阅读理解:阅读下面文章,解答下列问题 但见生千涡 ─ 漫话流体中的涡旋 长落生跳波,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,但见生千涡。...... 这是苏轼( 1037 ~ 1101 )所作“百步”其中一首的上半段,系作者于 1078 年(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,宋代诗人成大( 1126 ~1193 )也有两首五言诗,形象地描述了在长江三峡时,所遇涡旋的惊险情景。一首是“巫峡”的五言律诗: 钻火巴东岸,摐金峡口船。欲合,漱石水多漩。 卓午三竿日,中间一罅天。神,疏凿此山川! 诗中前半段的意思是,寒食节(古风俗在这天应钻木取新火,直到明朝仍存此风俗)巴东县峡口摐金( Chuang Jin 即敲锣)登舟,入巫峡,狭窄,江流漱( Sh ù 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。 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: 峡江暗石,千变;不愁滩泷来,但畏 濆 淖见;人言盘涡耳, 夷险顾有间;仍时作,未可一理贯;熨縠,无事忽翻练; 突如沸,翕作茶磨旋;势迫中成洼,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,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?三峡长,飐飐一苇乱;既指忙,又匪科头慢; 天子赐之履,敢吾玩?但催叠鼓轰,往助 ! 濆 淖( f é n n à o )是指大涡旋,( ji )即为“脐”字,指涡旋的中心。 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( 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,描述航行时逃避涡旋的情景。 成大不但对峡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,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。这正像先生在《谈艺录》中所说“唐诗、亦非仅朝代之别,乃体格性分之殊。天下有两种人,两种诗。唐诗多以丰神情韵擅长,多以筋骨思理见胜。”成大看起来亦是在“思理”,捉摸峡涡旋的产生规律,从而留下“无故突然而作”,“无事忽翻练”,“突如沸,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。 实际上也不只是有涡旋,在自然界中我们经常可以看到各种形形色色的流体涡旋。 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 K üchemann )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、已故的北航教授曾更进一步地指明“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。 涡旋通常用涡量来量度其大小和方向,涡量定义为速度场的一半。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,表面可分解为垂直于流体团表面的法(即压力)和与表面相切的切(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”;粘性加上固体边界,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。 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 K ármán ) 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,这些旋涡是我发现的。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。” 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。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。 卡门关于涡街的论文发表后不久,当时任英国剑桥大学校长的力学家瑞利( Rayleigh )就指出,这些交错的涡旋就是风吹竖琴( acolian harp )发音的原因。后来,还有一位法国的海军工程师告诉卡门,当潜艇在潜航速度超过每小时 7 海里时,潜望镜会突然完全失去作用,这也是镜筒产生的周期性涡旋的发放频率与镜筒自振频率发生共振引起的。 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。