛，科学家还发现，地球上最大的绿肺―亚马孙盆地的雨林也得益于沙尘暴，它的一个重要的养分来源也是空中的沙尘，沙尘气溶胶含有铁离子等有助于植物生长的成分。 此外由于沙尘暴多诞生在干燥高盐碱的土地上，沙尘暴所挟带的一些沙尘粒中也经常带有一些碱性的物质，所以往往可以减缓沙尘暴附近沉降区的酸雨作用或土壤酸化作用。中国科学院大气物理研究所的王自发先生曾指出：“沙尘暴的确降低了酸雨的酸性。沙尘及其土壤粒子的中和作用使中国北方降水的PH值增加0.8-2.5，韩国增加05.-0.8，日本增加0.2-0.5。如果没有沙尘的作用，那么很多北方地区的酸雨危害要严重得多。” 所以，沙尘暴虽然危害甚大，却也是地球自然生态当中的一个不可缺少的过程。自人类有史以来，便有沙尘暴出现。只是我们应该更积极 地 找寻异常沙尘暴频率发生的机制，以便应对和防治异常沙尘暴对于环境的危害性。 参考文献： 1、 萧涤非等，唐诗鉴赏辞典［ M ］，上海：上海辞书出版社， 1985 ： 605 2、 马东田等，唐诗分类大辞典（上册）［ M ］，成都：四川辞书出版社， 1992 ： 34 ， 40 ， 715 — 796 3、 张国藩， 我国北部沙漠之南移问题［J］，工程 ， 1942 ， 15 （ 6 ）： 13 ～ 20 . （原刊登于《自然杂志》 2009 年 31 卷 6 期）
个人分类: 力学诗话|12587 次阅读|8 个评论
《诗情画意谈力学》序及目录
zdwang 2009-8-14 18:39
《诗情画意谈力学》序及目录
王 振 东 力学是研究物体机械运动和力的作用的科学。力学既是工程科学技术的基础，也是一门基础的自然科学。力学广泛存在于人的生活、自然现象和各种生产过程中，普及力学知识，是力学工作者的责任和义务。 科学普及是一切科学活动的目的和归宿。科学活动的成果，一方面是用物质形式上的普及，改善和丰富了人民的生活，让人民享受科学研究的成果。另一方面在精神上，要较充分地用科普形式，使因社会分工和知识背景的差异，不了解科学活动的人，也能学习科学知识，理解科学精神和科学方法，破除迷信，树立科学的世界观。 科学和艺术，是社会物质和精神财富“金币”的两个侧面。她们互相依托和关联，共同基础都是人类的创造力。历史上，曾经有过科学和艺术相互融会的辉煌年代。后来由于社会分工越来越细，二者才逐渐分开。文理本来是相通的，只是由于人为的原因，才在学校的教学中被分割开来。 中国是一个诗词的国度。唐宋诗词是中国文学史上的瑰宝，千百年来一直传诵不衰。过去人们总是从老子、庄子、墨子等一些思想家的著述中，去寻找古代的力学思想。实际上，唐宋诗词中也有一些佳句，是古人对力学现象观察的精湛描述。 本书所收的力学科普文章，多己在《力学与实践》、《科学》、《自然杂志》等期刊上刊登。现适当修改补充，其内容大致可分为“力学诗话”和“力学趣谈”两部分。 “力学诗话”的文章，力图从唐宋诗词中对力学现象观察和描述的佳句入手，将诗情画意与近代力学的发展交融在一起阐述。 “力学趣谈”的文章，希望结合问题研究的历史，就日常生活、生产中的力学现象，风趣地揭示出深刻的力学道理。 诺贝尔物理奖得主崔琦先生， 在谈到自己为什么会得奖时说：“我就是觉得好玩，我每天走进实验室，我的感觉每天都是新的，不知道实验会产生什么结果，这让我非常好奇。”他是带着一种顽童的心态去做研究，才做出了创新的成果。 希望这本科普小册子，能使读者感受力学魅力、体验诗情人生，有益于读者（特别是大学生、研究生）交融文理、开阔思路和激发创造性。 王振东 2007年12月于天津大学新园村 附： 《诗情画意谈力学》 目录 序言 1、 野渡无人舟自横—漫话流体运动中物体的稳定性 2、 不尽长江滚滚流—漫话流体与流动性 3、但见流沫生千涡一漫话流体中的涡旋 4、郡亭枕上看潮头—漫话潮汐及其开发利用 5、风乍起，吹皱一池春水—漫话流体运动的不稳定性 6、长使英雄泪满襟—漫话润湿现象及其应用 7、车如流水马如龙—漫话交通流动 8、直挂云帆济沧海—漫话各式各样的帆 9、飞湍瀑流争喧豗─漫话流体运动致声和声音的双重作用 10、春蚕到死丝方尽─漫话液体的拉丝现象 11、排云结阵南北行—漫话雁群和飞机的结阵飞行 12、大风起兮云飞扬—漫话流动显示和纳斯方程 13、漫谈卡门涡街及其应用 14、漫谈涂布流动 15、漫谈动物运动对仿生力学的启示 16、孤立波与孤立子 17、非牛顿流体及其奇妙特性 18、腱鞘囊肿治愈记—漫谈材料的触变性 19、奇异的电磁流变液体 20、流变学的研究对象 21、漫谈化工中的流体力学问题 后记 （王振东著，《诗情画意谈力学》，北京：高等教育出版社，2008年6月）
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《力学诗趣》序及目录
zdwang 2009-8-14 18:37
《力学诗趣》序及目录 ​ 1991年7月，在北京召开的中国力学学会《力学与实践》杂志第四届编委会第一次会议上，武际可教授提议就“身边的力学”为话题，深入浅出地写一些可读性强的文章，以改变刊物的文风。后来就笔者在1979年写就，但尚未发表的“野渡无人舟自横”一文，作了适当修改，刊登在1992年第4期《力学与实践》上，从而开辟了“身边力学的趣话”的栏目。为此，《力学与实践》当时的主编、北京大学朱照宣教授还写了一段编者按：“本期开辟的这一‘趣话’小栏目，讲的是我们身边的力学。文体不拘，或庄或谐，可长可短。内容则摆事实，讲力学。要求文质并重，盖‘质胜文则野，文胜质则史’也”。之后，为使这个栏目不断档，武际可教授与笔者就一篇接一篇地写了下来。现应南开大学出版社之邀，将我们二人在“身边力学的趣话”中发表的这些文章，作了一些修改补充，并适当加上一些插图，结集为《力学诗趣》出版。所收入的20篇文章中，1～9和19～20为笔者所撰，10～18为武际可撰写。其中部分文章曾为俄罗斯科学院出版的《力学文摘》（РЕФЕРАТИВНЫЙ ЖУРНАЛ——МЕХАНИКА）所摘录。武际可“捞面条的学问”一文，1996年曾获中国科普作家协会、广播电视部、中国科学技术协会、国家新闻出版署联合颁发的奖励。 中国是一个诗词的国度。唐宋诗词是我国文学史上光辉灿烂的明珠，千百年来，它一直为人们传诵不衰。过去人们总是从老子、庄子、墨子等一些思想家的著述中，去寻找古代的力学思想，但却忘了唐宋诗词中也有一些佳句，是古人对力学现象的精湛描述。本书上编的10篇文章，就是从唐宋诗词中对力学现象观察和描述的佳句入手，将诗情画意与近代力学的发展交融在一起阐述，所以编名起为“力学诗话”。 力学广泛地存在于生活和生产的各个领域，如何利用力学原理去分析和解释日常生活中所遇到的一些力学现象，不仅对进一步理解这些现象有好处，而且对掌握和运用力学规律去处理有关问题，也是有好处的。下编的10篇文章，多是从生活中一些常见的事情谈起，风趣地揭示出深刻的力学原理，编名起为“力学趣谈”。 科学和艺术，是社会物质和精神财富这枚“金币”的两个侧面。她们相互依托，又相互关联，其共同基础都是人类的创造力。从历史上看，曾经有过科学和艺术相互融会的辉煌时代。后来由于社会分工越来越来越细，二者才逐渐分开。文理本来是相通的，也只是由于人为的原因，才在学校的教学中被分割开来。我们在学理的时候，也都爱好文。中国的传统文化既能陶冶情操，又能启迪学理的灵感。 廿一世纪文理交叉融合将是发展的必然趋势。本书反映了我们俩人在大学任教四十年，对力学教学和研究的一些体会，希望能对读者（特别是大学生）交融文理、开阔思路，提高分析问题和解决问题的能力，以更好地激发创造力有所裨益。 谨以这本《力学诗趣》，庆祝《力学与实践》创刊廿周年！并祝贺我们的母校—北京大学百年华诞！ 王 振 东1998年2月于天津大学北五村 附：《力学诗趣》目录 上编 力学诗话 1． 兵无常势，水无常形—漫谈流体与流动性 2．春蚕到死丝方尽—谈液体的拉丝现象 3．郡亭枕上看潮头—漫谈潮汐及其开发利用 4．峡江漱石水多漩—漫谈流体中的旋涡 5．露珠不定始知圆—谈润湿现象与表面张力 6．风乍起，吹皱一池春水—谈流体运动的不稳定性 7．野渡无人舟自横—谈流体运动中物体的稳定性 8．踪迹随风叶，程途犯斗槎—漫谈流动显示及应用 9．飞湍瀑流争喧豗—漫谈流体运动致声 10．夜半钟声到客船—谈声音和波的传播 下编 力学趣谈 11．捞面条的学问—兼谈分离技术 12．倒啤酒的学问—兼谈空泡问题 13．甩鞭子为什么会响—兼谈鞭鞘效应 14．从土豆的内伤谈起—漫谈接触问题 15．怎样制作笛子 16．“噗噗噔儿”与非线性 17．漫话周期运动—天体的运行和乐器的发声 18．力学的发展和钟表的变迁 19．奇妙的非牛顿流体 20．奇异的电磁流变液体 （王振东、武际可著，《力学诗趣》，天津：南开大学出版社1998年10月出版）
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春潮带雨晚来急
zdwang 2009-8-7 11:22
—“野渡无人舟自横”的写作札记 王 振 东 常有人问笔者：你怎么会在力学的学习和研究中，想起将唐宋诗词与力学现象联系起来呢？本文将叙述省悟唐宋诗词中有关于力学现象和知识的经过，力学诗话文章的北大渊源，以及40余年来多次写“野渡无人舟自横”文章过程中遇到的—些趣事。 初识“野渡无人舟自横” 1958年8月，我从北京大学数学力学系力学专业流体力学专门化毕业，分配至交通大学西安部分（西安、上海两部分1960年分家后，才称为西安交通大学）数理力学系任助教，1960年在交大第一次登上讲台，为应用数学专业1957级讲“流体力学”课。1961年初调到天津河北大学数学系任教，由于刚教过“流体力学”，系主任杨从仁教授就立即安排我为数学系1958级讲“流体力学”课。河北大学的蒋子绳副校长（1937年毕业于北京大学物理系），让我去拜物理系的二级教授马沣先生（1897～1966，1921年毕业于北京大学物理系，1922～1926年留学英国里兹大学，1926年获硕士学位，1927年任河北工学院机械系主任）为师，进修流体力学（武际可教授新著［7］中有专段陈述，称马沣先生是民国时期较早从事流体力学教学与研究的学者）。马沣先生1949年后长期卧病，当时在马场道108号西一楼家中己行动不便，我每星期去他家两次，主要学习Milne-thomson的名著 Theoretical Hydrodynamics 。马先生的要求十分严格，每次均需事先用英文写好阅读笔记，并用英文作好书后所附英国著名大学的研究生考题，交先生审阅。一次在用复变函数方法，演算椭圆柱在平行来流中的受力情况时，得到椭圆长轴与来流垂直时为稳定平衡位置的结论，马沣先生笑着说：这就是唐诗中的“野渡无人舟自横”。从马先生家回来后，立刻去学校图书馆找出（清）蘅塘退士编的《唐诗三百首》，非常高兴地查到了韦应物的七绝“滁州西涧”： 独怜幽草涧边生，上有黄鹂深树鸣 ； 春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。 初次认识到古人早就对我所算流体力学题目的结论有所认识，并仅仅用了七个字便将此力学现象活脱脱地勾画了出来。 不久，1963年河北大学举行了首届科学报告会，我在所作的“二维流动的复变函数方法”报告中，指出了中唐诗人韦应物的诗句“野渡无人舟自横”，描述的正是流体力学的现象。这洗练的诗句里凝聚了诗人对力学现象的洞察力。 一写“野渡无人舟自横” 1970年河北大学在文革“备战”的气氛下由天津迁到保定，1972年2月军宣队让我去设在安新县白洋淀的河大五七农场种水稻。在当时特殊的历史环境下，空余时间不能看业务书，但可以读领袖喜欢的唐宋诗词。由于在北大读书时，周末及假期常去听文科举办的各种讲座，在燕园浓厚的人文氛围熏陶下，对古诗词很感兴趣，再加上马沣老师的启发引导，我将唐诗三百词，宋词一百首等几本古代诗词书，以及北京大学中文系王力教授的“诗词格律十讲”带去了白洋淀农场。劳动之余细读品味，很受启发，从流体力学的角度看，悟到了有不少诗词是以流体运动现象来抒情阐理。当时还写了一点读书笔记和打油诗，如“挑沟常见卡门涡，给排渠水思流力”，“看畦余暇诗词赏，身心陶淑载文回”。这为后来写作多篇力学诗话的文章作了准备。 文革结束后，各种学会开始恢复学术活动。在河北物理学会1978年举行的学术报告会上，我作了“野渡无人舟自横─兼论二维流动的复变函数方法”的报告，受到了欢迎。有趣的是，这篇以七绝“滁州西涧”开始切入正题的报告，竟然在事隔18年后，促使了与另一学者相识。那是1996年参加天津市的一次活动时，有位河北工学院物理学教授过来与我打招呼，我不认识他，他却说：你不是1978年作过“野渡无人舟自横”的报告吗！我听后真是十分惊讶和感慨，没想到这一诗句竟成了我们认识的话题。 1986年底我调至天津大学力学系任教。给工程力学专业1985级讲“流体力学”课时，1987年底的最后一堂课，正好是讲用复变函数方法求解平面流动问题，作为例题讲到了椭圆柱长轴垂直于来流方向时是稳定的平衡位置。已临近中午下课时间，我在黑扳上写下了七绝“滁州西涧”，并指出这个例题得到的结论就是“野渡无人舟自横”，这时全班突然响起了长时间的热烈掌声。掌声使我很感动，说明文理是相通的，大学生非常欢迎在理工科课堂教学中融入我国的传统文化。 二写“野渡无人舟自横” 1991年我加入了《力学与实践》第四届编委会。7月在回龙观饭店召开的编委会上，上届主编北京大学武际可教授提议以“身边的力学”为题，深入浅出地写一些大学生容易看懂，而且有趣味的文章，以改变刊物的文风。我以在河北物理学会的报告稿为基础，修改后寄给了杂志。不久收到编辑部来信，建议将公式推导部份列为附录，以加强文章的可读性。我接受了建议，又修改使文章的科普色彩更加浓厚，就成了在1992年4期上发表的“野渡无人舟自横—谈流体运动中物体的稳定性”一文。 这篇文章是作为“身边力学的趣话”栏目开篇文章发表的，当时的主编北京大学朱照宣教授为这个新开栏目加了编者按：“本期开辟的这一‘趣话’小栏目，讲的是我们身边的力学。文体不拘，或庄或谐，可长可短。内容则摆事实，讲力学。要求文质并重，盖‘质胜文则野，文胜质则史’也。” 文章刊登后，天津大学力学系的舒玮教授告诉了我一个“笑话”：20世纪50年代天津大学理论力学教研室有位老先生曾出过一个谜语：谜面是“野渡无人舟自横”，打一人名。谜底是：“周恒”。（周恒是天大力学系教授，1993年当选中科院院士）。 为了使《力学与实践》杂志新开辟的“身边力学的趣话”栏目文章不断档，武际可与我便一人一篇地接着写了下去，当年在白洋淀农场对唐宋诗词的品味和体会，被拿上了案头。后来中国科普作家协会副理事长汤寿根先生在《科技日报》上撰文，说我们俩在“打科普擂台”，其实是笑谈而己。就这样，我陆续在《力学与实践》上发表了10多篇由唐宋诗词切入的力学诗话科普文章。 三写“野渡无人舟自横” 1997年天津《今晚报》副刊刊登了博导征文启事，我以“野渡无人舟自横”为题写了一篇短文应征，刋于1997年9月20日副刊“日知录”拦目（后又收入1998年天津人民出版社出版的《博导晚谈录》一书）。这篇短文主要是引了韦应物的几首诗，说明诗句中反映了不少力学道理。1997年11月18日出版的中学《语文报》又全文转载了它。 有趣的是《今晚报》的这篇短文促成了一个跨学科的合作。天津医科大学80多岁的老专家陈世畯教授看了《今晚报》副刊的短文后，托天大精仪系的一位副教授找到我，约去他的办公室晤谈。这次会面的讨论，促成了用我们在湍流实验中分析湍流数据的子波分析软件，对同为时间序列的脑电波数据进行分析，寻找奇异点与病变之间的联系，取得了很好的效果。 南开大学出版社的李正明编审见到《今晚报》上文章后，打电话约为“大学生丛书”写一本书，开始我觉得工作量太大，没有时间承担，便谢辞了。后经再三诚邀，想起可将我与武际可5年来在“身边力学的趣话”中发表的文章集为一册。于是将我们在这个栏目中刊登的20文章，适当修改补充，并加了一些图，分为“力学诗话”、“力学趣谈”两部分，在1998年10月出版了《力学诗趣》书。1998年是母校北京大学建校百年，1999年又是《力学与实践》杂志创刊20年，所以在序言中写了以这本书献给母校北大百年华诞，并庆祝《力学与实践》杂志的创刊20年。《力学诗趣》出版后，收到了王仁、冯元桢等前辈老师来信赞扬，2001年4月20日《科技日报》发了专版评介。2001年5月还获得了中国科学技术协会、中华人民共和国新闻出版总署、国家自然科学基金委员会、中国作家协会共同颁发的第四届全国优秀科普作品二等奖。 1995年舒玮教授作为专家组组长，去北京大学评审湍流国家重点实验室时，会间休息听到有人对力学诗话文章的议论：“野渡无人舟自横”一文中流体力学分析还不能使人信服，因为实际流动是三维的黏性流，还有涡旋区，而分析是对理想流体的二維流动进行的。舒教授回天大后建议作实验来检验。我们在水槽中作了实验，证实了文中的计算分析结果，也说明虽然椭圆柱后面有涡旋区，黏性流体三维运动的流场也相当复杂，但以理想不可压缩流体二维流动的简化模型，来研究流体运动中物体的稳定性这一问题，是抓住了问题本质的，橢圆柱的稳定平衡位置确实为其长轴与来流相垂直的情况。这一实验结果以“野渡无人舟自横的实验研究”为题，刊登在《力学与实践》2000年22卷1期上。 四写“野渡无人舟自横” 2003年初上海科学技术出版社毛文涛副总编，邀我为1915年创刊的《科学》杂志撰文，并希望见到类似《力学诗趣》中那样的诗话文章。 《力学与实践》1992年发表“野渡无人舟自横”文以后的10多年，我在阅读古代诗词及文学著作时又看到了几段与此力学现象有关的诗文，如： 宋代宰相寇準在进士及第，初知巴东县（今湖北巴东县西北）时，登高楼眺望也作了一首五言律诗《春日登楼怀归》： 高楼聊引望，杳杳一川平。野水无人渡，孤舟尽日横。 荒村生断霭，古寺语流莺。旧业遥清渭，沉思忽自惊。 诗的前三联写春日登楼见闻，尾联由见闻而怀归。清人何文煥曾评论“野水无人渡，孤舟尽日橫”此联，说寇準登楼看见相仿景色时，很自然地受到《滁州西涧》诗的触发，便随手点化了韦句，而意境却比韦诗来得更加丰厚。 宋代词人廖世美的词《烛影摇红：题安陆浮云搂》，其后半片写道： 催促年光，旧来流水知何处？断肠何必更残阳， 极目伤平楚。晚霁波声带雨。悄无人、舟横野渡。 数峰江上，芳草天涯，参差烟树。 “晚霁波声带雨。悄无人、舟横野渡。”确也写出了与韦应物同样观察到的自然现象。 还很有趣的是我国古代四大名著之一、明代罗贯中所著《三国演义》的第四十九回“七星坛诸葛祭风，三江口周瑜纵火”，对这一现象也有一段颇精彩地描述：（天津百花文艺出版社1994年版） （孔明“借”得东风后，即乘赵子龙前来接应的船返夏口。周瑜急唤帐前护军校尉丁奉、徐盛二将各带一百人，分水陆两路追杀孔明。） 徐盛教拽起满帆，抢风而驶。遥望前船不远，徐盛在船头高声大叫：“军师休去！都督有请。”只见孔明立于船尾大笑曰：“上复都督：好好用兵，诸葛亮暂回夏?，异日再容相见。”徐盛曰：“请暂少住，有紧话说。”孔明曰：“吾己料定都督不能容我，必来加害，预先教赵子龙来相接。将军不必追赶。”徐盛见前船无蓬，只顧赶去。看看至近，赵云拈弓搭箭，立于船尾大叫曰：“吾乃常山赵子龙也！奉令特来接军师。你如何来追赶？本待一箭射死你来，显得两家失了和气。教你知我手段！”言讫， 箭到处，射断徐盛船上篷索 。 那篷堕落下水，其船便横 。赵云却教自己船上拽起满帆，乘顺风而去，其船如飞，追之不及。 箭到处，那篷堕落下水，其船便横。这段话明确指出了，在湍急的河流中，帆落下、失去风力推动而不能行驶的船，只好横在河中这一自然现象。 因此，为发行量很大的《科学》杂志再次改写“野渡无人舟自横”一文时，将以上2段古代诗词和《三国演义》第四十九回的有关内容，加了进去，又写入了2000年发表的实验研究结果，并删去了原来附录的大段数学公式推导，希望新改写的文章能适合中学以上文化水平的广大读者阅读。再写此文时，也对科学普及写作亦有了一点新体会：因为对科学的认识总会不断深入，新生代又在不断产生，所以科普是没有止境的。 2006年是马沣先生在文革中受迫害逝世40周年，仅以此文纪念启引我进入力学诗话写作的马沣先生！ 参考文献 1、王 1. 王振东，二维流动的复变函数方法，河北大学首届科学报告会，1963天津 2、 2.王振东，野渡无人舟自横─谈流体运动中物体的稳定性，力学与实践，1992，14（4）：76～78 3、 3.王振东，野渡无人舟自横，今晚报，1997-09-20； 博导晚谈录，天津：天津人民出版社，1998：346～348 4.王振东、武际可，力学诗趣，天津：南开大学出版社，1998：50～56 5. 王振东 等，“野渡无人舟自横”的实验研究，力学与实践，2000，22（1）：70，75～77 6.王振东，野渡无人舟自横─漫话流体运动中物体的稳定性，科学，2004，56（1）：40～41 7. 武际可，近代力学在中国的传播与发展，北京：高等教育出版社，2005 8、武际可，挖掘和阐述科学之美，科技日报，2001-04-20 9、王振东，普及是科学的力量所在，科技日报，2001-04-20 10、汤寿根，从两位教授科普打擂台说起，科技日报，2001-04-20 （原刊登于《力学与实践》2006年28卷3期） 注：“野渡无人舟自横 — 漫话流体运动中物体的稳定性 ”一文，己放在科学网上 捡索号是 http:/www.sciencenet.cn/m/user content.aspx？id =210706
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云沙泱漭天光闭
热度 1 zdwang 2009-6-18 05:44
云沙泱漭天光闭
—漫话 沙尘暴及其形成原因 王 振 东 云沙泱漭天光闭，河色阴沉海色凝 崆峒异国谁能托，萧索边心常不乐。 这是唐代诗人胡皓《大漠行》的一段，形象地描述了西北大漠的沙尘天气，泱（yāng）指弘大，漭（mǎng）是广阔无边的意思，“云沙泱漭天光闭”形象地形容了沙尘暴使得天光失色的情景。 在唐诗中还有不少关于沙尘暴的描述，如： 崔湜 《塞垣行》 疾风卷溟海，万里扬沙砾。 仰望不见天，昏昏竟朝夕。 李白《北上行》 沙尘接幽州，烽火连朔方。 杀气毒剑戟，严风裂衣裳。 岑参《武威送刘单判官赴安西行营便呈高开府》 赤亭多飘风，鼓怒不可当。 有时无人行，沙石乱飘扬。 崔融《西征军行遇风》 北风卷尘沙，左右不相识。 飒飒吹万里，昏昏同一色。 李益《度破纳沙二首》之一 眼见风来沙旋移，经年不省草生时。 莫言塞北无春到，总有春来何处知。 佚名《婆罗门》 回乐峰前沙似雪，受降城外月如霜。 不知何处吹芦管，一夜征人尽望乡。 沙尘暴是我国西北地区和华北北部地区出现的强灾害性天气，可造成房屋倒塌、交通供电受阻或中断、火灾、人蓄伤亡，污染自然环境，破坏作物生长，给经济建设和人民生命财产安全造成严重的损失和极大的危害。 一场沙尘暴，发生在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古……和发生在北京，是大不相同的。在西部边远地区，多一场、少一场，搅不起多大动静，而在北京发生一场沙尘暴，则会沸沸扬扬。 由于近年来沙尘暴常在北京的春天出现，引起了人们的普遍关注，本文试从流动不稳定性的角度来讨论沙尘暴的起因。 沙尘暴形成有三个要素：即强风、沙尘源和不稳定的空气。 强风，是指足够强劲持久的大风，这是形成沙尘暴的动力条件。例如根据观测当强沙尘暴形成时，如果风速每秒达到 30 米 (11 级风 ) ，那么粗沙 ( 直径 0.5~1.0 毫米 ) 会飞离地面几十厘米，细沙 ( 直径 0.125~0.25 毫米 ) 会飞起 2 米高，粉沙 ( 直径 0.05~0.005 毫米 ) 可达到 1.5 公里的高度，细尘埃 ( 直径小于 0.005 毫米 ) 则可飞到更高的高度。 沙尘源，是形成沙尘暴的物质基础。我国是世界上沙漠较多的国家之一，西北、华北和东北地区是我国沙漠和沙地集中分布的地方，这里沙漠和沙地面积达 70 万平方公里以上，沙漠中各式各样的沙丘，依照它们的稳定程度分为流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘。当强风发生时，流动沙丘扬起沙尘的数量最大，半固定沙丘要小一些，固定沙丘最小。除沙漠和沙地外，我国北方地区多属中纬度干旱和半干旱地区，地面多为稀疏草地和旱作耕地，植被稀少，加上人为破坏，当春季地面回暖解冻，地表裸露，狂风起时，沙尘弥漫，在本地及狂风经过的地带形成沙尘天气。 不稳定的 空气 ，有利于强对流发展，以夹带更多的沙尘卷扬得更高 。生活中的有一个常见的例子可以说明流动不稳定的影响：在捅火炉的时候，炉火烧得正旺，轻轻一捅，常会使炉灰飞满屋子；而当炉火熄灭后，使较大的劲捅，一般也不会扬起灰尘。这是因为炉火熄灭后，火炉上下的空气温度相差不大，因而空气稳定；当炉火燃烧很旺时，火炉上面的空气是不稳定的，靠近火炉上空的空气热，离火炉较远的空气较凉，热空气比冷空气轻，容易上升。所以，被捅火炉的灰很容易随着热空气向上升，飘飞满屋。 在自然界里，沙尘暴起沙尘的道理也是同样的，如果低层空气温度较低，比较稳定，受风吹动的沙尘将不会被卷扬得很高；如果低层空气温度高，则不稳定，容易向上运动，风吹动的沙尘将会卷扬得很高，从而形成沙尘暴。 实际上，我国沙尘暴一般在午后或午后至傍晚时刻最强，就是因为这是一天中空气最不稳定的时段。 北京 2006 年 4 月 16 日下午发生的沙尘暴，曾引起大家议论纷纷为“满城尽带黄金甲”。专家们曾对这次降尘的沙尘样本做过捡测，由粒度的分析发现降尘中粒度直径小于 0.074 毫米的粉尘物质，占 96 ％ 以上，所以严格地说，这实际上是一场尘暴；化学成份的分析还表明，这些沙尘有很大部分来自干旱农田、撂荒地和退化的草场。 沙尘暴是一种全球气候现象。主要发生在风大的干旱地区。如中亚、北美干旱地区，澳大利亚、北非等地。我国的沙尘暴属于中亚干旱区。 张国藩教授1942年在西北工学院时，曾对风沙问题进行了研究。他用流体力学的观念，分析风夹沙的运动，写出了《我国北部沙漠之南移问题》一文，认为比空气重很多倍的粗沙，之所以会随风飘移，是由于空气湍流作用所致，根据湍流的普朗特混合长理论，分析粗沙在湍流作用下沿铅垂方向的浓度分布。然后推导出在风力作用下飘移沙量的公式，公式中除包含有关空气和粗沙的物理常数外，还与大气边界层的厚度、粗沙粒径的分布有关。他应用公式预测了我国北部沙漠在风力作用下，向南推移的输沙量。在缺乏观测资料的条件下，引用了一些相近似的外国数据进行计算，得到的结论是：我国北部沙漠将以每年7.65乘10的10次方吨的输运量向南迁移。若将此风沙量分布到内蒙、新疆的一部分，以及甘肃、陕西、山西、河北、河南各省，则每年沙的堆砌厚度可达0.47英寸。 据马恩春教授回忆，当时张国藩教授曾将此论文公布在原西北工学院的壁报上，对沙漠在风力作用下的扩大，提出了科学的论断，并呼吁对沙漠扩大现象进行控制，引起全校师生的广泛兴趣。后来，又在兰州召开的中国工程师学会上正式宣读，获得了工程学会论文奖。F.A.Zenz 1956年评价这一工作时认为：这是最早对气体或液体输送颗粒这一问题，所做的基础性研究。 在工程上，气流运沙有时也可用于某种具体的工程需要，例如河北唐山曹妃甸就在使用吹沙造地。
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排云结阵南北行
zdwang 2009-6-4 05:24
排云结阵南北行
—漫话雁群和飞机的结阵飞行 王 振 东 春辉满朔方，候雁发衡阳。 望月惊弦影，排云结阵行。 往还倦南北，朝夕苦风霜。 寄语能鸣侣，相随入故乡。 这是唐代诗人李峤的五言诗《雁》，己经写到雁群转移南北时，结阵飞行的景象。另一位唐代诗人张九龄所写五言诗《二弟宰邑南海见群雁南飞因成咏以寄》也写到： 鸿雁自北来，嗷嗷度烟景。 尝怀稻梁惠，岂惮江山永。 大小每相从，羽毛当自整。 双凫侣晨泛，独鹤参宵警。 为我更南飞，因书至梅岭 。 这两首五言唐诗都写到我们现在常看到的景象：每当秋冬季节，大雁就从俄罗斯西伯利亚一带，成群结队、浩浩荡荡地飞到我国的南方气候温暖的地方过冬。第二年春天，它们再经过长途旅行，回到俄罗斯西伯利亚产蛋繁殖。 《吕氏春秋》所说 孟春之月鸿雁北，孟秋之月鸿雁来 正是雁群南来北往飞行的写照。 大雁的飞行速度很快，每小时能飞68～90公里，几千公里的漫长旅途中，雁群的队伍组织得十分严密，常常排成人字形，一边飞着，一边还不断发出“嘎、嘎”的叫声。大雁的这种叫声起到互相照顾、呼唤、起飞和停歇等的信号作用。 大雁在向南、向北迁徙飞行时， 常是几十只、数百只汇集在一起，互相紧接着列队而飞，古人称之为“雁阵”。 那么，大雁为什么会保持整齐的队形，排成“人”字形的“雁阵”飞行呢？ 有人认为：大雁属于鸟类中极有组织性和纪律性的一类飞禽。它们不但十分讲究团结友爱，而且还互相帮助。大雁排成整齐的人字形飞行，是一种集群的本能表现。因为这样有利于防御敌害。雁群总是由有经验的老雁当“队长”，飞在队伍的前面。幼鸟和体弱的鸟，大都插在队伍的中间。停歇在水边找食水草时，也总由一只有经验的老雁担任哨兵。如果孤雁南飞，就有被敌害吃掉的危险。 本文所讨论的问题是：雁群结阵飞行与力学有怎样的关系？排成“人”字形有什么力学道理吗？ 雁飞行的升力 雁扑翼飞行 雁飞行的诱导阻力 由于气流具有从高压力处向低压力处流动的特性，因此在无阻档的翼梢处，高压力的下翼面气流会向低压力的上翼面翻转，因而使得下翼面气流向翼梢处偏转，上翼面气流则向翼根处偏转。这样将减少上、下翼面压力差，使得升力有所减小，与升力直接有关的有效迎角（翼型弦线和飞行方向间的夹角）也减少了 度，形成了 翼面上的气流偏转会使得在翼后有尾涡拖出，并在向下游发展时逐渐卷起，这可由实验观察到，也可通过计算得出。从能量角度来看，卷起强涡旋的气流总是要多带走一些动能，也就是为抵消诱导阻力需要多消耗能量。 雁群的结阵队形 实际上在翼面后将会形成包括翼梢强涡旋在内的复杂的尾涡系，下图给出了在翼后的不同流向位置的尾涡横截面所组成的分层曲线。这个复杂的涡系，将对流场中任何一点都会产生诱导速度。 上图为一典型的在翼面下游的诱导速度场，其中间部分有向下的诱导速度，而在两外侧，则有向上的诱导速度，并随在翼后的流向、法向距离和展向位置而变化。当雁进入前面雁后的流场时，在流场的不同位置会有不同的结果。若在前飞雁的正后方，会遇到向下的诱导气流，反而要比前面无雁时的单独飞行付出更多的能量；但若在前飞雁后方的两侧适当位置，则会受到向上的诱导气流而省力。 雁群迁徙 一次大约需连续飞行1～2个月，因此它们需要摸索飞行的窍门，有效地节约体力。对于长途跋涉的雁群来说，排成人字形的飞雁队形，由强壮的领头雁（体能消耗最大）在前领飞，而其后各雁都能利用前面雁飞行时所产生的有利向上气流，以滑翔的方式来节省体力，则能减少体能消耗而受益。 “头雁”因为没有这股微弱的上升气流可资利用，很容易疲劳。 当领飞的头雁疲倦了，它会退到侧翼，另一只雁则接替飞在队形的最前端。 所以在长途迁徙的过程中，雁群需要经常地变换队形，更换“头雁”。有人研究指出， 借着人字队形，整个雁群比每只雁单飞时，能增加50%以上的飞升能力。 所以，在无强侧风的情况下，雁群按人字形结阵飞行，是符合流体力学原理的合理队形。 航空表演的结阵飞行 飞机列队进行航空表演的情况，与雁群结阵飞行的情况很类似。从下面几幅航空表演的照片，可以清楚看出，机群也常按照流体力学原理，排成“人”字形进行航空表演，除排在最前面的领先飞机外，其他的飞机都在前面飞机的后侧合适部位飞行，既美观又省力、省油。 在军事上，为使飞机在空中执行任务的续航时间增加，或者能少带油料多带弹药，就有飞机在空中加油的需要，所以人们又专门制造了空中加油机。在空中加油时，去加油的飞机常在被加油飞机的后侧面进行加油作业，如下图所示 。 对田径运动员的启示 大雁排队飞行，可以减少侧后大雁飞行的能量消耗，这对中长跑运动员也有启发，运动员在中长跑比赛时的开始阶段，紧随在领头队员的后面也可省力，这当然己不是因为利用上升气流的关系，而是在前面队员的身后涡旋区中跑，可减少阻力。在中长跑比赛中，一些有经验的运动员并不在一开始就去领跑，而是在领跑运动员的后面跟跑，因为这样会使其跑步时的体能消耗比领先的小。等到冲刺阶段的前夕，再发力突然加速，超过原领跑者。 相同的情况在长途自行车运动赛场上也有。经常可见到有实力、有心计的自行车运动员，在长途自行车赛的一开始，紧随在领骑运动员的后面涡旋区中跟骑，以减少体能消耗，等到接近冲刺阶段，再突然发力加速，超过原领骑者，尽全力冲刺获得冠军。由于大家都知道了这种战术，以致现今在自行车比赛的规则中，对此战术己有所限制，对跟随的距离有规定，不允许跟得太近。 有人在美国的高速公路上也有过这样的体验，跟在加长大货车的后面开小轿车，一段路程跑下来，觉得确实省力又省油，也是同样的道理。 参考文献 1．李峤，雁，唐诗分类大词典（下册），成都：四川辞书出版社，1992：3991 2．张九龄，二弟宰邑南海见群雁南飞因成咏以寄，唐诗分类大词典（下册），成都：四川辞书出版社，1992：3992 3．唐登斌、王振东，大小每相从，排云结阵行—从雁群结阵飞行谈起，力学与实践，2001，23（5）：79―80 （刊登于《自然杂志》2009年31卷2期，现又补充了图片）
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直挂云帆济沧海
zdwang 2009-5-7 08:02
直挂云帆济沧海
— 漫话各式各样的 帆 王 振 东 说起帆，人们就会想起一句口头常用于美好祝愿的成语：“一帆风顺”。挂上帆，遇顺风，则能更快航行，平安到达目的地。 在唐宋诗词中，有很多以帆来寄情思、诉衷情的诗句，仅李白就有多首，如脍炙人口的七绝 《黄鹤楼送孟浩然之广陵》 故人西辞黄鹤楼，烟花三月下扬州。 孤帆远影碧空尽，唯见长江天际流。 下半联说的就是送别孟浩然时，恋恋不舍的心情：目光望着帆影，一直到帆影逐渐模糊，消失在碧空的尽头。 七绝 《望天门山》 天门中断楚江开，碧水东流至此回。 两岸青山相对出，孤帆一片日边来。 传神地描绘出挂帆的小船，乘风破浪，越来越靠近天门山时的情景，饱含了诗人欣睹名山胜景、目接神驰的激情。 七绝 《哭晁卿衡》 （晁卿，又名朝衡，日本人，原名阿信仲麻吕，系由日本来中国求学人员） 日本晁卿辞帝都，征帆一片绕蓬壶。 明月不归沉碧海，白云愁色满苍梧。 蓬壶是传说中的蓬莱仙岛，泛指海外三神山。诗人在这里以诗句，自然而又潇洒地抒发了对晁卿的哀思。 七言古诗 《行路难》之一 金樽清酒斗十千，玉盘珍羞直万钱。 停杯投箸不能食，拔剑四顾心茫然。 欲渡黄河冰塞川，将登太行雪满山。 闲来垂钧碧溪上，忽复乘舟梦日边。 行路难，行路难！多歧路，今安在。 长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。 诗指出，虽然前路崎岖、障碍重重，但总会乘长风破万里浪，挂上云帆，横渡沧海，到达理想的彼岸。 五言律诗 《夜泊牛渚怀古》 牛渚西江夜，青天无片云。登舟望秋月，空忆谢将军。 余亦能高咏，斯人不可闻！明朝挂帆去，枫叶落纷纷。 牛渚是安徽当涂西北紧靠长江的一座山，北端突入江中，即著名的采石矶。诗人在回忆几百年前“谢尚闻袁宏咏史”事之后，联想明朝挂帆离去的情景：在飒飒秋风中，片帆高挂，客舟即将离开牛渚；枫叶纷纷飘落，象是无言地送着寂寞离去的行舟。 其他唐宋诗词名家也有许多以帆叙述各种情思的诗词，如： 李商隐的七律 《隋宫》 紫泉宫殿锁烟霞，欲取芜城作帝家。 玉玺不缘归日角，锦帆应是到天涯。 于今腐草无萤火，终古垂杨有暮鸦。 地下若逢陈后主，岂宜重问后庭花？ 七绝 《惰宫》 乘兴南游不戒严，九重谁省谏书函？ 春风举国裁宫锦，半作障泥半作帆！ 高适的七律 《送李少府贬峡中王少府贬长沙》 嗟君此别意如何，驻马衔杯问谪君。 巫峡啼猿数行泪，衡阳归雁几封书。 春枫江上秋帆远，白帝城边古木疏。 圣代即今多雨露，暂时分手莫踌躇。 卢纶的七律 《晚次鄂州》 云开远见汉阳城，犹是孤帆一日程。 估客昼眠知浪静，舟人夜语觉潮生。 三湘秋鬓逢秋色，万里归心对月明。 旧业己随征战尽，更湛江上鼓鼙声！ 刘禹锡的七律 《酬乐天扬州初逢席上见赠》 巴山楚水凄凉地，二十三年弃置身。 怀旧空吟闻笛赋，到乡翻似烂柯人。 沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春。 今日听君歌一曲，暂凭杯酒长精神。 孟浩然的五言律诗 《早寒有怀》 木落雁南渡，北风江山寒。我家襄水曲，遥隔楚云端。 乡泪客中尽，孤帆天际看。迷津欲有问，平海夕漫漫。 刘长卿的五言律诗 《饯别王十一南游》 望君烟水阔，挥手泪沾巾。飞鸟没何处，青山空向人。 长江一帆远，落日五湖春。谁见汀州上，相思愁白苹。 王湾的五言律诗 《次北固山下》 客路青山下，行舟绿水前。潮平两岸阔，风正一帆悬。 海日生残夜，江春人旧年。乡书何处达？归雁洛阳边。 韦应物的五言律诗 《夕次盱贻县》 落帆逗淮镇，停船临孤驿。浩浩风起波，冥冥日沉夕。 人归山郭暗，雁下芦洲白。独夜忆秦关，听钟未眠客。 《赋得暮雨送李胄》 楚江微雨里，建业暮钟时。漠漠帆来重，冥冥鸟去迟。 海门深不见，浦树远含滋。相送情无限，沾襟比散丝。 温庭筠的 《忆江南》 词 梳洗罢，独倚望江楼。 过尽千帆皆不是，斜晖脉脉水悠悠。 肠断白苹州。 叶梦得的 《贺新郎》 词 万里云帆何时到？送弧鸿、目断千山阻。 孙光宪的 《浣溪沙》 词 蓼岸风多桔柚香，江边一望楚天长，片帆烟际闪孤光。 目送征鸿飞杳杳，思随流水去茫茫，兰红波碧忆潇湘。 我国殷商时期（ 3600 年 ～ 3066 年前）的甲骨文中，己有“凡”，即“帆”字，并己完全具备制作风帆的材料、工具和技术。由此可知，我们的祖先至少在 3000 多年前，就能制作比较成熟的风帆了。 帆船是人类和大自然和谐相处求发展的一个见证，帆船的历史同人类文明史一样悠久。 锦帆应是到天涯 地走一个弯曲的之字形路线，调整帆的朝向使其可受侧风作用，示意图（ b ）是在逆风行船时，船头偏向一侧的典型受力示意图。由此可见，帆已从用于顺风航行，逐步用到侧风行船，直到巧妙地在逆风中也能用帆助船行。总之，不论风向与航向成任何角度，借助风力，帆总能助船远行。 帆船的发展令人瞩目，从在小河里行驶的单帆船，发展到能横渡海洋的大型多帆船。 600 多年前，我国明代郑和下西洋时所用的，就是大型多帆船队。 中国是世界上造船航海历史最悠久的国家之一。唐代对外贸易的商船 直达波斯湾和红海之滨，所经航路被誉为“海上丝绸之路”。那时 使用的海船具有 9 个水密隔舱，抗沉性好，并设有帆和舵，可利用侧 逆风行驶。 12 世纪初，中国首先将指南针用于航海导航。 15 世纪初 至 30 年代，郑和率巨大船队 7 次下西洋，所用宝船有 9 桅 12 帆，长 44 丈，宽 18 丈。船队大小船 200 余艘，最远航程到达非洲东岸现今的索马里和肯尼亚一带。 帆船运动是奥运项目 帆船运动是集娱乐性、观赏性、探险性、竞技性于一体的项目，它是借助风帆推动帆船在规定距离内竞速的一项水上运动，目前已经成为世界沿海国家和地区常见的体育活动之一。 现代帆船运动起源于荷兰。 1660 年荷兰的阿姆斯特丹市长将一条名为 " 玛丽 " 的帆船送给英国国王查理二世。 1662 年查理二世举办了英国与荷兰之间的帆船比赛。 1720 年爱尔兰成立皇家科克帆船俱乐部。 1851 年英国举行环怀特岛国际帆船赛。 1870 年美国和英国首次举行横渡大西洋的美洲杯帆船赛。 早在 1896 年第一届奥运会上帆船运动就被列为正式比赛项目，但由于天气条件不好，临时取消了比赛。 1900 年第二届奥运会在法国巴黎举行，帆船运动共进行 7 个级别的比赛。以后除在美国圣路易举行的第三届奥运会没有帆船比赛，其余各届奥运会都进行了帆船比赛。但比赛级别在不断变化，船艇也不断地改进。玻璃钢的问世，使船艇的造价降低，工艺水平提高，轻巧而小型的帆船逐渐替代了过去的老式帆船。从 1976 年第 21 届奥运会开始，已全部是船体小型的帆船。比赛级别最多的是 25 届巴塞罗那奥运会，男女共 10 个级别。从 1988 年奥运会起，将原男女混合的项目改为男、女分设的单独项目。 比赛在开阔的海面绕标航行，场地由 3 个浮标构成等边三角形，每段航道长度不少于 2 海里～ 2 ． 5 海里。 帆船运动项目中包括有帆扳运动。帆板运动是介于帆船和冲浪之间的新兴水上运动项目，帆板由带有稳向板的板体、有万向节的桅杆、帆和帆杆组成。运动员利用吹到帆上的自然风力，站到板上，通过帆杆操纵帆使帆板产生速度在水面上行驶，靠改变帆的受风中心和板体的重心位置在水上转向。因和冲浪运动有密切关系，故又称风力冲浪板或滑浪风帆。 2008 年 8 月在青岛举行的第 29 届北京奥运会帆船项目设有 9 个级别 11 项比赛。 其中男子项目：男子 470 级，男子激光级，男子星级，男子帆板；女子项目：女子 470 级，女子英凌级，女子雷迪尔级，女子帆板；混合项目：芬兰人级， 49 人级，托纳多级。 鸟翅和机翼上的帆 人们也观察到，鸟的翅膀端处，不同排列开的大羽毛也能起到帆（片）的作用。近年来，更是发展到在飞机的机翼上加“帆”助飞。因此，思考帆的作用原理和功能，是件有趣的事情。 鸟在天上飞，必须借助于翅膀（羽翼）才能升起和前进。人们观察到，天上的飞鸟（尤其是大型飞鸟）有时在羽翼的翼梢处，呈现出特殊的排列。细致地观察可发现，这些在翼尖处展开的大羽毛，不仅是分开的，而且不在同一个平面上，成不同的角度，并随状态而变。实际上，这些大羽毛成了一片片具有帆一样功能的“帆片”，能够产生向前推进的分力（减少了阻力）。 受到鸟飞行时羽翼的形状的启发，人们希望在机翼也添上像“帆片”一样的东西，以改进飞机的设计。 飞机设计的一个重要指标，是要减少飞行的阻力。机翼为飞机提供了升力，却同时又增加了诱导阻力（其系数与升力系数平方成正比），这是由于在机翼的翼尖处形成了强翼尖涡系，它与翼尖的形状直接有关。所以人们对翼尖处的配置做了很多研究，在翼尖处装上了称为“帆片”（ sails ）的很小的辅助翼面（亦称“翼梢小翼”），并可以有不同形状、大小和排列方式，类似于鸟的羽翼尖处的大羽毛，它能够有效地改变翼尖处的流动特性，非常好地减少了飞行阻力。研究表明，机翼加上帆片后，会打碎导致阻力大增的翼尖强涡旋系，使其强度减弱，增加了机翼的有效展弦比，增大了翼尖处的局部有效攻角，从而增加了推动飞机向前的力。 当你乘坐在波音飞机机翼附近的窗口位置时，很易看到，在飞机降落过程中，机翼后缘处的“帆片”不断地在运动，有时伸出去，有时还会转一定角度。这都像鸟飞行时调整其羽毛那样，以调整其“帆片”，增大飞行阻力，使客机更好地安全降落和减速。 参考文献 1 、 1、 周光 坰 ，从考古看史前流体力学的发生和发展［ J ］，力学与实践， 2001 ， 23 （ 6 ）： 62 2、 唐登斌、王振东，孤帆一片日边来 ─ 漫谈船、鸟、飞机的“帆”［ J ］，力学与实践， 2002 ， 24 （ 6 ）： 74-76 3、唐 诗三百首（图文本）［M］，北京：宗教文化出版社，2001 4 4、 宋词三百首（图文本）［M］，北京：宗教文化出版社，2001
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微风动柳生水波
zdwang 2009-4-16 21:11
微风动柳生水波
─韦应物涉及力学现象的诗 王 振 东 唐代诗人韦应物有多篇涉及力学现象（及咏物）的诗篇，现将它们归在—起来进行赏析和讨论。 韦应物的人生经历 韦应物（约735—约792年），京兆杜陵（今陕西省西安市东南）胄贵里人。其高祖韦挺，唐太宗时历任吏部侍郎、黄门侍郎、御史大夫等官。曾祖韦待价，系武后朝的宰相，官至吏部尚书。从祖父辈开始，家道逐渐式微。但其父韦銮，伯父韦鉴及其子，均擅长绘画驰名于世，唐人张彦远的《历代名画记》中有记载。韦应物约生于唐玄宗开元二十三年（735年），天宝八年（749年）左右，15岁时，因是官宦世家子弟，成为玄宗的御前侍卫，陪侍从游宴。后进入太学读书，外派为县令、参军等地方官职，罢官时曾寄居洛阳同德寺，鄠县（今陕西省户县）沣上的善福精舍等佛寺。其中值得提到的是建中三年（782年）夏出任滁州（今安徽省滁州市）剌史，兴元元年（784年）冬罢任，闲居滁州西涧。贞元元年（785年）秋出任江州（今江西省九江市）剌史，贞元三年入朝为尚书左司郎中。贞元四年冬出任苏州（今江苏省苏州市）剌史，贞元七年罢任，寄居于苏州永定寺，不久卒于苏州。一次又—次地出任，一次又一次地罢官，闲居佛寺，这就是韦应物走过的人生道路。 韦应物生活的时代，正值安史之乱前后，唐王朝由盛转衰的历史时期。韦应物作为—名中、下级官吏，面对兵乱不息、满目疮痍的现实，又多次罢官归隐，还经历了疾病缠身、中年丧偶等不幸。—连串的打击使韦应物越来越厌倦充满机心与倾轧的官场，向住自由舒适的田园生活，并向佛门寻找精神上的安慰和寄托。因此他的中、晚年，特别是辞栎阳县令，居沣上善福精舍以后，写作了数量较多的山水田园诗。其诗歌淡泊宁静，反复诉说了自己对尘世的厌倦和对山林与佛门的向往。 韦应物的诗歌题材十分广阔。他去世不久，白居易就推崇韦应物的五言诗“高雅闲淡，自成一家之体”（《与元九书》）。朱熹谓“其诗无—字做作，直是自在”（《晦庵说诗》）。后人更将他和陶渊明合称“陶韦”，和柳宗元并称“韦柳”，又和王维、孟浩然、柳宗元合称“王孟韦柳”。严羽《沧浪诗话》列举唐诗各体，其中就有“韦柳体”。 韦应物的山水田园诗朴实平淡，反映了他对美好的自然和平凡日常生活的热爱，并把它与恶浊的尘世对立起来，从中求得精神上的愉悦和解脱。韦善于观察并捕捉大自然物候的微妙变化，以简朴清丽的语言，白描的手法，细致鲜明地以诗句描述了其观察到的自然现象和景物，并用其表达各种情感，其中多首涉及到力学现象。 关于流体运动中物体的稳定性 独怜幽草涧边生，上有黄鹂深树呜。 春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。 这首《滁州西涧》系韦应物出任滁州剌史时所写，是—篇脍炙人口的七绝，被收录于《唐诗三百首》及各种唐诗集之中。历代文人均将其视为优美山水田园诗的代表作，实际上这洗练的诗句里凝聚了诗人对力学现象的洞察力。“春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横”，意思是郊野渡口拴着的一条无人驾驭的小船，在晚潮加之春雨形成的小河湍急的流动中，横在河里，随波荡漾。这里形象又真实地描绘了在河中荡漾的小船，因要处于一个稳定的平衡位置，它总要横在河中。这里涉及到流体运动中物体的稳定性问题，与近代导向船舰、飞行器在航行中运动稳定性的深入的学问有关，是近代航海航空航天技术的理论基础之—。 “春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横”，唐代诗人韦应物对船体稳定性入细入微的观察，并仅仅用了七个字便活脱脱地勾画了出来，不仅使我们获得了美的享受，而且还从中体味出自然规律。而这却早在距今一千二百多年以前就有了。 关于流体运动致声 “声音”一词有两重意思：客观的声波（或声振动），和人主观的声感觉（即响声）。声波是任何弹性媒质（气体、液体、固体）中传播的扰动（压力、应力、质点速度、质点位移等的变化，或其中几种量的同时变化）。弹性媒质的质点发生振动，以波的形式向四面八方传播开来，就在人的听觉器官上引起了声响的感觉。 韦应物有两首思考流体运动致声的诗： 其一是涉及思考流体运动为什么会引起巨大声响问题的五言古诗，《听嘉陵江水声寄深上人》 凿崖泄奔湍，称古神禹迹。夜喧山门店，独宿不安席。 水性自云静，石中本无声。如何两相激，雷转空山惊。 贻之道门归，了此物我情。 其二是对海水为什么会产生惊涛，为什么突然会发出怒吼的响声，提出疑问的五言古诗，是《赠卢嵩》 百川注东海，东流无虚盈。泥滓不能浊，澄波非益清。 恬然自安流，日照万里晴。云物不隐象，三山共分明。 奈何疾风怒，忽若砥柱倾。海水虽无心，洪涛亦相惊。 怒号在倏忽，谁识变化情？ 韦应物这两首诗，不仅形象地描述了流体运动致声的现象，而且还对流体运动为什么会致声，深入思考并提出了疑问：“水性自云静，石中本无声。如何两相激，雷转空山惊。”“海水虽无心，洪涛亦相惊。怒号在倏（shū）忽，谁识变化情？”云静的水和无声的石为什么相拍激就会发出巨大的声响？海水为什么会产生惊涛，为什么突然会发出怒吼的响声？这使诗人不得其解，所以在诗的结尾喊出了：“谁识变化情？” 韦应物还有一首五言绝句《咏声》 万物自生听，太空恒寂寥。还从静中起，却向静中消。 对声波的传播现象也作了形象地描述。 关于流体运动的不稳定性 流体运动的不稳定性，是指某种形态的流体运动受到某一扰动后，不能恢复到原来形态的运动情况。当风吹向平静的水面时，马上会在水面上引起细小的波浪。如果风持续地吹（或风足够大），则会产生波长较长的波浪，并向着风的下沿方向传播下去。这一问题，就是流体力学中著名的“风生波”问题。韦应物有好几首诗均涉及了到他所观察到的风生波的现象。如： 《野次听元昌奏横吹》 立马莲塘吹横笛，微风动柳生水波。 北人听罢泪将落，南朝曲中怨更多。 野次即郊外，横吹是乐府横吹曲辞，出自北方的军中音乐，多在马上演奏。诗首句写奏乐者的姿态，接下来以景写声，描绘了眼前景色。乐声如微风使柳枝摇曳，使池塘表面水波荡漾，掀起了听者情感的波澜。哀怨的笛声，使来自北方的诗人思乡之情油然而生，不禁潸然泪下。 《送汾城王主薄》 少年初带印，汾上又经过。芳草归时遍，情人故郡多。 禁钟春雨细，宫树野烟和。相望东桥别，微风起夕波。 表达了诗人傍晚送客远行、告别时对友朋依恋难舍的深情厚意。送到东桥这个地方，相互道别，望着客人远去，这时诗人的心境，己如“微风起夕波”那样不平静了。 《夕次盱眙县》 落帆逗淮镇，停舫临孤驿。浩浩风起波，冥冥日沉夕。 人归山郭暗，雁下芦洲白。独夜忆秦关，听钟未眠客。 叙说了诗人黄昏日暮在盱眙县（唐代属楚州，今属江苏省）泊舟孤驿时的见闻与感受，这时风也吹得河面上兴起了波浪。 关于润湿与不润湿的现象 在自然界、工程技术和日常生活中，液体对固体的润湿和不润湿现象都有重要的意义和作用。 秋荷一滴露，清夜坠玄天；将来玉盘上，不定始知圆。 这首五言绝句《咏露珠》，生动地描绘了秋夜由天空掉下的一个露滴，落到展开的碧绿的荷叶面上，成为晶莹透亮的水珠，滚来滚去，煞是好看。“不定始知圆”是说，由于看到露珠在荷叶面上滚来滚去，方知它是圆球形。其实，秋荷上的露珠并不一定是从天空掉下来的，秋天的后半夜空气湿度大、温度低，在荷叶上凝结的露水，也可形成露珠。但由现代科学来看，韦应物这首诗正是描述了一滴露珠在荷叶面上不润湿的力学现象。 在笔者以前写过的关于润湿现象的诗话文章中，仅提到韦应物关于不润湿的诗，其实他的诗作中也有多首涉及了润湿现象： 《京师叛乱寄诸弟》 上怀犬马恋，下有骨肉情。归去在何时，流泪忽沾缨。 以泪沾缨表达了情深意与、真挚感人。 《赋得暮雨送李胄》 楚江微雨里，建业暮钟时。漠漠帆来重，冥冥鸟去迟。 海门深不见，浦树远含滋。相送情无限，沾襟比散丝。 “漠漠帆来重，冥冥鸟去迟”，描述了微雨中的帆和鸟。“重”、“迟”二字写了船帆和鸟羽均为雨所沾湿。末二句点明送别，诗人情动于中，潸然泪下，眼泪沾湿了衣襟，好比那散丝密雨一般。 《紫阁东林居士叔缄赐松英丸捧对欣喜盖非尘侣之所当服辄献诗代启》 碧涧苍松五粒稀，侵云采去露沾衣。 夜启群仙合灵药，朝思俗侣寄将归。 道场斋戒今初服，人事荤膻己觉非。 一望岚峰拜还使，腰间铜印与心违。 紫阁是终南山的一座山峰，在今陕西户县东南。这是时任鄠县令的诗人给居士叔的代书信诗，首二句写到了居士叔在碧涧苍松间采摘五粒松时，露水沾湿了衣裳的情景。 《七夕》 人世拘形迹，别去间山川。岂意灵仙偶，相望亦弥年。 夕衣清露湿，晨驾秋风前。临欢定不住，当为何所牵？ 七夕是我国古代的传统节日，相传每年农历七月初七夜，牛郎、织女要渡银河相见，一年只有一夕相会。夕衣二句叙写了自己露湿衣裳，独立中霄，愁思百结地疑问：人间固然别多聚少，天上神仙又为何事牵缠，不能久住？ 这几首诗中的湿、沾都是指润湿的意思。 关于地球自转产生昼夜交替 地球是个不发光也不透明的球体，因此，任何时候只能有一半面对着太阳，向着太阳的半球是白天，背着太阳的半球是黑夜。随着地球不停地自转，昼夜也就不断地交替。地球昼夜交替的周期为一日。正是由于地球昼夜交替的周期不长，使得地面白昼增温不至于过分炎热，黑夜冷却也不至于过分寒冷，从而保证了地球上生命有机体的生存和发展。韦应物的 《咏夜》 明从何处去，暗从何处来。但觉年年老，半是此中催 。 《咏晓》 军中始吹角，城上河初落。深沈犹隐帷，晃朗先分阁 表达出对昼夜交替的思考，显然己蕴含了诗人对人生有限而宇宙无穷哲理的感叹。 四首咏物诗 韦应物曾写了一些对自然物体的咏物诗，从以下四首可以了解他的喜好和心境。 1、中国古代对玉的美的理解，与对人的道德品质的追求是融为一体的。玉的品质就是人的道德、人格。“宁为玉碎，不为瓦全”的崇高牺牲精神，即是以玉的纯洁高尚为喻，不愿做丑陋的小人。无论是道家、儒家、佛家，都认为神灵的玉能给予力量和智慧，并以达到平安的人生，历代王朝也都将玉器作为财宝收藏与玩赏。韦应物所写 《咏玉》 乾坤有精物，至宝无文章。雕琢为世器，真性一朝伤。 也体现了这种对玉的理解境界。诗人谈的哲理是：天下最宝贵的宝物是朴实无华的，一旦追求华丽，便失去了本性，也就不是至宝了。做人也应该保持本性，不要随波逐流，一旦随波逐流，也就一钱不值了。 2、水晶是结晶特别完美的二氧化硅，经常是纯净透明，晶莹闪亮，很惹人喜爱 ， 是我国历史悠久的珠宝品种之一。 我国古代也称水晶为 “水玉”、“水精”，以及 “玉晶”、“千年冰”、“菩萨石”、“放光石”等多种名称。韦应物所写《咏水精》 映物随颜色，舍空无表里。恃来向明月，的皪愁成水。 反映了他对水晶的喜爱。 3、珊瑚是一种海生圆筒状腔肠动物，名叫“珊瑚虫”，在白色幼虫阶段便自动固定在先辈珊瑚的石灰质遗骨堆上。珊瑚的化学成分主要为CaCO 3 ，以微晶方解石集合体形式存在，成分中还有一定数量的有机质，形态多呈树枝状，上面有纵条纹。每个单体珊瑚横断面，有同心圆状和放射状条纹，颜色常呈白色，也有少量蓝色和黑色。宝石级珊瑚为红色、粉红色、橙红色。红色是由于珊瑚在生长过程中，吸收海水内1％左右的氧化铁而形成的，黑色是由于含有有机质。珊瑚自古即被视为祥瑞幸福之物，代表高贵与权势，是幸福与永恒的象征，故倍受尊宠和喜爱，不仅王侯巨贾多将其作装饰用，许多西藏的喇嘛高僧亦多持珊瑚所制之念珠，而古代的王公大臣，上朝所穿戴的帽顶及朝珠亦多用珊瑚来做成。韦应物虽对珊瑚的生成了解并不多，但他在《咏珊瑚》 绛树无花叶，非石亦非琼。世人何处得，蓬莱石上生。 诗中也按自己的理解，对珊瑚作了形象描述和表示了向往。 4、琥珀是由千万年前植物所分泌出来的树脂，经过地壳变动而深埋地下，逐渐演化而成的一种天然化石，也是深受人们喜爱的一种装饰艺术品。品种有金珀、虫珀、石珀、花珀、水珀、蜡珀等，尤以含有完整昆虫或植物的琥珀为珍贵。韦应物的 《咏琥珀》 曾为老茯神，本是寒松液。蚊蚋落其中，千年犹可靓。 就特别赞赏了含有完整昆虫的琥珀珍品。 参考文献 1、 王振东，野渡无人舟自横 —漫话流体运动中物体的稳定性 2、王振东，飞湍瀑流争喧豗 ─漫话流体运动致声和声音的双重作用 3、王 3、王振东，长使英雄泪满襟 —漫话润湿现象及其应用 4、王振东，4、王振东，风乍起、吹皱一池春水 —漫话流体运动的不稳定性 （以上均可见 http://www.sciencenet.cn/u/zdwang） 5、王 5、王振东、武际可，力学诗趣［M］，天津：南开大学出版社，199 8 6、陶敏、王友胜选注，韦应物诗选［M］，北京：中华书局，2005 7、全唐诗［M］，上海：上海古籍出版社,1986 8、 陈尚君辑校， 全唐诗补编［M］，北京：中华书局，1982
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大风起兮云飞扬
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大风起兮云飞扬
—漫话流动显示及纳斯方程 王 振 东 古代诗词：以流动显示来抒发情思 大风起兮云飞扬， 威加海内兮归故乡， 安得猛士兮守四方 ！ 这是汉高祖刘邦（公元前247-前195）在击破英布军以后，回长安时，途经他的故乡沛（今江苏徐州市沛县），设宴招待家乡的故交父老，酒酣时自己击筑（古代乐器）而歌，所作慷慨豪情的《大风歌》。 《史记：高祖本纪》：“高祖（刘邦）还归，过沛、留。置酒沛宫，悉召故人父老子弟纵酒，发沛中儿得百二十人，教之歌。酒酣，高祖击筑，自为歌诗曰：大风起兮云飞扬，威加海内兮归故乡，安得猛士兮守四方！令儿皆和习之。高祖乃起舞，慷慨伤怀，泣数行下”，正是记载了这段历史。刘邦短短三句，洋洋自得，气壮山河，但并没有被胜利冲昏头脑，最后一句流露出了居安思危的忧患意识。 刘邦在这里是以“云飞扬”流动显示大气运动的物理图像，来抒发衣锦还乡、荣归故里的壮志豪情。这是历史上有名的一则典故,“大风歌”或“大风诗”的来历。之后直至现代，不少人皆仿此“歌大风、唱大风”，以表示慷慨悲歌、治国安邦的豪情壮怀。如： 汉武帝刘彻（前156-前87）也有—首以风吹白云飞，表达情感的诗《秋风辞》 秋风起兮白云飞，草木黄落兮雁南归。 兰有秀兮菊有芳，携佳人兮不能忘。 泛楼舡兮济汾河，横中流兮扬素波。 箫鼓鸣兮发棹歌，欢乐极兮哀情多。 少壮几时兮奈老何。 唐太宗李世民（599-649）《辛武功庆善宫》诗 共乐还乡宴，欢比大风诗 。 《过旧宅二首》之二 八表文同轨，无劳歌大风 李白《登广武古战场怀古》诗 按剑清八极，归酣歌大风 林宽《歌风台》诗 蒿棘空存百尺基，酒酣曾唱大风词 王德贞《奉和圣制过温汤》诗 停舆兴睿览，还举大风篇 直到近代也有类似的大风诗，如： 董必武（1885-1975）《感时杂咏》诗 欲守四方歌大风，飞鸟未尽先藏弓。 朱德（1886-1976）《赠友人》诗 北华收复赖群雄，猛士如云唱大风。 陈毅（1901-1972）《莱芜大捷》诗 鲁中霁雪明飞帜，渤海洪波唱大风。 现在以云来显示大气的流动，己很常见。如在电视台的气象预报节目中，人们常能看到由云显示千姿百态流动图案的卫星云图，所显示大气中所发生的动力过程。下图是卫星拍摄到的，2005年对美国新奥尔良造成巨大灾害的卡特里娜飓风图。 也有古诗用风叶和船只所显示的流体运动，来形象、生动地比喻和描述远行在外人的行迹和旅途。如宋代诗人范成大（1126-1193）的五言律诗《道中》 月冷吟蛩草，湖平宿鹭沙。客愁无锦字，乡信有灯花。 踪迹随风叶，程途犯斗槎。君看枝上鹊，薄暮亦还家。 程途是指旅程途中，槎（chá）亦做查、楂，系水中木筏意，犯斗槎是指远行所乘的船只。 古代诗人还常以杨絮、柳絮以及虫类拉的丝（亦名游丝、晴丝），所显示的空气流动情况（风、对流或布朗运动），来抒发各种各样的情思，如： 韩愈（768-824）《晚雪》诗 杨花榆荚无才思，唯解漫天作雪飞。 以及《次同冠峡》诗 落英千尺堕，游丝百丈飘 。 周紫芝《踏莎行》词 情似游丝，人如飞絮，泪珠阁定空相觑。 范成大《碧瓦》诗 无风杨柳漫天絮，不雨棠梨满地花。 以及《初夏二首》诗 晴丝千尺挽韶光，百舌无声燕子忙。 韶光是美好的时光，这里指春天。诗人想象春末夏初的游丝是在恋惜时光，想把春天挽留住。 石（矛下加心）《绝句》诗 来时万缕弄轻黄，去日飞毬满路旁。 我比杨花更飘荡，杨花只是—春忙。 以杨花比喻自己奔波游宦，道出了深沉的乡思旅愁。 苏轼《水龙吟·和章质夫杨花韵》词 似花还似非花，也无人惜从教坠，抛家旁路，思量却是，无情有思。 将杨花比作缠绵衰感的思妇。 文天祥《过零丁洋》诗 山河破碎风抛絮，身世飘摇雨打萍 把杨花比作日益沦丧的国土。 各种各样的流动显示方法 流动显示是在力求不改变流体运动性质的前提下，用图像显示流体运动的方法，其任务是使流体不可见的流动特征,成为可见的。俗话说“百闻不如—见”，人们通过流动显示看到了流场的特征，从而可进一步研究探索和应用流体运动的规律。 西方一些人认为，意大利文艺复兴时期的艺术家和科学家达•芬奇（Da.Vinci，1452-1519），是第一个运用流动显示的方法,来叙述涡旋构图的人。但比起运用流动显示的图像，来描述峡江水流涡旋的运动特征，和抒情言志的我国古代诗人，达•芬奇却要落后好几个世纪了。 首先应用流动显示方法,对现代流体力学发展做出重要贡献，当推英国科学家雷诺（O.Reynolds,1842-1912）。他在1883年，将苯胺染液注入长的水平管道水流中做示踪剂，从而可以看出管中水的流动状态。当流速小时，苯胺染液形成一根纤细的直线与管轴平行，表示流动是稳定的和有规则的流动，称为层流；当流速慢慢地增加，达到某一数值时，流动形式突然发生变化，那根苯胺染液细线受到激烈的扰动，苯胺染液迅速地散布于整个管内，表示流动己十分紊乱，称为湍流。这一试验明确提出了两种不同的流动状态，及其转捩的概念，还提出了后来被称为“雷诺数”的这一十分重要的无量纲参数。至今湍流研究的历史，一般都公认从1883年雷诺这个经典的流动实验算起。 德国科学家普朗特（L.Prandtl,1875-1953），1904年用在水中撤放粒子的方法，获得了水沿薄平板运动的画面。由于画面上粒子留下的轨迹正比于流动的速度，在靠近壁面有一薄层，其中速度比离壁面较远处的速度明显较小，且有大的速度梯度。正是对这一流动显出画面的观察和分折，使他提出了边界层的概念，指出在远离壁面处，可不计黏性，能应用理想流体力学的研究结果；而在物体表面附近的薄层中，由于有很大的速度梯度，从而产生很大的剪切力，不能忽略黏性。这一基于流动显示的新观点，使得可利用边界层很薄的特点，使问题的数学处理大为简化，至今它仍是黏性流体力学最重要的基础理论之一。 20世纪50年代，有人提出了氢气泡显示技术：用很细的金属丝放在水中作为阴极，通电后在金属丝上形成的氢气泡随水流走，而成为显示流场的示踪粒子。克拉茵（Kline）等1967年首先用氢气泡显示技术，发现了近壁湍流的相干结构（Coherent Structure,也有译为拟序结构）。这是一种大尺度的涡旋运动，它在将平均运动动能转变为湍流动能的过程中，作了大部分贡献。后来经许多人用更精确、先进的实验手段（热线热膜测速、激光测速以及数据自动采集、图像处理技术等）进行重复，使实验越做越精确。不但对壁湍流，而且对自由剪切湍流也发现了相干结构，到20世纪80年代，湍流相干结构已为国际流体力学界公认，并认为这是对湍流生成、维持、演化起主要作用的结构。这一由流动显示所发现的相干结构，被认为是对湍流认识上的一次革命，是在湍流研究上的一次重大进展。80年代之后至今，关于湍流相干结构及其控制的研究，一直湍流研究的热点课题。 由以上三个例子可见，流动显示是了解流体运动特性，并深入探索其物理机制的一种直观、有效的手段。它能发现新的流动现象，如层流和湍流两种流动状态及其转捩、涡旋、分离、激波、边界层、壁湍流相干结构等；据了解，流动显示技术己在许多实际问题的研究中,发挥了很大的作用，如三角翼和双三角翼的前缘主涡、二次涡和尾涡的形成和发展，钝物体尾迹的涡旋结构，以及多体干扰等。 上面提到的流动显示方法，,主要只涉及到示踪法。示踪法是在流体中加入某些示踪物质，通过对加入物质踪迹观察得到流体运动的图像。由于所加示踪物质的不同，又可分为用途不一的烟迹（含烟丝）法、染色线法、空气泡和氢气泡法、氦气泡法、激光-荧光法、蒸汽屏法等。当然，在流体中加入了示踪粒子，就又存在粒子的跟随性问题。 除示踪法外，流动显示的方法还有光学方法和表面涂料显迹法。光学方法又分阴影法、纹影法和干涉法。前两者利用了光通过非均匀流场不同部位时的折射效应，后者通过扰动光和未扰动光的相互干涉得到干涉条纹图，从而进一步可得到流动参数的定量结果。表面涂料显迹法是在物面上涂以薄层物质，以其与流动相互作用时，产生一定的可见图像，从而可定性或定量的推断物面附近的流动特性。按所涂物质的不同，还可分为油流（荧光油流）、丝线（荧光微丝）、染料、升华、相变涂层、液晶、感温漆等方法。 流动显示技术目前发展相当快，特别是与计算机图像处理技术相结合，使传统的流动显示方法得到很大的改进。计算机数据的采集与处理，可对显示结果进行深度的加工分析，以获得更清晰的流动图像，以及有关流动参数的分布。 多种流动显示方法的联合使用，又可得到更丰富的流动信息。随着光学技术和计算机技术的发展，激光全息术、光学层析术、散斑、粒子成像测速（PIV—ParticaleImageVelocimetry）、激光诱导荧光（LIF—LaserInduceFluorescent）等方法也己出现并在发展完善之中，为实现瞬时、高分辨率和定量化的空间流动显示展现了美好的前景。 数值模拟、实验检验和世纪数学难题 要弄清流动显示对流体力学的研究能有多大的作用，还需要从流体力学的研究现状来说起。 力学是以实验为基础的科学，流体力学更是建立在实验的基础之上。在流体力学中，绝大多数重要的概念和原理都源于实验，例如：大气压强，流体的可压缩性，黏性剪应力，层流，湍流，雷诺数，卡门涡，二次流，附加质量，激波，孤立波，湍剪切流的相干结构，声障现象等；又如，完全气体的状态方程，连续性方程，能量守恒原理，达西定律，托里拆利原理，伯努利原理等。 瑞士数学家、力学家欧拉（Euler,L. 1707-1783）于1755年,建立了理想流体的动力学方程组，现称为欧拉方程组。法国力学家、工程师纳维（Navier,C.L.M.H. 1785-1836）于1821年，以及英国力学家、数学家斯托克斯（Stokes,G.G. 1819-1903）于1845年,分别对黏性不可压缩流体建立了动力学方程组，现称为纳维—斯托克斯方程组。在无黏性的情况下，纳维―斯托克斯方程组可简化为欧拉方程组。现在人们对于自然界、国防和各种工程技术中的流体力学问题，都在用纳维―斯托克斯方程组进行分析、计算和研究。纳维―斯托克斯方程组（亦可简称为：纳斯方程），现被公认是描述流体运动规律的流体力学基本方程组。 对于纳维—斯托克斯方程组，经过150多年的研究，仅在—些简化的特殊情况下，找到不多的准确解。由于纳维—斯托克斯方程组光滑解的存在性问题，至今尚没有在数学上解决，且这个问题又关系到人类的生产、生活、军事和对大自然的认识，极其重要，所以克莱数学促进会（Clay Mathematics Institute ）于2000年5月24日在法国巴黎的法兰西学院，将其发布为新千年数学大奖悬赏的7个世纪数学难题之—，奖金高达一百万美元。克莱数学促进会发布的7个世纪数学难题是：P与NP问题、黎曼（Riemann）假设、庞加莱（Poincaré）猜想、霍奇（Hodge）猜想、贝尔什和斯威尔顿（Birch及Swinnerton-Dyer）猜想、纳维―斯托克斯方程、杨―米尔斯（Yang-Mills）理论。比纳维—斯托克斯方程组简单得多的欧拉方程组，解的存在性的问题也尚未得到证明，只是它不属于悬赏奖励的问题内容。 在学习微分方程理论時，我们知道： （1）如果某物理问题的微分方程，被证明其解不仅存在而且唯一时，则无论用何种方法找到这个微分方程的解，可以认为这就是该物理问题方程的解。 （2）当某物理问题的微分方程，被证明解是存在的，但却不见得唯一时，则如用—种方法找到了解，还必须研究解的稳定性问题，只有证明了所找到的解是稳定的，才能认为这个解有可能代表实际存在的物理现象。 （3）如果某物理问题的微分方程，解的存在性尚还不能被证明，若用某种近似方法（如渐近方法或差分法、有限元法等各种数值方法）找到了“解”，则难以肯定它是否真是代表实际存在的物理现象的解。 不幸的是，流体力学中所遇到的欧拉方程组和纳维—斯托克斯方程组，正好都属于第三种情况。 如果经过数学家的努力，解决了悬赏的问题，纳维—斯托克斯方程组解的存在性问题得到了证明，这自然是皆大欢喜的好事。可是关于纳维—斯托克斯方程组解的存在性问题的悬赏，也还包括给出其解不存在的证明。如果是后者获奖，那问题就大了。当然也有这种可能，经过仔细研究后认为纳维—斯托克斯方程组应做出某些修正和改进，才能使解存在。如是这样，流体力学教科书就需要改写了。 可是，大量的自然界、国防和各种工程实际中的流体力学问题需要解决，并不能等你弄清方程组解的存在性后再说。人们只能在用理论分析、数值计算、物理实验相结合的方法，研究、解决所遇到的流体力学问题。 这三种方法各有优缺点。实验方法的优点是能直接解决生产中的复杂问题，能发现流动中的新现象和新原理，其结果可作为捡验其他方法是否正确的依据；缺点是对不同情况需做不同的实验，且所需人力、财力、物力较多，花费大。分析方法的优点是可明确给出各物理量与流动参数之间的变化关系，普适性较好；缺点是数学上的困难很大，能获得的分析解（包括近似的分析解）的数量有限。数值计算方法的优点是可对分析法无法求解的问题，求得其数值解，且花费相对较小；缺点是对复杂而又缺乏完善数学模型的问题，仍无能为力。分析解及数值解都是建立在具有—定假设条件的运动方程组之上的，其结果仍都应受到物理实验结果的捡验。由于纳维—斯托克斯方程组解的存在性问题至今尚未解决，就更难以肯定数值方法找到的解，是否代表真实的流体运动。所以，数值摸拟与物理实验的本质差别并未消失，数值模拟尚不能替代物理实验，数值摸拟的结果必须用物理实验来捡验其正确性。 由于计算机和数值计算技术的快速发展，出于科学研究和生产实际的需要，对于流体力学问题进行大规模数值模拟，现己很常见，国内已有几种功能较强的计算流体动力学的商品软件（如 FLUENT, STAR—CD, TASC flow，PHOENICS 等）在应用，且已使用并行计算机进行大规模数值模拟。但所得到的数值模拟结果，仍须用物理实验来检验其正确性。而作物理实验又需要投入更多的人力、财力、物力的支持，所以巧妙地构思、设计小规模、精细的物理实验，以较少的花费来捡验大规模数值模拟的正确性，就显得十分重要。 流动显示方法和技术，正是我们在流体力学研究中，能达到上述目的的重要实验方法和技术，它不仅能提出新的观念、新的研究模型，揭示流体运动规律，也能为流体力学计算提供可靠的流动条件（如边界层转捩点、激波位置、涡核位置、尾迹宽度等），和对数值模拟的结果进行检验。 附录：新千年数学大奖悬赏的7个世纪数学难题 Notices of the AMS（美国数学会（AMS）的会刊）在克莱数学促进会发布7个世纪数学难题后，曾为悬赏问题准备了如下的简介： P和NP问题：一个问题称为是P的，如果它可以通过运行多项式次（即运行时间至多是输入量大小的多项式函数）的一种算法获得解决；一个问题称为是NP的，如果所提出的解答，可以用多项式次算法来检验。P等于NP吗？ Riemann假设：黎曼ζ函数的每个非平凡零点,有等于1/2的实部。 Poincaré猜想：任何单连通闭3维流形同胚于3维球。 Hodge猜想：任何霍奇类关于一个非奇异复射影代数簇，都是某些代数闭链类的有理线性组合。 Birch 及Swinnerton–Dyer猜想：对于建立在有理数域上的每一条椭圆曲线，它在1处的L函数变为零的阶，等于该曲线上有理点的阿贝尔群的秩。 Navier–Stokes方程组：（在适当的边界及初始条件下）对3维纳维–斯托克斯方程组，证明或反证其光滑解的存在性。 Yang–Mills理论：证明量子杨–米尔斯场存在，并存在一个质量间隙。 (注：其中第三个难题：庞加莱（Poincaré）猜想己被解决，解决其中关键问题的，是俄罗斯年轻学者佩雷尔曼（Grigory Perelman）,他的文章并不是发表在著名的期刊上，而是2002年在网站上发表的,得到了国际数学界的承认。) 参考文献 1.王振东、姜楠，新千年数学大奖问题 ——证明纳维—斯托克斯方程组光滑解的存在性［J］，力学与实践，2003，25（3）：72—73 2.王振东，关于流体力学方法论问题［J］，力学与实践，2004，26（2）：83—85 3.王振东、武际可，力学诗趣［M］，天津：南开大学出版社，1998 4.Allyn Jackson ，Million-dollar Mathematics Prizes Announced ［J］,Notices of the AMS,2000,47（8）：877—879 5.Wenjei Yang ,HandbookofFlow Visualization［M］，Hemispere Publishing Corporation,1980 6.Smits AJ,Lim TT , Flow Visualization［M］ ,Imperial College Press ，2000
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车如流水马如龙
zdwang 2009-3-17 20:49
车如流水马如龙
—漫话交通流动 王 振 东 现代的交通流动理论（ Traffic flow theory ）萌芽于 20 世纪 30 年代，起初是应用概率论分析交通流量和车速的关系。从 40 年代起，在运筹学和计算技术等学科发展的基础上又获得新进展。 1959 年 12 目在美国底特律召开了第一次国际交通流理论会议，有美、英、澳、西德等国的代表参加。这次会议被认为是交通流动理论形成的标志。之后，平均每三年召开一次会议。 唐宋诗词中的交通流动 有趣的是，在一千多年之前，我国的唐宋诗词中早就将车辆的运动比作为流体的运动，写出了脍炙人口的诗词： 多少恨，昨夜梦魂中。 还似旧时游上苑，车如流水马如龙，花月正春风。 这首《望江南》词，系南唐后主李煜（ 937-978 年）在亡国入宋后所写。李煜在这首词中，刻意渲染了梦中对故国繁华的追恋，是一首典型的以乐写愁的词。往日繁华的生活，虽然内容纷繁，而在他的记忆中最清晰、印象最深刻的是“游上苑”（上苑是皇帝的园林）。而无数次上苑之游中，印象最深的热闹繁华景象，又正是“车如流水马如龙”。这里己很明确地将车辆的运动比喻成水的流动。 将车辆运动比作流体运动的说法，在李煜之前还有《后汉书·明德马皇后传》的： 前过濯龙门上，见外家问起居者， 车如流水，马如游龙。 唐代王勃（约 650-676 年）《还冀州别洛下知己序》的： 风烟匝地，车马如龙。 以及唐代苏颋（ 670-727 年）《夜宴安乐公主新宅》的： 车如流水马如龙，仙史高台十二重。 天上初移衡汉匹，可怜歌舞夜相从。 车络绎不绝，有如流水；马首尾相接，好像长龙，非常形象地以流体的运动，形容了车马往来不绝，繁华热闹的景象。 现代交通流动理论 在高速公路上各种类型的机动车一辆接一辆地飞驰而过，就像在江河中奔腾的水流一样。一股车流沿着公路滚滚向前，它启发人们将运动着的车辆看成是连续的流体，利用力学上处理流体运动的思路和方法，来分析和研究公路交通方面车辆运动的有关问题。 但还要注意的是，我们所讨论的交通流，与流体力学中讨论的连续介质仍有不同处。在一个车流中，每辆车的车身长度，以及车辆之间的距离是不能忽略不计的。因此，若将 q ，ρ理解为瞬间和很短距离内的车流特征，就会破坏其连续性，使后面的分析难以进行下去。所以这里应将它们理解为一定时间段或一定距离内的平均数值，以保证其必要的连续性。至于如何确定这个时间区间段及空间距离的大小，给出 q 和ρ的最好的估计值，则是一个统计学的问题。这里，我们已认为 q 和ρ满足了必要的连续性条件。 莱特希尔 （ M.J.Lighthill ） 和惠瑟姆 （ G.B.Whitham ） 在 1955 年成功地将行驶的车流，当作可压缩流体处理，在—定条件下求解了这一方程。 应用交通流动的观点和模型，可以解决许多交通管理方面的问题，如：交通灯或停车标记的设置；交通灯的转换周期长度；是否需要把一条双行线的街道改为单行线；新建—条高速公路需要多少条车道等等。 关于交通方面的发展方针和决策是否科学合理，也应从交通流动理论上加以研究。如在我们这个人口众多、人均可利用土地又较少的国家，大中城市的交通工具究竟是以发展小汽车为主，还是以发展大客流量的交通工具（如大巴、地铁、轻轨火车等）为主，就是一个应慎重考虑的问题。因为车流量大，并不等于货流（ goods flow ）量大，也不等于客流（ passenger flow ）量大。而人们希望的，是从我国的国情出发，以较少的道路占地面积，取得较大的客流量和货流量。 与汽车有关的力学问题 1 、汽车空气动力学问题 20 世纪 20 年代末期，美国克莱斯特汽车公司的工程师卡尔·比尔 （ Karl Beer ） 在俄亥俄州的代顿，建造了一个用来测量汽车模型风阻的风洞实验室，这个风洞就建在首次试飞飞机成功的莱特兄弟的实验室附近。风洞试验段高 500mm ，宽 760mm ，使用 35 马力的变速电机，用 V 型皮带驱动风扇，以产生不同速度的气流供测量用。 美国密执根大学流体力学研究中心的朗依 （ W.E.Lay ） 教授，在风洞实验室对不同形状的汽车模型测量了空气动力系数。试验表明，不同造型的车身所产生的空气阻力是截然不同的，流线型后背的车型与方方正正的车型相比，空气阻力可减少 l/2 ，若汽车前端也呈流线造型，则空气阻力再次降低约 l/2 。 经过吸收许多汽车空气动力学专家的研究结果， 1964 年出现了“楔型”车身的福特 GT40 赛车。它有效地减少了空气阻力，更重要的是在高速运动下能产生较大的下压力，而不像普通流线型车身那样产生正升力。鸭尾形的造型凸起在车尾，起到后扰流扳的作用，进一步增强后轮的下压力，这种下压力加大了车轮与地面之间的附着力，增强了车辆的操纵性和横风稳定性，并有助于提高车速。 GT40 接连获得了好几项大赛的冠军，一时名声大噪。 现在汽车外形的空气动力学设计，可以用计算流体动力学软件（如 Fluent 软件）计算，再配合汽车风洞的实验，已能进行得相当好了。 2 、与汽车安全有关的力学问题 目前在世界的公路上，奔驰着 2 亿辆以上的汽车。虽然公路交通事故没有像空难、海难和铁路交通事故那样引起媒体的关注，但实际上空运、海运和铁路等交通事故遇难人数的总和，还到不了公路车祸的零头。自 1886 年德国奔驰造出了世界第一辆汽车以来，一百多年中，累计已有 2000 多万人被车祸夺去了生命。据统计，目前世界上每年死于公路交通事故的有 50 多万人，已成为当今世界非疾病的第一杀手。 所谓车祸，不管是发生了碰撞、翻车，还是跌落到沟下，无非是车子突然改变了原来的运动状态。从力学上说，就是突然产生了异乎寻常的加（减）速度。所以，对车祸的研究是与力学有关的课题。 最常见的事故是两车相撞，或汽车与障碍物相撞。这时，汽车突然停止前进，而坐在车里的人，由于惯性仍以汽车原来的速度向前。以一辆速度 90 ㎞ /h 前进的汽车来说，车因碰撞停下时，人却还以 25m/s 的速度继续前进，这大约相当于人从 10 层楼跳下来落地时的速度。而从楼上跳下落地时，地一般是平的，但惯性前进的人要碰到的却是驾驶盘、车窗等物体，造成的结果一般是头颅被前玻璃窗撞破，或司机向前撞在驾驶盘上，肋骨和心脏受到伤害。 （ 1 ）安全带 为减少这类伤害，人们早就釆用系安全带的措施，来保护驾驶员和乘车者。安全带的作用主要有三： 1 ﹚增长人体的受力时间。因为安全带紧贴身体，当汽车因意外突然减速时，人体即己开始受安全带的拉力，由于安全带具有弹性，能增长受力时间，所以减小了人体所受的冲力。 2 ﹚安全带和人体有足够的接触面积 A ，由 p=F/A 一式可见，安全带可减小对人体的压强。 3 ﹚安全带束缚着人体肩胛骨和盘骨，这是人体易受伤的部分，故能发挥保护人体的功效。 根据香港运输处的调查结果，汽车前座乘客若不使用安全带，其意外伤亡机会是 8.7 ﹪；而使用安全带者则为 3.3 ﹪ 。 对安全带的力学性能，人们开展了许多研究。安全带不能太宽也不能太窄，太宽了会妨碍人驾驶操作，太窄了撞车时人和带间的压强过大，会勒伤人的身体；安全带的弹性要适当，不能太刚也不能太软，太刚了，安全带好似固壁会伤害人，太软了，碰撞时又会拉得过长、易让人碰到其他物体而致伤害；安全带的强度要足够，最好还要能够吸收能量，即被拉长后、回弹的力量尽量小，以避免回弹时的二次伤害。有人曾设想，最好能研制一条智能安全带，即要求在撞车时，安全带的伸长是根据人受的力量来控制的，使人受的力量总是处于不致伤害的最大力，从而可最大限度地减少伤害。 为减少碰撞对的伤害，人们还考虑将驾驶盘及其支撑系统做成柔性的。当人因为撞车按惯性向驾驶盘撞去时，驾驶盘及其支撑系统又可以吸收一部分能量。 （ 2 ）安全气囊 从 20 世纪 70 年代开始，人们又开始用安全气囊在碰撞时减缓人和驾驶盘之间的冲击。安全气囊是美国机械工程师约翰·赫缀克 （ John Hetrick ） 于 1953 年发明的。他原先在鱼雷修理厂工作，有一次看到鱼雷中释放出的压缩空气吹入覆盖在鱼雷上的帆布袋，使其突然膨胀起来，立即顶到了天花板上，为他提供了灵感。 1953 年他设计了气袋垫在驾驶员面前作缓冲装置，申请了专利，并于当年得到批准。安全气囊在 20 世纪 70 年代才得到应用。当装在车上的传感器，测得汽车的加（减）速度超过某设定的数值时，便自动将预先放置好的气囊迅速充气，使气囊在人和驾驶盘间形成软垫，减少人碰撞部位的局部压力，以避免伤害。汽车碰撞是瞬间的事，气囊充气就须在更短时间内完成。以 90km/h （ 25m/s ）速度行进的汽车为例，如突然停止，人仍以此速度前进，如果人与驾驶盘间距离有 25cm ，则人只需要 0.01s 时间就要与驾驶盘相碰。所以从传感器捡测到加（减）速度的门限发出指令，到气囊完成充气，必须在几毫秒、甚至在若干微秒时间内完成。这只有在气囊内引入一个小爆炸，才能满足要求。而这在力学上又须仔细研究，爆炸小了不能充足气，大了则有可能会将人炸伤。 据统计，气囊与安全带的联合作用，确实可进一步减少汽车碰撞对人的伤害。现在，已有的汽车不仅在前面安装了安全气囊，在两侧车门内也装有安全气囊，以减少侧面冲击给乘客带来的伤害。侧面气囊隐藏在座椅旁边，当侧面出现撞击时，触及座椅侧面底部的感应器时，气囊会自动弹出，保护乘坐人的肩膀。瑞典富豪是第一家采用侧面安全气囊的公司。 1995 年款的美国通用别克汽车配备了 8 个气囊，前面 4 个，侧面 4 个。 （ 3 ）能量吸收装置 另一方面，若能设计汽车的刚度，使碰撞的过程适当延长，加大碰撞后的变形量，也可成倍地减小碰撞时汽车的加（减）速度，从而成少伤害。这种设计思想，是尽可能增加在碰撞过程中汽车变形所吸收的能量，使碰撞时的动能（包括乘车人运动的动能），尽可能多地被汽车的变形部件吸收。汽车前边的保险杠是碰撞时与别的车辆最先接触的部件，其变形过程需要认真地研究，使符合以上的要求。近年来，能量吸收装置是应用固体力学研究的一个热点，它不仅在汽车碰撞问题上有应用，在船体、飞机、军事防护工程中都有重要的应用。新材料的使用，也可为汽车的能量吸收装置提供好处。如可再生的热塑料保险杠，其重量只有 5-7 公斤，但却能大量吸收冲击能量。 对汽车碰撞所致车祸的研究，现场考查自然是一种方法，但为了取得完全的数据，往往需要做大量的模拟实验。试验时，汽车里坐有一个模型人，其质量分布、刚度和关节活动程度，都尽量做得和真人一样。模型人身上装有各种传感器，以测量各种所需要的数据。事故对人体的可能伤害、安全带和气囊的有效性、车身结构的强度、刚度和能量吸收性能等，都需要通过这类试验反复地进行验证。 汽车引起的环境保护问题 自 1886 年 1 月 29 日德国人本茨 （ Karl Benz ） 发明“奔驰 l 号”机动车以来，世界已累计生产了拾几亿辆汽车。汽车的发展使人们的生活方式发生了很大的变化，甚至影响了整个世界的变革。但是，汽车工业的发展也给人类带来了前所未有的难题，首当其冲的就是汽车的排放污染对人类生存环境的破坏。 汽车的排放物主要有一氧化碳（ C0 ）、碳氢化合物（ HC ）、氮氧化合物（ NO ）、细微颗粒及硫化物。一氧化碳侵入人体，会很快与血液中的血红素结合，形成对人有害的一氧化碳血红素。当人们长期生活在一氧化碳含量为百万分之十的大气中时，就会慢性中毒。碳氢化合物中包括 200 多种有机物成分，已证明其中部分成分是致癌物质，如苯等多环芳烃类物质。危险的是，这些致癌物质在人体内还具有长期的积累效应。汽车排放的氮氧化合物包括二大部分，较多的一氧化氮和较少的二氧化氮，尽管低浓度的一氧化氮毒性不大，但二氧化氮则是毒性很强的气体，对人的呼吸系统和免疫功能有很大的危害。此外，碳氢化合物与氮氧化物在强烈的日光作用下会进一步发生光化学反应，形成毒性很大的光化学烟雾污染。光化学烟雾是一种白色或淡棕色的烟雾，会使大气能见度降低，具有特殊气味，刺激眼睛和喉粘膜，使呼吸困难，给人体健康和生态环境带来严重的危害。这种由于汽车排放造成的极为严重的大气污染事件，近半个多世纪以来，已在世界上发生过多起。 20 世纪 40 年代，美国洛杉矶发生了世界上第一个由于汽车排放造成的严重光化学污染事件； 70 年代末期，希腊首都雅典也经常出现光化学烟雾； 1992 年 11 月，墨西哥城发生了以臭氧为标志的光化学污染。 1998 年冬天北京天空“灰蒙蒙”、“白茫茫”，看着太阳像是月亮的“黑锅盖”现象，经北京环保局采用最新的大气监视仪器进行监测，发现正是汽车尾气污染物和煤烟污染物，两者在大气物理化学的作用下生成的新污染物一细粒子所造成的。这种分布于地面到 800m 高空的细粒子，对阳光有很强的消光作用，同时也是细菌微生物、病毒和致癌物的载体，极易通过人的呼吸系统，沉积于人的肺中，对人体有极大的危害。 20 世纪 80 年代以来，各国科技人员对汽车排放物进行了大量的研究，证明汽车排放物不仅会对局部环境造成不利影响，而且还会扩散到大气层中很远的地区，持续时间也很长。科技人员首先从改进发动机做起，使燃料燃烧得更充分，排污更少，如用电喷发动机取代传统的化油器，就属于这方面的努力。另一方面，科技人员又在研究如何最大限度地控制发动机向大气排污，如研制了三元催化器等装置，通过氧化与还原反应，尽可能地将发动机排出的一氧化碳、碳氮化合物、氮氧化物转化为无害的水、二氧化碳和氮气。 随着环境和能源形势的日趋恶化，世界范围内的环保呼声越来越高，汽车作为污染环境和消耗能源的大户，倍受人们关注。开发排污小的“绿色发动机”已成为各汽车公司的竞争热点。使用压缩天然气、液化石油气、醇类生物燃料的汽车均已出现，此外还有电动汽车以及太阳能汽车。 人们完全有理由希望发展和使用清洁能源的交通工具，使交通流动，使“车如流水马如龙”既快捷便利地服务于人民，为大众提供一个无污染、无噪音、节能、节约土地、收费低、乘坐时舒适宽敞、用最短的距离和最少的时间将乘客送到目的地的高效交通系统。 参考文献 1 ．王振东，车如流水马如龙—漫谈交通流动，力学与实践， 1999 ， 21 （ 6 ）： 70-71 2 ．武际可，与公路交通事故有关的研究，力学与实践， 2003 ， 25 （ 4 ）： 74-76 3 ．吕植中等编，飞轮载世界—汽车科技，北京：北京理工大学出版社， 2002
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风乍起，吹皱一池春水
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风乍起，吹皱一池春水
风乍起，吹皱一池春水 —漫话流体运动的不稳定性 王 振 东 风乍起，吹皱一池春水。 闲引鸳鸯香径里， 手挼红杏蕊。 斗鸭栏杆独倚， 碧玉搔头斜坠。 终日望君君不至， 举头闻鹊喜。 这首受到人们普遍赞赏、传诵而经久不衰的《谒金门》，被评价为历代传下描写闺怨的少数优秀词作之一，作者冯延巳（903～960），字正中，广陵（今江苏扬州）人，是南唐中主李璟的丞相，也是唐、五代存词最多的作家。马令《南唐书·党与传下》有一段涉及此词的记载： 延巳有“风乍起，吹皱一池春水”之句，皆为警策。元宗尝戏延巳曰：“吹皱一池春水，干卿何事？”延巳曰：“未如陛下‘小楼吹彻玉笙寒’。”元宗悦。 元宗即南唐中主李璟，他也是一位才情横溢的著名词人。这段诙谐的对话，说明李璟对此词赞叹之情已溢于言表。 “风乍起，吹皱一池春水”是这首词的头一句，也是全词最精彩的一句。作者用一个“皱”字，将春风吹拂而过，在水面上荡漾起细微波纹，使静景成为动景，把生活中常见的景色写活了。当然冯延巳这里是由景入情，以景寓情，以春水被吹皱，来形容少妇的思绪荡漾。而“风乍起，吹皱一池春水”，从力学的角度来看，是一幅流动不稳定性的画面。冯延巳正是用流动不稳定性的物理画录像，将女主人公不平静的内心世界巧妙地揭示了出来。 美藉华裔流体力学家易家训1980年在其《Stratified flows》（《分层流动》）一书中，曾用这一名句以及李璟与冯延巳那段精彩的对话，作为“流体动力学稳定性”一章的开头。他的好友、中国科学院外藉院士冯元桢将这句话用毛笔写出，放在这本英文著作第四章的起始，让人看了十分新鲜。 流体运动的不稳定性，是指某种形态的流体运动受到某一扰动后，不能恢复到原来形态的运动情况。风吹过水面引起波浪的不稳定性问题，是流体力学中著名的“风生波”问题。实际上在古诗词中，还有不少涉及风生波这一流动不稳定性过程的诗词。 有关“风生波”的古代诗词 唐代诗人韦应物有好几首诗均涉及了到他所观察到的风生波的现象。如： 《野次听元昌奏横吹》 立马莲塘吹横笛，微风动柳生水波。 北人听罢泪将落，南朝曲中怨更多。 野次即郊外，横吹是乐府横吹曲辞，出自北方的军中音乐，多在马上演奏。诗首句写奏乐者的姿态，接下来以景写声，描绘了眼前景色。乐声如微风使柳枝摇曳，使池塘表面水波荡漾，掀起了听者情感的波澜。哀怨的笛声，使来自北方的诗人思乡之情油然而生，不禁潸然泪下。 《送汾城王主薄》 少年初带印，汾上又经过。芳草归时遍，情人故郡多。 禁钟春雨细，宫树野烟和。相望东桥别，微风起夕波 。 表达了诗人傍晚送客远行、告别时对友朋依恋难舍的深情厚意。送到东桥这个地方，相互道别，望着客人远去，这时诗人的心境，己如“微风起夕波”那样不平静了。 《夕次盱眙县》 落帆逗淮镇，停船临孤驿。浩浩风起波，冥冥日沉夕。 人归山郭暗，雁下芦洲白。独夜忆秦关，听钟未眠客。 叙说了诗人黄昏日暮在盱眙县（唐代属楚州，今属江苏省）泊舟孤驿时的见闻与感受，这时风也吹得河面上兴起了波浪。 元结 《石鱼湖上醉歌》 长风连日作大浪，不能废人运酒舫。 范成大 《眼儿媚》 春慵恰似春塘水，一片毂纹愁。 溶溶曳曳，东风无力，欲避还休。 春日的慵懒恰似池塘里静静的春水，水面上一片涟漪就像春愁泛起。碧碧缓缓波荡（溶溶曳曳是指荡漾的样子），东风柔软无力，水面像要皱起波浪，又将微波抹去。 风生波是流动不稳定性的过程 当风突然吹向平静的池面时，马上就会引起细小的波浪。而风一停止，波浪不久就会消失。但如果风持续地吹送（或足够大），则会产生波长较长的波浪，并向着风的下沿方向传播开去，甚至在风下沿方向不太远的对岸处，就可以看到波长超过 20 厘米的波浪。风越强，波浪的波长越长，波高也越大，波峰就接二连三地破碎，而变成所谓的白浪（ white cap ，亦译为白冠浪）状态。 “风乍起，吹皱一池春水”实际上描述的是风突然吹向平静的池面，引起细小波浪的过程，也就是近代流体力学研究的“风生波”这一流体运动的不稳定性问题，其简化的模型亦称为Kelvin-Helmholtz界面不稳定性问题。这种界面不稳定性是讨论两层不同密度的流体作平行于其水平界面的相对运动时的不稳定性问题。海面（或水面）上由于风而引起波浪的问题，正是这种界面不稳定性问题。 实际上造成海浪增长的不只是相对速度，还有其他一些原因，所以当风速远小于此值时，波浪也可能开始增长。但观察发现，当风速达到此值时，碎浪和蒸发率都突然增加；且当风速增大达到 8.88 米 / 秒时，波浪的临界波长可增大到 6 厘米。 用线性稳定性理论来研究“风生波”问题，只是一种初步的近似。实际问题由于因素很多（如幅射，湍流边界层等），还比较复杂。 所谓水波，系指我们附近的水洼、水池、河流中的水所产生的波浪，甚至在湖泊、海洋表面传播的风浪，以及使湖泊和海湾内的整个水体产生显著振荡的静振（ seiche ）、潮汐波等。由于海洋开发和利用的需要，风浪的发生机制问题至今仍是流体力学和海洋科学工作者关心和研究的对象。尽管如此，“风乍起，吹皱一池春水”仍不失为定性描述“风生波”乃至整个流动不稳定性问题的千古绝句。 龙卷风是由气流不稳定产生的 龙卷风是一种风力极强而范围不太大的涡旋，状如漏斗，风速极快，破坏力很大。其中心的气压可以比周围气压低百分之十。龙卷风长期以来一直是个谜，它的出现和消失都十分突然，很难进行有效的预报。 龙卷风是一个猛烈旋转着的圆形空气柱，其上端与雷雨云相接，下端有的悬在半空中，有的直接延伸到地面或水面，一边旋转，一边向前移动。发生在海上，犹如“龙吸水”的现象，称为“水龙卷”；出现在陆上，卷扬尘土，卷走房屋、树木等的龙卷，称为“陆龙卷”。远远看去，它不仅很像吊在空中晃晃悠悠的一条巨蟒，而且很像一个摆动不停的大象鼻子。 龙卷风的危害很大。在美国，龙卷风每年造成的死亡人数仅次于雷电。它对建筑的破坏也相当严重，经常是毁灭性的。在强烈龙卷风的袭击下，房子屋顶会像滑翔翼般飞起来。一旦屋顶被卷走后，房子的其他部分也会跟着崩解。1995年在美国俄克拉何马州阿得莫尔市发生的一场陆龙卷,诸如屋顶之类的重物被吹出几十英里之远。大多数碎片落在龙卷通道的左侧，按重量不等常常有很明确的降落地带。较轻的碎片却飞到300多千米外才落地。 龙卷风究竟是怎样形成的？可以从夏天在操场上常看到的一种现象，得到启示：一阵风刮来，突然在操场中间出现了一个气流涡旋，它卷起了沙土和树叶随气流旋转，而且越转越快地在移动着，过了一会，又迅速慢了下来，突然消失了。这是很小尺度的气流不稳定性造成的。而龙卷风则是中尺度的气流不稳定性造成的，其平均直径为 200-300 米，直径最小的不过几十米，只有极少数直径大的才达到 1000 米以上。它的寿命也很短促，往往只有几分钟到几十分钟，最多不超过几小时。其移动速度平均每秒 15 米，最快的可达 70 米；移动路径的长度大多在 10 公里左右，短的只有几十米，长的可达几百公里以上。它造成破坏的地面宽度，一般有 l-2 公里。 有人认为，龙卷风是云层中雷暴的产物，是雷暴巨大能量中的一小部分在很小的区域内集中释放的一种形式。龙卷风的形成可以分为四个阶段： 1 ，大气的不稳定性产生强烈的上升气流，由于急流中的最大过境气流的影响，它被进一步加强。 2 ，由于与在垂直方向上速度和方向均有切变的风相互作用，上升气流在对流层的中部开始旋转，形成中尺度气旋。 3 ，随着中尺度气旋向地面发展和向上伸展，它本身变细并增强。同时，一个小面积的增强辅合，即初生的龙卷在气旋内部形成，产生气旋的同样过程，形成龙卷核心。 4 ，龙卷核心中的旋转与气旋中的不同，它的强度足以使龙卷一直伸展到地面。当发展的涡旋到达地面高度时，地面气压急剧下降，地面风速急剧上升，形成龙卷。 从上可知，龙卷风的形成和消失，都是气流运动不稳定的过程。 台风和飓风是产生于热带洋面上风速达到33米/秒以上的一种强烈的热带气旋，只是发生地点不同，习惯的叫法不同，在北太平洋西部、国际日期变更线以西，包括南中国海范围内发生的热带气旋称为台风；而在大西洋或北太平洋东部的热带气旋则称飓风。台风和飓风的形成、发展加强、移动、减弱和消失都是大尺度流体运动不稳定的过程。 由于国内用语的习惯，通常所说的“流动稳定性问题”，在国际上多称作为“流动不稳定性问题”。只要翻开国际上著名的几种流体力学杂志，就不难看到，研究各种流动不稳定性问题的文章占有很大的比例。这是因为自然界以及人们生产活动中与许多流动不稳定性问题密切相关。
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长使英雄泪满襟
热度 1 zdwang 2009-2-20 12:58
长使英雄泪满襟
长使英雄泪满襟 —漫话润湿现象及其应用 王 振 东 蜀相祠堂何处寻， 锦官城外柏森森。 映阶碧草自春色， 隔叶黄鹂空好音。 三顾频烦天下计， 两朝开济老臣心。 出师未捷身先死， 长使英雄泪满襟。 这是杜甫（ 712 ～ 770 ）移居成都，筑草堂于浣花溪，找寻武候词堂拜谒后所写的七言律诗《蜀相》。他到词堂后，一不观赏殿宇巍巍，二不瞻仰塑像凛凛，而注意到的是阶前的萋萋碧草，叶外黄鹂的数声呖呖。在这荒凉之境，想到了三顾茅庐的知人善任、始终不渝，两朝辅佐的鞠躬尽 瘁 、死而后己，使得诗人不禁老泪纵横，襟袖湿润。有诗评人指出：“长使英雄泪满襟”的英雄，当指包括老杜在内的千古仁人志士，为国为民的大智大勇者。这篇以“泪满襟”的润湿现象来抒发情感的七律，使天下后世，凡读到此诗者，无不为之感动。 唐宋诗词作者常以润湿现象来抒发别离和思念的感情，有的还引申到美丽景色使身心受到滋润和浸染，用以展示景色给人心灵以诗意般的感受，如： 王勃（约 650 ～ 676 ）《送杜少府之任蜀川》诗 海内存知己，天涯若比邻。无为在歧路，儿女共沾巾。 杜甫《哀江头》诗 人生有情泪沾臆，江水江花岂终极。 孟浩然（ 689 ～ 740 ）《与诸子登岘山》诗 羊公碑尚在，读罢泪沾襟。 刘长卿（？～约 786 ）《饯别王十一南游》诗 望君烟水阔，挥手泪沾巾。 杜审言（约 645 ～ 708 ）《和晋陵陆丞早春游望》诗 忽闻歌古调，归思欲沾巾。 陆游（ 1125 ～ 1210 ）《新津小宴之明日欲修觉寺以雨不果呈范舍人》诗 风雨长亮话别离，忍着清泪湿燕脂。 王维（？～ 761 ）《山中》诗 荆溪白石出，天寒红叶稀。山路元无雨，空翠湿人衣。 张旭《山中留客》诗 纵使清明无雨色，入云深处亦沾衣 辛弃疾（ 1140 ～ 1207 ）《木兰花慢·席上送张仲固帅兴元》词 追亡事，今不见，但山川满目泪沾衣。 这里，湿、沾均是润湿之意。 另外，在唐诗中也有描述不润湿现象的，如 韦应物（约 735 ～约 792 ）《咏露珠》诗 秋荷一滴露，清夜坠玄天；将来玉盘上，不定始知圆。 这首五言绝句生动地描绘了秋夜由天空掉下的一个露滴，落到展开的碧绿的荷叶面上，成为晶莹透亮的水珠，滚来滚去，煞是好看。“不定始知圆”是说，由于看到露珠在荷叶面上滚来滚去，方知它是圆球形。其实，秋荷上的露珠也不一是从天空掉下来的，秋天的后半夜空气湿度大、温度低，在荷叶上凝结的露水，也可形成露珠。但由现代科学来看，韦应物这首诗正是描述了一滴露珠在荷叶面上不润湿的力学现象。 稍后，白居易（ 772 ～ 846 ）也有—首七绝《暮江吟》 一道残阳铺水中，半江瑟瑟半江红。 可怜九月初三夜，露似真珠月似弓。 也写出了露珠在绿草上的不润湿现象，系诗人于 822 年赴任杭州刺史途中所写。他 选取了在红日西沉的黄昏和一弯新月的夜晚两组景物，生动地描绘了所观察到的力学现象。前两句描 绘了残阳中水面皱起的波动；接近地平线的“残阳”，几乎贴着地面照射过来，像是铺在江上；而暮江水缓缓流动，江面上细波粼粼，波纹受光多的部分，呈现一片红色；受光少的部分，呈现出如同青玉般的深碧色。后两句描绘了新月下，露珠在江边绿草上因不润湿而形成的奇特现象：九月初三夜十分可爱，当初月升起，凉露下降的时候，江边草地的绿草上因为不润湿而挂满了晶莹的露珠；在弓也似的一弯新月的清辉下，圆润的露珠闪烁着光泽，就像是镶嵌在上面的粒粒真珠（珍珠）一样。 润湿与不润湿的现象 液体对固体的润湿，是指液体与固体接触时，沿固体表面扩展的现象。将一滴液体，放在一均匀平滑的固体表面上，会产生两种情况：一种是液体完全展开覆盖固体表面；另一种是液滴与固体表面形成一定角度仍留在固体表面上。这个在固、液、气三相交界处，自固—液界面经过液体内部到气—液界面之间的夹角称为接触角，通常以θ表示。接触角的大小可以反映液体对固体表面的润湿情况。接触角越小，润湿得越好。习惯上将液体在固体表面上的接触角θ＝ 90 °时定义为润湿与否的界线。θ＞ 90 °时为不润湿，θ＜ 90 °则为润湿。水与洁净玻璃的θ＝ 0 ，为完全润湿；水银与玻璃的θ＝ 138 °，所以水银在玻璃上收缩成球形。杜甫、孟浩然、陆游、王勃、王维、辛弃疾等人的诗词涉及的是润湿，而韦应物、白居易的诗，则涉及的是不润湿。 接触角示意图 古人对润湿的作用早有认识。这可以追溯到汉代淮南王刘安（公元前 179 ～前 122 ）等撰写的《淮南子》。它所表述的道家自然天道观中就有“山云蒸，柱础润”之说。后来宋代苏东坡之父苏洵（ 1009 ～ 1066 ）在《辨奸论》中说“月晕而风，础润而雨”，己明确将础石由于润湿出现的潮湿，作为将要下雨的征兆。 在自然界、工程技术和日常生活中，液体对固体的润湿和不润湿现象都有重要的意义和作用。彩色感光材料和录音、录像磁带在生产过程中，都要将配制好的感光材料涂液或磁浆，又快又均匀地涂布到固体薄片基上，然后再干燥、裁切、整理包装成产品。能不能又快又均匀地涂上去，就与所涂液体能否在固体薄片基（现通常是采用涤纶薄膜片基）上润湿，并能迅速铺展开来密切相关。现在比较讲究的印刷纸张表面要加上一层薄薄的涂料，其涂布过程也要考虑涂液对纸基需要有好的润湿性能。在印刷过程中，要又快又好地印出多彩的图案来，各种油墨对纸张也要有好的润湿性能。即使在日常生活中，墙壁的刷浆、家具的刷漆，均都有类似的需要润湿性能好的问题。 生活中有时也希望应用不润湿的现象。几乎所有的防水用品，都希望水对其不润湿。例如风雨衣、雨伞的面布，就希望雨水打到上面后完全不润湿，形成水珠落下。 叶上的水珠 花瓣上的水珠 水珠在毛毛虫身上的不润湿 蜻蜓身上的水珠 据报道，法国有人看到郁金香花瓣的表面粗糙不平，上面有许多仿佛人汗毛形状的物质，当水滴到郁金香花瓣上，因不润湿而保持圆珠状，并自己滑走；从而试图把这—原理嫁接到汽车的挡风玻璃上，将玻璃表面处理成郁金香花瓣表面那样，使水不润湿。当雨水落在这种经过改造的挡风玻璃上，会保持圆珠状，当汽车在行驶时，由于风速和重力的原因，雨滴会自动滑走。如果这一技术成功，汽车的雨刷将成为摆设。其实从一千多年前韦应物和白居易的诗，我们也应可以得到启发，仿照荷叶面或小草表面来改造玻璃面，使雨水完全不润湿，也可以达到雨滴从汽车挡风玻璃上自动滑走的目的。 花枝条上水珠的不润湿 花朵上的水珠 若将一滴液体放到另—种与它不相混溶的液体表面上，则也有润湿与否（亦称能否铺展）的现象。可能发生以下情况： （ 1 ）一种液体（例如油）在另一种液体（例如水）表面上不铺展，形成漂浮的油滴式“透镜”； （ 2 ）一种液体在另一种液体表面上展开形成双重膜，此膜有相当的厚度，形成液 1 —液 2 、液 1 —空气两个界面； （ 3 ）一种液体在另一种液体上展开，形成一单分子膜。 黏性指进示意图 这种液体与另一种和它不相溶的液体之间润湿与否的现象，与发展先进的石油采油技术密切相关。储存在地下石灰岩及其他多孔介质中的原油，经过喷出（称为一次采油）、抽油机抽出（称为二次采油，即平时所常见的“磕头机”抽油）之后，几乎还有一半的石油仍粘附在孔隙中，没有被采出。为迫使这些原油流出，就要在采油井附近再打另一口井，将水（或其他高分子液体）从这口井加压注入，迫使粘附在孔隙中的石油流向采油井再抽出（称为三次采油）。现代科学研究发现，将水加压注入高黏性液体中时，水是按照具有很多细小、且高度分枝的线段组成的珊瑚状分形结构前进的，称为黏性指进（ viscous fingering ）。黏性指进限制了三次采油的效率。因为当水的细指如果由于润湿性能不合适，而从注水井到采油井这段距离破裂时，就有可能从采油井采出的将是注入的水，而不是油，或者水多油少，实际上在油田经常发生这种情况。因此必须在研究黏性指进时，考虑润湿的因素，才能找到控制它们的方法，以发展先进有效的采油技术。 润湿过程与表面张力 润湿过程大体可分为沾湿、浸湿和铺展三类，每一类过程都有定量的公式。用它可判断这一过程能否自发（或自动）进行。 沾湿是指液体与固体接触，变液—气界面、固—气界面为固—液界面的过程。液体对固体的沾湿能力可用黏附功 表示， （ 1 ） 式中 是液体的表面张力，θ是液体在固体表面上的接触角。（ 1 ）式称为杨氏润湿方程。根据热力学，在等温等压的条件下， 的过程为天然过程的方向，这就是沾湿过程自发进行的条件。 浸湿是指固体浸入液体的过程，即变固—气界面为固—液界面的过程。液体表面在此过程中没有变化。浸湿的能力用浸湿功 表示 （ 2 ） 若 ，则浸湿过程可以自发进行。 铺展是一种液体在另一种液体表面上展开的过程。其能力可用铺展系数 来判断 （ 3 ） 式中 ， 分别是液体 1 和液体 2 的表面张力， 是液体 1 、 2 间的界面张力。若 ，则液体 1 能在液体 2 表面上自动展开。 式（ 1 ）～（ 3 ）均涉及到液体的表面张力，那么什么是表面张力，它与润湿现象有什么关系呢？ 表面张力是指垂直地通过液体表面上任一单位孤元，并沿着与液面相切方向的收缩表面的力，以毫牛顿／米为单位，通常用 γ 表示。液体表面的基本特性是倾向于收缩，即总是尽可能取最小的表面积。一切容积相等的形状中，以球形的表面积为最小，因此小量水银和露珠会趋向球形，肥皂膜会自动收缩成滴。这就是韦应物、白居易诗中露珠成球形的原因。 毛细现象示意图 表面张力与润湿现象的联合作用，形成了毛细现象。毛细现象是指将内径很小的管子（毛细管）插入液体中，管内外液面产生高度差的现象。当液体与构成毛细管的固体材料润湿时，管中液面升高并呈凹状；当液体与毛细管材料不润湿时，管中液面下降并呈凸形。毛细现象在科学技术和日常生活中经常可以见到。含有许多毛细管的“上水石”，可作为盆景中的假山，它正是靠水因毛细作用上升的现象，使假山上的植物获得水分。植物所以能够通过根和茎将土壤中的水和养分吸收到自己机体中来，其重要原因也是凭借机体中的毛细管和毛细作用。土壤里有很多毛细管，地下的水分沿着这些毛细管上升到地面上来，如果要保存地下的水分，就要锄松地面的土壤“保墒”，以破坏土壤表层的毛细管，减少水分的蒸发。润滑油通过孔隙进入机器部件中去润滑机器，靠的也是毛细现象。大量多孔性的固体材料，如纸张、纺织品、粉笔、海绵、砖块等能够吸水，是因为水能润湿这些多孔性物质，从而产生毛细现象。“山云蒸，柱础润”，“础润而雨”，础石是多孔性材料，也正是因空气中所含大量水分，由毛细现象使础石潮湿，从而可以作为空气湿度大，将要下雨的预示。 既然表面张力和润湿与否密切相关，那么有没有办法通过加合适的化合物，使液体的表面张力改变，从而改变液体对固体的润湿性能呢？科学研究表明，确有这样的化合物能在很低浓度时，就可显著降低液体的表面张力和固—液界面的界面张力，以改善润湿性能，使液体更易润湿固体。也有这样的化合物，它能降低液—液界面的界面张力，使一种液体能在另一种与它不相混溶的液体表面上更快、更好地铺展。这样的化合物，通常称为表面活性剂或润湿剂。我国感光材料工业就曾使用过合适的润湿剂，攻克了因润湿性能不好、涂布不够均匀，致使冲洗出的彩色电影胶片发花、发闪的难题。我们相信，如选择采用了合适的表面活性剂，将会提高三次采油的采油效率，也会制造出更多更好的工业品与日常生活用品来。
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飞湍瀑流争喧豗
zdwang 2009-2-14 07:58
飞湍瀑流争喧豗
—漫话流体运动致声和声音的双重作用 王 振 东 连峰去天不盈尺，枯松倒挂倚绝壁。 飞湍瀑流争喧豗，砅崖转石万壑雷。 这是唐代诗人李白（701一762年）的名作《蜀道难》片断。《蜀道难》相传是唐玄宗天宝初年，李白第一次到长安时，袭用乐府古题，用浪漫主义的激情，对秦蜀道路上奇丽惊险的山川所作的生动描绘。这段七言古诗片断，被认为是从山川之险揭示古时蜀道之难，描写达到登峰造极地步的四句。诗人先托出山势的高险，用“连峰去天不盈尺”夸饰山峰之高，“枯松倒挂倚绝壁”衬托绝壁之险。然后由静而动，又用“飞湍（tuān）瀑（pù）流争喧豗（huī,喧豗指轰响声），砅（pēng,撞击意）崖转石万壑雷”写出飞流而下湍急的瀑布争竞作响，水石激荡，山谷轰鸣的惊险场景。这好像是一连串的电影镜头：开始是山峦起伏、连峰接天的远景画面；接着是平缓地推出枯松倒挂绝壁的特写；而后是一组快镜头，飞湍、瀑流、悬崖、转石，配合着万壑雷鸣的音响飞快地从眼前闪过，惊险万状，目不暇接，从而造成一种势若排山倒海的强烈艺术效果，使古蜀道之难的描写达到了让人惊心动魂、望而生畏的地步。诗人的这组快镜头正是用飞流惊湍、悬崖落瀑造成的万壑雷鸣的流体运动致声的景象，来达到浪漫主义的艺术描写的。 实际上，不少古代诗人都有涉及流体运动致声的诗句，如高适（约702一765年）《金城北楼》： 湍上急流声若箭，城头残月势如弓。 岑参（约715一770年）《走马川行奉送封大夫出师西征》： 轮台九月风夜吼，一川碎石大如斗，隨风满地石乱走。 刘禹锡（772一842年）《浪淘沙：八月涛声》： 八月涛声吼地来，头高数丈触山回。 唐肃（1328一1371年）《峡口晚泊》： 渐闻湍响急，渡峡是归州。 高启（1136一1374年）《登金陵雨花台望大江》： 石头城下涛声怒，武骑千群谁敢渡？ 唐代诗人韦应物（约735一约792年）与众不同，擅于思理，写有两首涉及思考流体运动为什么会引起巨大声响问题的五言古诗，其一是《听嘉陵江水声寄深上人》： 凿崖泄奔湍，称古神禹迹。夜喧山门店，独宿不安席。 水性自云静，石中本无声。如何两相激，雷转空山惊。 贻之道门归，了此物我情。 其二是《赠卢嵩》： 百川注东海，东流无虚盈。泥滓不能浊，澄波非益清。 恬然自安流，日照万里晴。云物不隐象，三山共分明。 奈何疾风怒，忽若砥柱倾。海水虽无心，洪涛亦相惊。 怒号在倏忽，谁识变化情？ 韦应物这两首诗，不仅形象地描述了流体运动致声的现象，而且还对流体运动为什么会致声，深入思考并提出了疑问：“水性自云静，石中本无声。如何两相激，雷转空山惊。”“海水虽无心，洪涛亦相惊。怒号在倏（shū）忽，谁识变化情？”云静的水和无声的石为什么相拍激就会发出巨大的声响？海水为什么会产生惊涛，为什么突然会发出怒吼的响声？这使诗人在诗的结尾喊出了：“谁识变化情？” 韦应物诗中提出了两个疑问，一是疾风何以引起海水的波涛？这是风生波的流动不稳定性问题，笔者将有另文专门讨论，这里暂不多述。另一是水石相激为什么会发生声响？波涛为什所会发出声响？这同属于流体运动为什么会发出声响的问题。 黄果树瀑布 黄河壶口瀑布 声音是由物体运动产生的 什么是声音？现在我们用“声音”一词有两重意思：客观的声波（或声振动），和人主观的声感觉（即响声）。声波是任何弹性媒质（气体、液体、固体）中传播的扰动（压力、应力、质点速度、质点位移等的变化，或其中几种量的同时变化）。弹性媒质的质点发生振动，以波的形式向四面八方传播开来，就在人的听觉器官上引起了声响的感觉。人可以听到的声波的频率范围为20Hz一20000Hz（每形振动一次为1赫，Hz是赫的符号）。20Hz以下的声波称为次声，20000Hz以上的声波称为超声。在不同的媒质中，声波的传播速度不同，在摄氏20度和标准大气压下，声波在空气中的速度是344米/秒，在水中的传播速度是1450米/秒，在钢铁中的传播速度约为5000米/秒。 声音是由物体运动产生的，然后通过幅射传播传到人耳引起听觉。水、空气、岩石都是弹性媒质，它们之间相撞（包括水与水，气与气相撞）都会发生振动，并以波的形式向四面八方幅射传播，凡在20Hz一20000Hz范围内的声波，人都可以听到。某些形式弹性媒质相撞所幅射的总声功率，己可以从实验和理论计算得到。 声波发出后，遇见物体时还会反射、折射和衍射。人们听到的流体运动所产生的声响，往往是多种声波的组合。当区域的边界条件（如山谷等）使某几种声波互相激励、发生共振时，就会产生轰鸣的感觉。李白《蜀道难》诗中所写飞流惊湍、悬崖落瀑造成的万壑雷呜的音响，也正是多种声波相互激励、产生共振的结果。 我国古代不仅乐律、乐器等发展很早，对声学的理解也是先人一筹。东汉王充（27一约97年）在《论衡》中已将声与水波类比，对声音的波动性质有了正确的看法。北宋张载（1020一1077年）更明确地认为“声者形气相轧而成”，这包括气体相互作用的雷电、固体间撞击、固体高速穿过气体、高速气体喷注及其与固体相遇时产生声音的过程，几乎与今日的理解相同。张载还认为“声成文谓之音”（音指好听的声，现称为律音），“音和乃成乐”（音乐），“响之附声如影之著形”（响是声的作用，即人的声觉），“群呼烦忧”为噪（即噪声）。可见那时对声学理解的表达用字己相当讲究。 声音的双重作用 声音（包括流体运动所致声）对人的影响作用是双重性的。悠扬悦耳的乐曲能使人心旷神怡，消除疲劳。据考古发掘证实，我国约八千年前就已有笛，七千年前就有古老的吹奏乐器一埙，之后有钟、磬、鼓、琴、箫等。《诗经》中提到的乐器，有29种之多。唐代的乐器空前发达，加上外域传来的，据记载己有300种以上。北宋沈括（1031一1095年）在《梦溪笔谈》中记载了琴瑟上调弦时的共振实验：“欲知其应者，先调诸弦令和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦则纸人跃，他弦不动”。明皇子朱载堉在世界上首先提出了十二平均律。这些贡献都是很了不起的。但由于没有形成量化的精确表达方式，所以象振动周期、频率、音速等基本概念都不是首先在中国准确形成的。 瀑流发出的声音有时也是悠扬悦耳的，是对健康有益的环境因素。所以瀑流的声响有时也被当作为旅游资源开发，如天津薊县的盘山以“水胜、石胜、松胜”闻名，其中水胜即由刻于清同治十一年（1872年）的景点“响涧”而来。这里瀑布奔泻和水击岩石的声响声势虽很大，但却叫人心旷神怡，从而使游人赞叹不已。 另一方面，杂乱烦人的噪声使人烦躁不安，威胁着人们的身心健康。噪声是不同频率、不同强度、无规律而杂乱组合在一起的声音。噪声的波形是无规则、非周期的曲线。由构件碰撞或摩擦等所辐射的噪声称为机械噪声；由流体运动或物体相对于流体运动所辐射的噪声，称为气流噪声或水动力噪声。人若長时间留在噪声的环境中，大脑处于兴奋状态不能抑制，会使神经系统失去平衡，引起失眠、疲劳、头昏、思维能力和记忆力衰退等症状，甚是会损伤人的听力。我国规定城市区域环境噪声的标准为：白天45dB一70dB，夜间35dB一55dB（分贝是声功率的单位，以dB表示，0分贝为l皮瓦/平方米，即10的负12方 瓦/平方米）。现在许多地方的噪声已经超出此标准，被称为噪声污染，是一种公害。 噪声在个别时候也可利用，如人们从自然噪声中可获取生活上必需的信息：风啸和雷声可预报风雨。人们也在制造噪声弹，其爆炸产生的噪声波可造成水中鱼儿短时间昏迷，以便人们捕捉。 声纳技术是在水中以声音导航与测距的技术，它能辨认是什么船只发出的螺旋桨声音，以及声音的方向。而潜艇发出的噪声是潜艇的特征之一，所以各国海军均将其潜艇的噪声资料作为绝密资料保存起来。由附图可见船舶噪声的传播途径。 声在水中的传播 气流噪声或水动力噪声是重要的噪声污染源。从喷气机和火箭，锅炉排气放空，汽车和其他热机的进、排气，气动工具，通风系统，到管道和阀门的排气漏气等都有噪声问题。有效地降低流体噪声是减少噪声污染的重要方面。科学工作者在分别研究各种流体噪声的规律和特征的基础上，设计有针对性的消声装置和降噪方法，以降低各种流体噪声。
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但见流沫生千涡
zdwang 2009-2-10 12:46
但见流沫生千涡
─漫话流体中的涡旋 王 振 东 长洪斗落生跳波，轻舟南下如投梭。 水师绝叫凫雁起，乱石一线争磋磨。 有如兔走鹰隼落，骏马下注千丈坡。 断弦离柱箭脱手，飞电过隙珠翻荷。 四山眩转风掠耳，但见流沫生千涡。…… 这是苏轼（1037～1101）所作“百步洪二首”其中一首的上半段，系作者于1078年（宋神宗元丰元年）任徐州知州时所作。诗句形象地写出了舟行洪中的惊险。长洪为乱石阻激，陡起猛落，急湍跳荡。舟行其间，如同投掷梭子一般，就连驾船能手也不免大声喊叫，甚至水边的野鸭，都惊飞起来。急流与乱石互相磋磨，发出撞击的响声。水波有如疾走的狡兔，猛落的鹰隼，如骏马奔下千丈的险坡；轻舟像飞箭脱手，如飞电之过隙，如荷叶上跳跃的水珠，在波涛上动荡。而身处于舟中的乘客，仿佛四面的山峰都在旋转；急风掠过耳边，使人心动神驰。人们所见到的则是流沫飞逝，百漩千涡。 苏轼诗中所述乘船者见到水中“百漩千涡”的涡旋，正是在流体运动中可普遍观察到的一种运动形态。 稍后，宋代诗人范成大（1126～1193）也有两首五言诗，形象地描述了在长江三峡段行舟时，所遇涡旋的惊险情景。一首是“初入巫峡”的五言律诗： 钻火巴东岸，摐金峡口船。束江崖欲合，漱石水多漩。 卓午三竿日，中间一罅天。伟哉神禹迹，疏凿此山川！ 诗中前半段的意思是，寒食节（古代风俗在这天应钻木取新火，直到明朝仍存此风俗）时，在巴东县峡口摐金（Chuang Jin 即敲锣）登舟，入巫峡，江路极狭窄，江流漱（Shù 即冲刷）石回旋成涡，涡旋既多又凶猛。这首诗形象地描述了当时长江巫峡段水中多涡旋的情景。 范成大另一首五言古诗“剌濆淖（并序）”，更加生动地描绘了峡江中涡旋的险恶： 濆淖，盘涡之大者，峡江水壮则有之，或大如一间 屋。相传水行峡底，遇暗石则濆起，已而下旋为涡。 然亦未尝有定处，或无故突然而作，叵测也。舟行遇 之，小则欹侧，大则与赍俱入，险恶之名闻天下。 峡江饶暗石，水状日千变；不愁滩泷来，但畏濆淖见； 人言盘涡耳，夷险顾有间；仍于非时作，未可一理贯； 安行方熨縠，无事忽翻练；突如汤鼎沸，翕作茶磨旋； 势迫中成洼，怒霁外始晕；已定稍安慰，倏作更惊眩； 漂漂浮沫起，疑有潜鲸噀；勃勃骇浪腾，复恐蛰鳌抃。 篙师瞪褫魄，滩户呀雨汗；逡巡怯大敌，勇往决鏖战； 幸免与赉入，还忧似蓬转；惊呼招竿折，奔救竹笮断； 九死船头争，万苦石上牵；旁观兢薄冰，撇过捷飞电。 前余叱驭来，山险固尝遍；今者击楫誓，岂复惮波面？ 澎澎三峡长，飐飐一苇乱；既微掬指忙，又匪科头慢； 天子赐之履，江神敢吾玩？但催叠鼓轰，往助双橹健！ 濆淖（fén nào）是指大涡旋，贲（ji）即为“脐”字，指涡旋的中心。 范成大这首五言古诗及序，生动形象地描述了在长江三峡行舟时，所遇涡旋的惊险情景：有时能安稳行舟，江面上如熨縠 （微波涟漪意）一样顺利恬静；但江水忽然翻滚而起如缣练翻搅，使人猝然不备，只好殊死鏖战渡险，如履薄冰，逃过濆淖。 古诗中关于涡旋的记载，在宋代以前，诗圣杜甫（712～770）的“最能行”一诗中亦有： 欹帆侧柁入波涛，撇漩消濆无险阻 之句，描述驾舟航行时逃避涡旋的情景。 范成大不但对峡江水中的涡旋进行了形象描述，还可见其对涡旋为何产生在进行思考。特别是其涡旋濆起“未尝有定处，或无故突然而作”这段描述，竟与近代流体力学对壁湍流猝发（bursting）现象的描述颇有相似之处。这正像钱钟书先生在《谈艺录》中所说“唐诗、宋诗亦非仅朝代之别，乃体格性分之殊。天下有两种人，斯分两种诗。唐诗多以丰神情韵擅长，宋诗多以筋骨思理见胜。”范成大看起来亦是在“思理”，思考峡江水中涡旋的产生规律，从而留下“无故突然而作”，“无事忽翻练”，“突如汤鼎沸，翕作茶磨旋”等精彩的诗句。 在考古方面，我国甘肃省1973年出土的彩陶涡旋纹双耳壶，表明人类对涡旋的观察历史已很长久了。 中国马家窑文化的陶瓷彩绘，其中涡旋 纹饰是结构复杂、完美而又典型的几何纹饰 实际上也不只是江水中有涡旋，在自然界中我们经常可以看到各种形形色色的流体涡旋。 河流拐弯处的涡旋 涡旋是流体运动的肌腱 涡旋是流体团的旋转运动。德国力学家、近代力学的奠基人之一普朗特（L.Prandtl）的学生、空气动力学家屈西曼（D Küchemann）曾经说过：“涡旋是流体运动的肌腱。”这句话深刻概括了涡旋在流体运动中的作用，现在己成为流体力学中的至理名言。 普朗特的另一位学生、已故的北航陆士嘉教授更进一步地指明“流体的本质就是涡，因为流体经不住搓，一搓就搓出了涡。”这句话既道出了流体与固体的本质区别，又点明了在流体运动中出现涡旋的原因。这里的“搓”是指作用在流体上的剪切力。只要有物体（如飞行器、船舰、汽车、火车等）在流体中运动，紧贴在物面上的流体由于粘附在物面上，会被物体带着一起运动，而远处的流体却在静止中，这就产生了“搓”流体的剪切力。 有攻角（即锥头的轴与来流速度的夹角）的锥头在 背风面处涡的后部断面图。人们形象地称为“猫眼图”。 涡旋通常用涡量来量度其大小和方向，涡量定义为速度场旋度的一半。在流体中，只要有“涡量源”，就会产生涡旋。流体团所受到的力，可以分为体积力（如引力、惯性力、电磁力等）、和表面力，表面力又可分解为垂直于流体团表面的法向力（即压力）和与表面相切的切向力（即剪切力）。 近代流体力学已经证明：如果体积力不能表示为一个势函数的梯度，就会有一个“涡量源”；黏性加上固体边界，就会有“搓”，又是一个“涡量源”；如果流体的状态方程中有两个以上独立的热力学变量（在流体力学中称作是斜压流动），也是一个“涡量源”。 因为上述几种“涡量源”在流体运动中是普遍存在的，所以涡旋就成为流体运动中极为普遍的运动形态。 飞机着陆时气流场中的涡旋。这是协和式飞机着陆时流场中涡旋的正视图。 涡旋星云、台风、龙卷风 宇宙空间的涡旋星系，大概是我们见到的尺度最大的涡旋。中国科学院外藉院士林家翘教授曾在研究涡旋星系方面，做出过开创性的贡献。 美斯波策太空望远镜所拍距 地球700光年的涡旋星系图片 银河系的俯视图（左）和侧视图（右）。银河系属于涡旋星系，银盘是银河系的主体，是一直径约8.2万光年，厚度约4200光年，中间厚、边缘薄的扁盘。 夏季在电视台气象预报节目展示卫星云图时，经常可以看到由大团白云显示的热带气旋，这也是尺度相当大的流体涡旋。过去曾将它们统称为台风，现在按气象部门的定义，当热带气旋中心附近的风力为8～9级时称为热带风暴，10～11级时称为强热带风暴，12级及以上则称为台风。在北半球，热带气旋是反时针方向旋转的强烈的涡旋，其形状如漏斗，下层周围的空气向中心流入并向上升，而上层空气则向四周流出，其半径可达数百公里。由于它对人类的生活、生产有极大的破坏力，所以气象部门已将每年发生的热带气旋编号并命名来进行观测和预报。 航天飞机拍摄的台风照片 海面和地面上的龙卷风，其涡轴从海面或地面一直延伸到云层，在涡的中心有强烈的轴向流，能将海水或地面上的物品卷吸到高空，也是一种破坏性极强的涡旋。 龙卷风 卡门涡街及其应用 当流体流过一柱体时，在柱体后面的尾流中会出现两排互相交错的涡旋。普朗特的学生、著名力学家冯•卡门（von Kármán）1911～1912年对这一现象给出了清楚的理论分析。后来人们就用其名字来命名，称为卡门涡街。 冯•卡门自己在1954年出版的《空气动力学的发展》一书中说：“我并不宣称，这些涡旋是我发现的。早在我生下来以前，大家己知道有这样的涡旋。我最早看到的是意大利Bologna 教堂中的一幅图画。图上画着 St. Christopher 抱着年幼的耶稣涉水过河。画家在 Christopher 的赤脚后面画上了交错的涡旋。” 卡门涡街 1940年11月7日，美国建筑史上发生了一场悲剧。由一位精明能干的桥梁工程师建造的全长853.4米 的塔科马（Tacoma ）海峡悬桥，在一场并不算大的风（风速仅19米/秒）中发生了剧烈的扭曲振动，振幅接近9米；不到1小时，这座价值640万美元的大桥便崩塌殆尽。大桥的崩塌引起了美国工程界的震惊，许多专家从不同角度来分析研究崩塌的原因。最后从理论和实验上证实了，大桥边墙在大风中发放的卡门涡街是这座大桥崩塌的祸根。这件事情使卡门涡街声名大振。后来，人们在设计桥、塔桅、超高建筑时，都必须将卡门涡街作为一个重要因素来考虑，以使它们安全可靠。 人们还根据卡门涡街的原理，将圆柱放置在均匀流动中使其产生尾流，通过测量尾流产生的卡门涡的发放频率，以达到测量流速和流量的目的。这种名为“卡门涡街流量计”的流量测试装置，目前己在工业界得到了广泛的应用。 涡旋的害与利 前面所谈到的急流的大涡旋，台风，龙卷风等常常伴随着灾难或惊险，从而引起人们全神贯注的集中关心或全力拼搏、抢救，所以社会科学也将“涡旋”一词移植了过去，用来比喻遇到了极大的麻烦，像“陷入了某问题的涡旋”。 实际上，在人们的生活与生产活动中，有时需要防止涡旋的不利作用，有时也需要涡旋帮忙，发挥涡旋的积极作用。 涡旋的产生伴随着机械能的耗损，从而使物体（飞机、船舰、车辆、汽轮机、水轮机等）增加流体阻力或降低其机械效率。但另一方面，也正是依靠适当设计的外形，才能产生使飞机获得升力、又减少阻力的涡旋。 在水利工程中，例如水坝的泄水口附近，为保护坝基不被急泻而下的水流冲坏，需采用消能设备，人为地制造旋涡以消耗水流的动能。 还可以利用涡旋这种急剧的旋转运动，完成加快掺混媒质的任务，以加快化学反应的速度，增强轻工、冶金过程的混合速度，大大提高燃烧效率和热交换效率等。 人为制造涡旋所制成的旋风分离器，可用来分离由锅炉排放出烟气中的固体颗粒，使烟筒排放的气体较洁净，以达到环境保护的目的。 涡旋有害也有利，所以科学工作者要研究如何在生产过程中控制涡旋的产生和发展，并对自然界中有巨大破坏作用的涡旋加强预报，研究减轻灾害的方法。
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郡亭枕上看潮头
zdwang 2009-2-9 10:30
郡亭枕上看潮头
—漫话潮汐及其开发利用 王 振 东 江南好，风景旧曾谙。 日出江花红胜火，春来江水绿如蓝。能不忆江南？ 江南忆，最忆是杭州。 山寺月中寻桂子，郡亭枕上看潮头。何日更重游？ 江南忆，其次忆吴宫。 吴酒一杯春竹叶，吴娃双舞醉芙蓉。早晚复相逢？ 这篇“忆江南”，是诗人白居易（772—846年）抒发对江南忆恋之情的名作。早在青年时期，白居易就曾漫游江南，行旅苏杭；中年又曾先后于822年任杭州刺史，825年任苏州刺史。江南，特别是苏杭二州的秀丽风景，给他留下了美好的回忆。回洛阳后曾作多首诗词敍苏杭胜事，此词系开成三年（838年）他67岁时所作。 我们着重来看此词中段。偌大一个杭州，可忆的美景当然很多，而按此词牌结构，只能纳入两句，这就要选择最有代表性、感受最深的景物。月中桂子和浙江涌潮，便是白居易所选最有代表性、最美的回忆。钱塘江（又名浙江、之江、罗刹江）流至海门入东海，钱塘江大潮汹涌澎湃，犹如直立的水墙，排山倒海而来，怒潮滚滚，势不可当；潮头如万马奔腾，山飞云走，撼人心目。所以诗人任杭州刺史时，躺在郡衙建造的亭子上，就能观赏那卷云拥雪的壮丽景色。“郡亭枕上看潮头”，其形体当然是静的，但其内心世界是否也是静的呢？ 白居易另有一首七绝“观潮”，可以说明其观潮时的内心活动： 早潮才落晚潮来，一月周流六十回。 不独光阴朝复暮，杭州老去被潮催。 这里显然己蕴含着人生有限、而宇宙无穷的哲理，很值得人们深思。 苏轼（1037—1101年）在杭州任通判时，于宋神宗熙宁六年（1073年）写了五首钱塘看潮七绝“八月十五日看潮五绝”： 定知玉兔十分圆，己作霜风九月寒。 寄语重门休上钥，夜潮留向月中看。 万人鼓噪慑吴浓，犹似浮江老阿童。 欲识潮头高几许？越山浑在浪花中。 江边身世两悠悠，久与沧波共白头。 造物亦知人易老，故教江水向西流。 吴儿生长狎涛渊，重利轻生不自怜。 东海若知明主意，应教斥卤变桑田。 江神河伯两醯鳮，海若东来气似霓。 安得夫差水犀手，三千孩驾射潮低。 第一首只是做出看潮的打算，是一组诗的开头。第二首描述所看到潮的实景。第三至第五首，均是抒发看潮后兴起的感想、感慨、议论。我们着重来看第二首，其前两句“万人鼓噪慑吴侬，犹似浮江老阿童”连用了二个比喻，描绘潮来时的威势。怒潮掀天揭地呼啸而来，潮头奔涌，声响洪大，有如万人鼓噪，使弄潮和观潮的吴浓（吴人称我为浓），无不为之震慑。这里暗用了春秋时代吴越战争中的一个故事。鲁袞公十七年（公元前478年），越国军队在深夜中进攻吴军的中军，就在战鼓声中，万军呼喊前进，使吴军主力于震惊之余，一敗途地。诗人借用越军在此战役中迅猛攻坚的声威，非常形象地比喻奔啸的潮头。第二句又用了另一个威势壮猛的比喻，说是怒潮之来，有如当年王阿童（阿童是西晋名将王浚的小名。唐代诗人刘禹锡《西塞山怀古》诗中曾写：“王浚楼船下益州，金陵王气黯然收”）统率长江上游的水军，浮江东下，楼船千里，一举攻古吴都建业（今江苏南京）。这两个句都是实景虚写，借用典故比喻，写出了潮势之大。第三四句，则是实景实写，夸饰描述潮头之高。先以“欲识潮头高几许？”故作设问，以引出“越山浑在浪花中”的回答：这潮头究竟有多高呢？越山竟好似浮在浪花中间了。越山近指吴山和凤凰山，远指龛山和赭山，龛山、赭山在萧山境内对峙，形成海门。现在看来，海门在苍茫浩瀚的潮水中，潮头似卷越山而去，白浪滔天，怒潮似箭。这时诗的境界，也仿佛图画一样展现在人们眼前了。 2006年9月的钱塘江潮 实际上，众多唐宋诗人墨客，还留下不少精彩的诗句，描述过钱塘江大潮的雄伟壮观。 如宋之问“灵隐寺” 楼观沧海日，门对浙江潮。 苏轼“催试官考较戏作” 八月十八潮，壮观天下无。 刘长卿“送陶十赴杭州摄篆” 浙中山色千万状，门外潮声朝暮时。 陈师道（1053—1102）“观潮二首” —年壮观尽令朝，晚日沉浮急浪中。 李廓“忆钱塘” —千里色中秋月，十万军声半夜潮。 张舆“江潮” 罗刹江头八月潮，吞山挟海势雄豪。 刘禹锡（772一842年）“浪淘沙.八月涛声” 八月涛声吼地来，头高数丈触山回。 这些诗句都生动、集中地表现了雄奇壮阔、声势浩大、千姿百态的钱塘潮景观。 我国有18000多千米的海岸线，海域面积470多万平方千米，南部沿海平均潮差4—5米的地区比比皆是，以钱塘江口的潮差最大。夏季去北戴河旅游时，许多人去过山海关附近的孟姜女庙。在孟姜女庙堂的门口，有一幅不大容易念下来的对联： 海水朝朝朝朝朝朝朝落 浮云长长长长长长长消 这正是关于描述潮汐与白云的流体运动现象的一幅对联，可以念为： 海水朝（cháo）、朝（zhāo）朝（zhāo）朝（cháo）、朝（zhāo）朝（cháo）朝（zhāo）落； 浮云长（zhǎng）、长（cháng）长（cháng）长（zhǎng）、长（cháng）长（zhǎng）长（cháng）消。 这里，朝（cháo）与潮通用。 （清）袁枚：观潮图 （南宋）李嵩：月夜观潮图 潮汐及其产生原因 那么什么是海洋潮汐？为什么钱塘江的潮汐如此雄伟壮观呢？ 从流体力学看，海洋潮汐是海水受引潮力作用，而产生的海洋水体的长周期波动现象，它在铅直方向表现为潮位升降，在水平方向表现为潮流涨落。古人将早晨海水上涨称为潮，黄昏上涨称为汐，故合称为潮汐，或称海潮（古代涛与潮通用）。月球、太阳或其他天体对地球上单位质量物体的引力，与对地心单位质量物体的引力之差称为引潮力。太阳因离地球远，其引潮力只有月球的46％ 。农历每月的朔（初一）和望（十五或十六），月球、太阳和地球的位置大致处于一条直线上。此时月球和太阳的引潮力的方向相同，所引起的潮汐相互增强，使潮差出现极大值。这种极大值每半个朔望月（14.7653天）出现一次，称为大潮。农历每月上弦（初八或初九）、下弦（廿二或廿三）时，月球和太阳的引潮力方向接近正交，互相削弱情况最显著，故潮差达极小值，称为小潮。 古人对潮汐的认识，可追溯到汉代王充（27一97年）在《论衡》中所说“涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同”，它科学地说明了潮汐对月球的依赖关系。宋代余靖（1000一1064年）指出潮汐是—种“彼竭此盈，往来不绝”的波动现象。西方到17世纪，才由牛顿（1643一1727年）根据其提出的万有引力定律，用引潮力说明潮汐的原因，并为大家所接受。之后，D.伯努利1700—1782年）和P.S.拉普拉斯（1749一1827年）分别建立了潮汐的静力学和动力学基本理论。到19世纪60年代末，才形成潮汐分析和预报的方法，并得到应用。 杭州湾喇叭口形势图 发生在杭州湾钱塘江口的潮水暴涨现象，被称为钱塘江涌潮。我国沿海的潮波主要是由太平洋传入的，浙江沿岸、杭州湾一带正当其冲，加上杭州湾连接钱塘江口呈漏斗形状（见杭州湾喇叭口形势图），水域变浅变狭，单位体积海水的势能增大，致使潮差在海宁可高达8.93米。潮波在这里又与河水相遇，波面受到较大的阻力，使潮波波峰的前沿出现破碎现象；又遇水下沙埧，迫使涌潮分为“东湖”和“南湖”两支，继续向河口推进，并在大尖山和海宁之间发生潮波的折射、反射和交汇，有时能激起十余米高的水柱。破碎的的潮峰呈滚滚白浪，高度1一2米，并以4一6米/秒的速度传播。大潮带来的海水，一秒钟内常可达数万吨，所产生的力量也是惊人的。1953年8月的一次大潮，竟将海宁镇海塔附近高出海面七八米的石塘上，一座1500多千克重的“镇海铁牛”，冲出十几米之外。因为每年农历八月十八日，恰逢临近秋分的大潮，又正值雨季，平均海面升高，若再遇强劲东风或东南风，则风助潮势，涌潮的景象更加壮观，诗人描述的吞山挟海、涛声吼地、雄奇壮阔、千姿百态的钱塘潮景观就出现了。所以现在每年农历八月十八日，已被海宁定为观潮节，它吸引着海内外游客前去观赏。 在流体力学中，把涌潮看作是逆水流传播的水跃。所谓水跃是指海水自由表面，从一个高度在很短的距离内跃升到较大的高度。可用弗劳德数描述 涌潮是否出现。当弗劳德数略大于1时，出现弱涌潮波；当弗劳德数远大于1时，出现强涌潮波。对具体河?来说，潮差大并有平缓、宽阔漏斗形状的河口是发生涌潮的基本条件，钱塘江ǔ正具备了这二个条件。世界上至少有15处以上的涌潮，如南美州的亚马逊河?，涌潮可高达5米，流速约6米/秒；法国的塞纳河口，涌潮高达4—6米。 世界上最大潮差在加拿大的芬迪湾，为19.6米。我国沿海的平均潮差在1—4.5米之间，最大潮差就在钱塘江口，为8.93米。 潮汐的开发利用 潮汐的升降、涨落与人们的生活和生产活动密切相关。舰船的进、出港与航行，沿海地区的渔业、农业、盐业，港口建没，环境保护等，都必须考虑潮汐的变化规律。 海流、潮汐和波浪是海水运动的主要方式，利用潮汐发电是能源开发的—个重要方向。全世界潮汐能可开发的总客容量约10—11亿千瓦，如能充分利用，年发电量可达12400亿度。我国海岸线长达1.8万多公里，岛屿岸线长1.4万多公里，且港湾交错，蕴藏着极其丰富的海洋潮汐能源。据1985年普查，我国的潮汐能可开发的总容量约2158万千瓦，年发电量可达619亿度。 利用海潮涨落形成的潮汐能发电的水电站，称为潮汐电站。潮汐电站—般在地形和地质优良的海湾入口处建堤坝、厂房和水闸，与海隔开形成水库，利用涨落潮时库内水位与海水之间的水位差，引至厂房内的水轮发电机组发电。 潮汐电站有许多优点： （l）是可再生能源。潮汐周而复始，可经久不息地利用。 （2）虽有周期性间隙，但具有准确规律可预报，能有计划地纳入电网运行。 （3）是清洁能源。无废弃物的污染问题。 （4）没有淹没损失、移民等问题。 （5）—般离用电中心近，不必远距离送电。 （6）水库内可发展水产养殖、围垦和旅游。 在全球化时代的令天，资源和能源的效率将是市场经济持续成功发展的重要标志。由于潮汐电站有以上优点，世界上经济较发达的沿海国家，都很重视潮汐能的开发利用。 目前潮汐电站尚处于试验探索阶段，以法国起步最早，成效最大。法国在圣玛珞1966年建成的“朗斯”潮汐电站，年发电量达54400万度。加拿大在芬迪湾1983年投入运行的“安纳”潮汐电站，年发电量5000万度。 我国从20世纪60年代起，在山东、江苏、浙江、福建、广东等省已修建10多座小型潮汐电站，为沿海农村、渔场提供电能。浙江省温岭的江夏潮汐电站，是世界已建成的较大双向潮汐电站之一，这里最大潮差8.93米，平均潮差5.08米，电站功率3200千瓦，1989年发电量620万度。福建平潭幸福洋潮汐电站，最大潮差7.16米，平均潮差4.54米，年发电量达315万度。曾有人估计，著名的钱塘江大潮，如用来发电，其发电能力几乎等于三峡水电站的50﹪。 我们有理由相信，在强调可持续性发展战略和科学发展观的今天，我国沿海潮汐能的开发利用必将会受到重视，—定会使古代诗人笔下描述的潮汐，为我国现代化建设提供更多的电能。
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不尽长江滚滚流
zdwang 2009-2-1 08:10
不尽长江滚滚流
—漫话流体与流动性 王 振 东 何处望神州？满眼风光北固楼。 千古兴亡多少事？悠悠，不尽长江滚滚流！ 这是辛弃疾（1140一1207年）在宋宁宗嘉泰四年（1204年）三月赴镇江任知府，登临北固亭时，所写的《南乡子·登京口北固亭有怀》一词的上半阕。词人站在长江之滨的北固搂上，满眼望去，那壮丽的自然山水里,似乎隐隐弥漫着历史的烟云，引起了千古兴亡之感。因此，接下来问一句：“千古兴亡多少事？”纵观千古成敗，往事悠悠，词人以流体的流动抒发了感怆雄壮的忧虑之情，以长流不息的江水表达了胸中翻滚的不尽愁思和感慨。 唐宋诗词的一些名家颇善于用流体的流动性来表达各种情感，写出了一些脍炙人口的精美绝句： 李白（701一762年）《金陵酒肆留别》诗 请君试问东流水，别意与之谁短长。 《梦游天姥吟留别》诗 世间行乐亦如此，古来万事东流水。 《将进酒》诗 君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。 君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。 杜甫（712一770年）《登高》诗 无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来。 李煜（937一978年）《虞美人》词 问君能有几多愁？恰似—江春水向东流。 寇準（961一1023年）《江南春二首（其二）》诗 日落汀州一望时，柔情不断如春水。 王安石（1021一1086年）《桂枝香.金陵怀古》词 六朝旧事随流水，但寒烟衰草凝绿。 苏轼（1140一1207年）《念奴娇.赤壁怀古》词 大江东去，浪淘尽，千古风流人物。 在诗句中用流体的流动抒发情感的事，可以追溯到我国最早的诗歌总集—《诗经》。它是自西周末年到东周春秋中叶（公元前1100一约公元前600年）这500年间的抒情诗集，共有305首，约在公元前600年左右编集成册。现在我们来看其中用流体的流动性抒发情感的两首（左为原诗，右为白话译文）： 《邶风.柏舟》 泛彼柏舟， 泛荡着的柏木舟， 亦泛其流。 随着河水在飘流。 耿耿不寐， 焦虑不安难成眠， 如有隐忧。 痛苦忧伤涌心头。 微我无酒， 不是我家无美酒， 以敖以游。 遨游也不能消愁。 诗中以随河水飘流的柏舟，写出了主人公沉郁的心情。即使是美酒、遨游也不能排除自己的痛苦忧伤。邶（bèi）是周代诸侯国名，在今河南省汤阴县东南。 《邶风.泉水》 毖彼泉水， 清清泉水泛绿波， 亦流于淇。 涓涓流淌入淇河。 有怀于卫， 怀念卫国我故土。 靡日不思。 没有一天不惦记， 娈彼诸姬， 同来姊妹多美好， 聊与之谋。 且和她们共商议。 诗中以泉水始出，涓涓地流淌入淇河，比喻出嫁他国的妇人不能回归卫国，却又没有—天不在思念卫国。无可奈何时，只有与同嫁来的女子谈昔日，念故旧，想亲人，思回归，含情不尽。 王安石“桂枝香”（六朝旧事随流水）插图 流动性是流体的主要特性。在常温常压下，物质可分为固体、液体和气体三种状态（在特殊情况下，还有等离子态和超固态）。近代物理学的研究表明，任何物质都是由大量分子构成的，这些分子处于永不停止的随机热运动和相互碰撞之中，同时各分子之间还有—种相互作用力。对于固体，分子间相互作用力较强，无规则运动较弱，不易变形；对于气体，分子间作用力较弱，无规则运动剧烈，易于变形和压缩；对于液体，其特征介于固体和气体之间，易变形，不易压缩。气体和液体又合称为流体。从力学分析的角度，通常认为，流体与固体的主要差别在于它们对于外力的抵抗能力是不同的。固体有能力抵抗—定大小的拉力、压力和剪切力。当外力作用在固体上时，固体将产生—定程度的相应变形。只要作用外力保持不变，固体的变形也就不会变化。因此，当固体静止时，既有法应力，也有切应力。而流体在静止时，不能承受切向应力，任何微小的剪切力的作用，都会使流体产生连续不断的变形。只有当外力停止作用时，流体的变形才会停止。流体这种在外力作用下连续不断变形的宏观特性，通常称为流动性（或易流性）。 自然科学：比拟流体流动进行研究 在自然科学的发展历史上，有许多将其比拟流体流动进行研究的例子。 爱因斯坦（A.Einstein）和英费尔德（L.Infeld）合著的《物理学的进化》一书中，就谈到了一些在物理学上比拟流体流动进行研究的事例。如： 对热学的研究，一开始就是将其与水比较，比拟水从较高的水位流向较低的水位，认为热从较高的温度流向较低的温度。后来虽已将热看成能的形式之一，但这种热流的比拟仍在起作用。 对电学和磁学的研究，早期也都曾比拟为电流体和磁流体来研究电磁现象。后来又比拟流场，来研究电场和磁场。 在光学的研究上，有比拟质点运动的“粒子说”，和比拟流体波动的“波动说”，后来“粒子说”演化为“量子说”，但“波动说”仍然存在。 在声学的研究中，声速本身就定义为小扰动传播的速度，所以声学更是以比拟流体波动在研究发展。 在天文学的研究上，有不少概念也是比拟流体流动得来的，如将夜晚天空中由闪烁的星座组成的一条明亮的光带，比拟成“银河”。又如，将银河系之外一种从正面看形状象涡旋，从侧面看形状象梭的星系，称为“涡旋星系”；将星际空间分布着的许多细小物体与尘粒，叫做“流星体”。 现代自然科学正面临着深刻的变化，非线性科学贯穿着数理科学，生命科学、空间科学和地球科学，成为当代科学研究最重要的前沿领域之一。而推动非线性 科学发展的一些重要概念恰巧又来源于流体运动的研究。如： 孤立波，是拉塞尔（J.S.Russell）于1834年在爱丁堡挌拉斯哥运河中，观察到的一种他称作大传输波的现象。当时他正骑在马背上，追踪观察一个孤立的水波在浅水窄河道中的持续前进，这个水波长久地保持着自己的形状和波速。这一奇妙现象的发现，就是关于孤立波和现今关于孤立子研究的起始。 混沌的研究尽管在数学上可以追溯到Poincare栅栏和Birkhoff平面环扭转映射的吸引子，但促使混沌研究热起来的，却正好是流体湍流的研究。洛仑兹（E.N.Lorenz）于1963年在研究大气对流现象时，从流体动力学基本方程组（纳维一斯托克斯方程组）出发，经过量纲一化并作傅里叶级数展开，截取头一二项，得到傅里叶系数满足的一组常微分方程，称为洛仑兹方程（Lorenz方程），它的解在一定的参数范围内，当时间充分大时是一个混沌解。自洛仑兹模型发表之后，对混沌的研究才热了起来。 分形，是曼德勃罗（B.B.Mandelbrot）1967年在研究湍流时首先提出的，并将其应用于星系、海岸、河网、树皮等的测量，现己应用到自然科学和工程技术的各个领域，成为推动非线性科学的重要概念之一。 洛仑兹吸引子 曼德勃罗集 社会科学：比拟流体流动进行研究 在人文社会科学中，经常可以看到用比拟流体流动所引出的许多概念和术语。如： 将文学上的一种创作方法称为“意识流”； 将人们工作单位或地方的改变，称为“人才流动”； 将社会成员的社会地位或职业的改变，称为“社会流动”； 将某产品的加工过程分成若干不同的工序，按顺序进行，称为“流水作业”，这样的生产线亦称为“流水线”； 将商品或资金的周转过程，称为“流通过程”； 将物资的运输、配送，称为“物流”； 将某一件事的历史很悠久，称为“源远流长”； 将时间过得非常快，称为“年华似水流”或“似水流年”； 将人的心情很平和、安静，称为“心平如水”或“心静如水”； 将没有根据的传言，称为“流言蜚语”； 将感情不自觉地表现出来，称为感情的“流露”； 将某一事物或事件在短时间内集中出现，比喻为“潮水”，如“学潮”、“民工潮”、“金融潮”等等。 在军事科学上，被国际公认为最早的军事理论著作的《孙子兵法》，其“虚实篇”的最后一段： 夫兵形象水，水之形避高而趋下，兵之形避实而击虚。水因地而制流， 兵因敌而制胜。故兵无常势，水无常形。能因敌变化而取胜谓之神。故五 行无常胜，四时无常位；日有短长，月有死生。 也正是将用兵作战比拟如同水的流动。 “兵无常势，水无常形”这段话的意思是：用兵作战如同水的流动。水流动的规律是避开高处而流向低处；用兵取胜要避开敌人坚实之处，而攻击其虚弱的地方。水因地势的高低而不断改变流向，用兵作战要根据敌情变化而决定其取胜的方针。水没有固定不变的形态，所以用兵也没有固定不变的原则。能够根据敌情的变化而取得胜利的，才可以称得上用兵如神。用兵作战的原则，如同自然现象一样，五行（古人认为：金、木、水、火、土是五种物质）相生相克；四季（春、夏、秋、冬）依次交替，不可能哪一个季节在一年中常在；白天有短有长，月亮有明暗圆缺，永远处于变化之中。这段话以流体的流动等自然现象的变化，生动地比喻并阐述了兵家之法。 《孙子兵法》系孙武（约公元前500—前440年）所著，此书总结了春秋（公元前770—前476年）末期及以前的作战经验，揭示了战争的—些重要规律。所以，这实际上是我国古代对流体属性认识和应用得很早的科学论述。 还有一个有趣的例子，是莱特希尔（M.J.Lighthill）和惠瑟姆（G.B.Whitham）于1955年成功地将行驶的车流，当作可压缩流体来处理。他们提出了一个流体力学的模型来研究一条很长的单行路上车辆的运动。于是在研究交通管理时，又出现了“交通流动”的概念和术语。 流体与固体的区分并不绝对 前面谈到流体与固体的主要区别在于会不会流动，而这种区分实际上并不绝对。当放大了时间尺度后，就可以看到固体也会流动。沥青是固体，但容易发现，在马路旁边堆放着的准备修路用的沥青，时间一长就在悄悄地“流动”，向四周伸展开去。由于小草生长不快，可以慢慢地将铺设简单又较薄的沥青面推开，在地上露出来。瑞利（J.W.S.Rayleigh）对玻璃板作过一个实验：取一块长35厘米、厚0.3厘米的玻璃板，在沿长度的两边支起来，板的正中放一6千克重物。从1938年4月6日到1939年12月13日，放置了一年零八个月后，将重物取下，测出玻璃板中部向下“流动”了6×10的负4次方 毫米。这个实验表明，玻璃在受力相当长的时间后，也具有流体的性质。 金属会有蠕变，也是一种流动。当观察地层断面时，我们可以看到岩石有皱纹状的褶曲结构，这是岩石在流动的证据。在几亿年的地质年代里，岩层受着横向的力而流变或褶曲形状。在一些山谷里，冰川慢慢地向下流了几千年，古代冰川流动的痕迹还遗留在岩石的表面上。有人测量计算过冰川的黏滞性，大约是混凝土的100万倍；而混凝土的黏滞性，大约是水的100亿倍。可见无论冰川是多么“黏”，多么难于流动，然而经过几千年、几万年，冰川终就还是在慢慢地向下流动。当然还有一个使固体流动的因素是温度。温度升高后，也会促使固体更快地表现出流动性质。 秦岭岩石褶曲结构图 流体与固体的关系还巧妙地在现代工业生产中表现出来。现代工业生产工艺的重要趋势之一，是将固体形态的原材料采用粉碎、浸提、熔化、加某种流体搅拌等办法使之流体化后，在流体运动的过程中进行反应、提炼、加工、改性等，最后再经过冷却、干燥、浓缩、蒸发、挤入模具等形成固体形态的产品。如冶金、造纸、化纤、塑料、橡胶、化肥、制糖、制造巧克力等食品……无一不是这种工艺思路。于是，这些工业生产的效率及产品的质量，也就在很大程度上依赖于人们对流体运动规律的认识、掌握和应用。 总之，人们在从流体运动及其规律中吸取各种各样的“营养”，去发展自然科学和人文社会科学，去发展生产，为人类造福。
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春蚕到死丝方尽
zdwang 2009-1-23 19:44
春蚕到死丝方尽
—漫话液体的拉丝现象 王 振 东 相见时难别亦难，东风无力百花残。 春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干。 晓镜但愁云鬓改，夜吟应觉月光寒。 蓬山此去无多路，青鸟殷勤为探看。 这首脍炙人口的七言律诗，是唐代诗人李商隐（约813—858）所作的《无题》。由于此诗早已脍炙人口，所以被选入包括《唐诗三百首》在内的各种唐诗选本之中。“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”是这首七律中最有名的两句。后人常用这两句来赞美人间忠贞不逾的愛情，歌颂心目中的英雄人物和人类灵魂工程师那种“鞠躬尽瘁，死而后已”的崇高精神。可是当您诵读“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”时，是否曾想到，在这名句之中，也蕴含着十分有趣的力学现象。 李商隐诗中并没有明确说蚕丝是怎么形成的，但是从古至今，一直有人根据头脑中的“常识”，想当然地认为，蚕丝是从蚕的嘴里“吐”出来的。如唐代诗人于濆所写的《野蚕》： 野蚕食青桑，吐丝亦成茧。无功及生人，何异偷饱暖。 我愿均尔丝，化为寒者衣 。 与蚕丝成茧类似的现象，还有蜘蛛以丝结网。另一位唐代诗人苏拯的《蜘蛛谕》写道： 春蚕吐出丝，济世功不绝。蜘蛛吐出丝，飞虫成聚血。 蚕丝何专利，尔丝何专孽。映日张网罗，遮天亦何别。 倘居要地门，害物可堪说。网成虽福已，网败还祸尔。 小人与君子，利害一如此 。 在现今的报刊及文学著作中，也经常可见到蚕“吐”丝，蜘蛛“吐”丝的说法。 我国当代文学家周汝昌先生称“春蚕到死丝方尽，蜡炬成灰泪始干”这一诗句，有“惊风雨的境界，泣鬼神的力量”，并对此诗句作过精彩的注释：“春蚕自缚，满腹情丝，生为尽吐；吐之既尽，命亦隨亡。绛蜡自煎，一腔热血，爇而长流；流之既干，身亦成烬。有此痴情苦意，几于九死未悔，方能出此惊人奇语。”对于如此精美的注释，笔者亦颇欣赏，但从力学的观点可以提出这样的问题：蚕丝究竟是怎样形成的，是蚕从嘴里“吐”出来的吗？ 蚕丝是拉出来的 现代科学对蚕丝形成的过程，已有了明确的认识。蚕卵孵化成议蚕后，在25—30天内经过5个龄期，蜕4次皮，发育成5龄蚕。5龄蚕食桑6—8天后停止食桑，皮肤透明，成为熟蚕。这时蚕腹的丝腺内充满了由于化学反应形成的黏液体——蚕丝的原料，亦称为丝液。“后部丝腺”是合成丝蛋白的地方，“中部丝腺”是贮存丝蛋白的胶质溶液（即丝液）的地方。 蚕的丝腺（贮存丝液的地方） 蚕茧 让我们仔细观察一下蚕出丝的动作。蚕将嘴里的丝液粘到某物体上（丝液中的丝胶起着“粘”的作用），然后蚕的头按照8字形左右摇摆，摇晃着把丝液拉成丝线，靠丝线表面上剩留的丝胶将丝线粘到茧的内侧，这样就慢慢地做成了茧。 有人作了这样的试验：让一个粘着丝液的物体也隨着蚕的脑袋一起摆动，那么从蚕的嘴里就“吐”不出丝线来了。也就是说，如果蚕的脑袋不摆动，丝线就不会“吐出来”。而如果拿往丝线头抽拉，可以连续不断地拉出丝线来；如果你用剪刀将丝线剪断，蚕就不能再继续拉丝了，于是它的脑袋就在空中摇晃着，试图再找一个拴线的地方拉丝。这个试验说明：蚕丝不是“吐”出来，而是“拉”出来的。 蚕拉丝图 养蚕的农家儿童常捉蚕来玩。捉一条又肥又大的即将做茧的蚕，揑住它的头尾，猛地一下左右拉开，这时头尾分离了，而从蚕腹中却拉出一条直径约1毫米、长约30厘米的透明结实的丝线。如果慢慢地拉就不行了，蚕体被拉断后，其体液滴滴嗒嗒地流出来，什么也得不到。 为什么快拉能成丝，慢拉就是液体流出来呢？现代科学的研究表明，蚕丝是通过力的作用由丝液拉成的，这个过程称为“牽引凝固”。丝液的主要成份是丝蛋白，丝蛋白的链状分子是线团状态。丝液是黏性液体，它的线团状分子呈圆球状，当你慢慢拉伸时，圆球分子之间只有滑动，没有其他变化，所以整个液体只是流动。当你快速拉伸时，各个分子还来不及流动就被抻开了。被拉开的丝蛋白链状分子有了新的排列，产生了变异，相互靠近的分子之间产生了很强的结合力。这种丝蛋白分子之间的“结合力”虽然比原子之间的作用力弱，但是长链的各链节之间却有很强的结合，所以形成了整体上很结实的蚕丝。 蚕腹的丝液直接用手去拉，只能拉成像钓鱼线那样粗的丝线，但如果借助于蚕的嘴就能拉成纤细而漂亮的丝线，其直径可以细到0.002毫米，长度可达1200米左右。蚕的嘴是由“角质蛋白”形成的，嘴巴上有一个“调节口”，当丝液经过它时，可对拉出的流量进行适当的调节。由解剖得知，在蚕的嘴巴上，吃桑叶与出丝的“调节口”是不同的两个口。 由上所述，我们可以得出如下结论：蚕丝的原料（丝液）在蚕腹中是由于化学反应形成的，而蚕腹中的胶状丝液变成结实而又漂亮的蚕丝却是由于力的作用。蚕丝不是从蚕嘴里“吐”出来的，而是通过蚕嘴巴的流量调节用力拉出来的。除了桑蚕外，柞蚕、蓖麻蚕、木薯蚕、樟蚕、柳蚕和天蚕等也都不是吐丝，而是拉丝的。这就纠正了一些人根据头脑中的“常识”而提出的、没有可靠的实验根据的蚕“吐”丝的传统看法。 在现代化学纤维工业中，人们正在摸仿蚕所做的工作，用“拉伸”的办法制造尼龙和涤纶等各种合成纤维。只是在开始做成丝状时，先要对液体施加很大的压力，使其从一个小孔中挤压出来，再去拉伸。如何又快又好地拉出丝来，正是“流变学（Rheology）”中“拉丝流动”所研究的内容（流变学是力学、化学、和材料科学交叉形成的新兴分支学科）。实际上，我们现在还比不上蚕，还不能像蚕那样只靠拉牽就能制出漂亮而结实的丝线来。我们需要努力地对蚕进行研究，蚕这个小生物身上还有许多问题，有待我们去探索。 蜘蛛拉丝结网 蜘蛛以丝结网与蚕的情况类似，它的肚子里有“蜘蛛液”，从腹部末端（而不是从头部嘴里）拉出丝来。根据化学家的研究，蜘蛛丝的成分与蚕丝的丝蛋白大体相似。蜘蛛为结网拉出的丝有两种：一种是指向外靣的，它较结实而光滑；另一种是一圈一圈的，它很有弹性，并且布满黏液珠。据说，在一个好的蜘蛛网上有25万个以上的黏液珠，以用来粘往飞虫供蜘蛛饱歺。 蜘蛛网 唐代诗人孟郊的五言诗《蜘蛛》是这样描述的： 万类皆有性，各各禀天和。蚕身与汝身，汝身何太讹。 蚕身不为己，汝身不为他。蚕丝为衣裳，汝丝为网罗。 济物既无功，害物日已多。百虫虽切恨，其将奈尔何 。 宋代诗人范成大在《四时田园杂兴》诗中所写 静看檐蛛结网低，无端妨碍小虫飞 都是这一情况的生动描述。 还有一种结草虫，也可以拉出与蚕丝结实程度不相上下的丝，其“巢壳”外表有树叶和小枝纏挂着，“巢壳”的内侧像蚕茧一样结实，用手指都不易戳破它。 科学家研究得知，有些种类蜘蛛的蛛丝和钢丝一样坚硬，却又比钢丝富有弹性；还特别耐寒，在-50℃—–60℃的低温下才会变脆发生断裂，而一般聚合物在零下十几摄氏度就会变脆。利用蛛丝的这些特性，若以它为原料制作防弹服装、降落伞等军需物资，在冬季使用时会有极佳的性能。据报道，美国军方己责成有关部门饲养能产坚韧的金黄色蛛丝的巴拿马蜘蛛。这种蜘蛛个大体胖，是一般蜘蛛的十几倍。采集者从蜘蛛腹中引出蛛丝，用镊子夹住末端，将其绕到装有小型电动机的纺缍上，纺缍轻巧地转动，蛛丝也就唾手可得。一般每次可提取蛛丝3-5毫克，每段丝长可达300多米。最令人吃惊的是，使用这种方法抽丝对蜘蛛并无伤害，只要饲养得当，每天都可提取。 形形色色的液体拉丝 只要稍加留意就可以看到，日常生活中有不少液体也是能拉丝的。比如敲开鸡蛋，将蛋黄取走后，只留下蛋清放在碗里。用筷子慢慢搅蛋清时，你会感到它与普通液体不同。蛋清是搅动一下后能弹缩回来的液体，也是一种向上挑能拉丝的液体。可用筷子插入向上挑一下试试看。当向上挑的速度很慢时，蛋清会象液体一样流了下来，不拉丝；当向上挑的动作很快时，蛋清不粘筷子，也不拉丝；可是当向上挑的速度适当时，蛋清就拉丝了。当蛋清拉的丝断了的时候，还可看到在断开的一瞬间，会像橡皮条那样稍有收缩。山药汁（将山药捣碎制取的黏液），以及婴儿流的口水，情况也都与此相似。这些液体能拉丝，也跟蚕的丝液能拉出丝一样，是因为它们有黏性和弹性的双重性质。 动物与植物的“黏液”大多具有黏性和弹性的双重性质。比如蜗牛和蛞蝓的黏液，人的唾液、痰、鼻涕，鳝鱼的黏液，海藻表面的黏液，芋头的黏液等。这些液体用力搅动后都能表现回缩的弹性，向上挑的速度合适也能拉出丝来。研究表明，在液体拉丝现象中，黏滞性起主要作用，弹性起辅助作用。也就是说，可流动性是拉丝的基本条件，再加上可伸缩的弹性，才能出现拉丝的现象。 纳豆的黏液拔丝现象 有些食品以能拉出丝来而著名。如主产于河北沧县和山东乐陵的“金丝小枣”，以核小、肉厚、色鲜、味浓、糖多、质细著称，购买时鉴别质量是否上乘的主要标准，是用手抓住小枣两头，猛一撕开后，看是否能拉出很多金色的丝来判别。成语“藕断丝连”，描述了鲜藕切断后，藕中所含黏液被拉出丝的情景。菜肴中有一道拔丝菠萝（或拔丝苹果、拔丝山药），就是用炒糖稀做或黏液裹在上靣，以能拉出许多糖丝而著称。当然也有的食品，在新鲜的时候不会有拉丝，腐坏了才容易拉丝，人们也常以此来判断这些食品是否腐坏变质了，比如农历八月十五中秋节时的月饼。
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野渡无人舟自横
zdwang 2009-1-19 11:13
野渡无人舟自横
——漫话流体运动中物体的稳定性 王 振 东 独怜幽草涧边生，上有黄鹂深树鸣； 春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。 这首脍炙人口的优美的山水诗七绝名篇《滁州西涧》，系唐代诗人韦应物（约735—约792年）在唐德宗建中二年（公元781年）出任滁州（今安徽滁州市）刺史时所作。当您反复吟诵这美丽的诗句时，如画的意境就重现在您的眼前，真是美不胜收。可是，您可曾想到在这洗练的诗句中还凝聚着诗人对力学现象的洞察力！ “春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横”，意思是郊野渡口拴着的一条无人驾驭的小船，在晚潮加之春雨形成的小河湍急的流动中，横在河里，随波荡漾。这里形象又真实地描绘了在河中荡漾的小船，因要处于一个稳定的平衡位置，它总要横在河中。 二百年后，担任过宋代宰相的寇準（961—1023年）在19岁（980年）进士及第，初知巴东县（今湖北巴东县西北）时，登高楼眺望也作了一首五言律诗《春日登楼怀归》： 高楼聊引望，杳杳一川平。野水无人渡，孤舟尽日横。 荒村生断霭，古寺语流莺。旧业遥清谓，沉思忽自惊。 诗的前三联写春日登楼见闻，尾联由见闻而怀归。清人何文煥曾评论“野水无人渡，孤舟尽日橫”此联，说寇準登楼看见相仿景色时，很自然地受到《滁州西涧》诗的触发，便随手点化了韦句，而意境却比韦来得更加丰厚。 在上海辞书出版社出版的《唐宋词鉴赏辞典》中还收入了另一位宋代词人廖世美的词《烛影摇红：题安陆浮云搂》，其后半片写道： 催促年光，旧来流水知何处？断肠何必更残阳， 极目伤平楚。晚霁波声带雨。悄无人、舟横野渡。 数峰江上，芳草天涯，参差烟树。 “晚霁波声带雨。悄无人、舟横野渡。”确也写出了与韦应物同样观察到的自然现象。 另外，很有趣的是我国古代四大名著之一、明代罗贯中所著《三国演义》的第四十九回“七星坛诸葛祭风，三江口周瑜纵火”，对这一现象也有一段颇精彩地描述：（天津百花文艺出版社1994年版） (孔明“借”得东风后，即乘赵子龙前来接应的船返夏口。周瑜急唤帐前护军校尉丁奉、徐盛二将各带一百人，分水陆两路追杀孔明。) 徐盛教拽起满帆，抢风而驶。遥望前船不远，徐盛在船头高声大叫：“军师休去！都督有请。”只见孔明立于船尾大笑曰：“上复都督：好好用兵，诸葛亮暂回夏?，异日再容相见。”徐盛曰：“请暂少住，有紧话说。”孔明曰：“吾己料定都督不能容我，必来加害，预先教赵子龙来相接。将军不必追赶。”徐盛见前船无蓬，只顧赶去。看看至近，赵云拈弓搭箭，立于船尾大叫曰：“吾乃常山赵子龙也！奉令特来接军师。你如何来追赶？夲待一箭射死你来，显得两家失了和气。教你知我手段！”言讫，箭到处，射断徐盛船上篷索。那篷堕落下水，其船便横。赵云却教自己船上拽起满帆，乘顺风而去，其船如飞，追之不及。 箭到处，那篷堕落下水，其船便横。这段话明确指出了，在湍急的河流中，帆落下、失去风力推动而不能行驶的船，只好横在河中这一自然现象。 为什么在河中荡漾的船总是要橫在河里呢？这里有一个流体力学问题。一般物体在静力作用下的平衡问题，是一个古老的力学问题。直立在桌子上的细杆，系处于不稳定的平衡位置，当此细杆受一扰动后，重力形成的力矩将使细杆远离平衡位置；而悬挂的直杆平衡是稳定的，当此直杆受一扰动后，重力形成的力矩会倾向于恢复平衡位置。由于流体运动时对物体产生的合力和合力矩，计算起来比较复杂，所以要得到在运动流体中物体平衡稳定性的精确分析，需要艰苦细致的工作积累；经过了许多力学家的持续努力，直到19世纪末、20世纪初才得到解决。所以唐代诗人韦应物对船体稳定性问题的观察，比起西方精确描述的出现要早一千一百多年。 现在，我们用近代流体力学来精确分析韦应物等人所观察到的现象。用流体力学的观点可将舟或小船简化成一个细长橢圆柱体，来讨论理想不可压缩流体绕橢圆柱体的二维流动问题，以计算流体对橢圆柱体的作用力和力矩，从而找到其稳定的相对平衡位置。设河中流体相对于椭圆柱体以匀速 流动，橢圆的长轴与流动方向呈α夹角，用平靣流动的复变函数分析可计算出椭圆上所受的合力为零；合力矩的大小与来流同长轴的夹角有关，即为： 因为上面的分折是对理想不可压缩流体二维流动进行的，而实际情况既是黏性流体，又是三维问题，尾部还有涡旋区。为捡验此分析是否正确，我们在天津大学流体力学实验室回流式水槽中进行了实验。 水槽的实验段长6﹒2米，宽0﹒25米，高0﹒35米。实验模型为一椭圆柱体小木船，长轴10厘米，短轴5厘米，高2﹒5厘米，因木质较重，吃水较深。实验中水流速度釆用LDV测速，流动显示采用氢气泡法显示，实验过程用摄像机进行记录。氢气泡丝位于模型中心轴线前6厘米处，且垂直于水流方向。光源位于模型所在实验段前下方。CCD放在模型的正上方。水流速度在0﹒3米／秒到0﹒6米／秒范围内变化。 在椭圆柱模型上下两面的中心点分别固定长1厘米的细轴，并分別套入一个圆环，圆环与轴之间可自由转动。圆环与水槽两侧壁面间，分别用与模型上下面平行的柔软细线相连，以防模型被水冲走。 开启水泵使水流动，可见到模型横于水中，即椭圆的长轴与水流方向垂直。用外力改变模型长轴与水流方向的夹角，然后撤去外力，模型又很快重新横于水中。这说明横于水中是稳定的平衡位置。施加外力使模型长轴与水流方向平行，撤去外力后，模型在此位置有短暂平衡，稍后即又横于水中。这说明长轴与水流方向平行是不稳定的平衡位置。改变水流的速度，重复以上实验，对结果没有影响。 实验证实了前面的计算分析结果，也说明虽然椭圆柱后面有涡旋区，黏性流体三维运动的流场也相当复杂，但以理想不可压缩流体二维流动的简化模型，来研究流体运动中物体的稳定性这一问题，确实抓住了问题的本质。橢圆柱的稳定平衡位置确实为其长轴与来流相垂直的情况。 以上关于小船平衡稳定性的分析，对于航行中的小船也是适用的。若小船的航速为 ，顺着 向前的平衡也是不稳定的，为保持其航向，舵手需要不断地调整操纵。这就是为什么一个划船的生手，总是难以使小船笔直航行的道理。在初学划船时，船往往总是在水里打转转。而拴于郊野的无人渡船，在湍急的来流中，总欲自横，处于 α＝π／2的稳定位置，或在α＝π／2位置附近摆动。 当然，以上的分析仍还是粗糙的。要真正考虑航行中小船的稳定性，还需要考虑小船的惯性。而这些内容就是近代导向船舰、飞行器在航行中运动稳定性的深入的学问了。它是近代航海航空航天技术的理论基础之一。 “春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横”，唐代诗人韦应物对船体稳定性入细入微的观察，并仅仅用了七个字便活脱脱地勾画了出来，不仅使我们获得了美的享受，而且还从中体味出自然规律。而这却早在距今一千二百多年以前就有了。
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