長洪斗落生跳波，輕舟南下如投梭。水師絕叫鳧雁起，亂石一線爭磋磨。

　　有如兔走鷹隼落，駿馬下注千丈坡。斷弦離柱箭脫手，飛電過隙珠翻荷。

　　四山眩轉風掠耳，但見流沫生千渦。┄┄┄

　　這是蘇軾（1037～1101）所作“百步洪二首”其中一首的上半段，系作者于1078年（宋神宗元豐元年）任徐州知州時所作。詩句形象地寫出了舟行洪中的驚險。長洪為亂石阻激，陡起猛落，急湍跳蕩。舟行其間，如同投擲梭子一般，就連駕船能手也不免大聲喊叫，甚至水邊的野鴨，都驚飛起來。急流與亂石互相磋磨，發(fā)出撞擊的響聲。水波有如疾走的狡兔，猛落的鷹隼，如駿馬奔下千丈的險坡；
輕舟像飛箭脫手，如飛電之過隙，如荷葉上跳躍的水珠，在波濤上動蕩。而身處于舟中的乘客，仿佛四面的山峰都在旋轉；
急風掠過耳邊，使人心動神馳。人們所見到的則是流沫飛逝，百漩千渦。

　　蘇軾詩中所述乘船者見到水中“百漩千渦”的渦旋，正是在流體運動中可普遍觀察到的一種運動形態(tài)。

　　稍后，宋代詩人范成大（1126～1193）也有兩首五言詩，形象地描述了在長江三峽段行舟時，所遇渦旋的驚險情景。一首是“初入巫峽”的五言律詩：

　　鉆火巴東岸，摐金峽口船。束江崖欲合，漱石水多漩。

　　卓午三竿日，中間一罅天。偉哉神禹跡，疏鑿此山川！

　　詩中前半段的意思是，寒食節(jié)（古風俗在這天應鉆木取新火，直到明朝仍存此風俗）時在巴東縣峽口摐金（Chuang Jin 即敲鑼）登舟，入巫峽，江路極狹窄，江流漱（Shù 即沖刷）石回旋成渦，渦旋既多又兇猛。這首詩形象地描述了當時長江巫峽段水中多渦旋的情景。

　　范成大另一首五言古詩“剌濆淖（并序）”，更加生動地描繪了峽江中渦旋的險惡：

　　濆淖，盤渦之大者，峽江水壯則有之，或大如一間

　　屋。相傳水行峽底，遇暗石則濆起，已而下旋為渦。

　　然亦未嘗有定處，或無故突然而作，叵測也。舟行遇

　　之，小則欹側，大則與赍俱入，險惡之名聞天下。

　　峽江饒暗石，水狀日千變；
不愁灘瀧來，但畏濆淖見；
人言盤渦耳，

　　夷險顧有間；
仍于非時作，未可一理貫；
安行方熨縠，無事忽翻練；

　　突如湯鼎沸，翕作茶磨旋；
勢迫中成洼，怒霽外始暈；
已定稍安慰，

　　倏作更驚眩；
漂漂浮沫起，疑有潛鯨噀；
勃勃駭浪騰，復恐蟄鰲抃。\r

　　篙師瞪褫魄，灘戶呀雨汗；
逡巡怯大敵，勇往決鏖戰(zhàn)；
幸免與賚入，

　　還憂似蓬轉；
驚呼招竿折，奔救竹笮斷；
九死船頭爭，萬苦石上牽；

　　旁觀兢薄冰，撇過捷飛電。前余叱馭來，山險固嘗遍；
今者擊楫誓，

　　豈復憚波面？澎澎三峽長，飐飐一葦亂；
既微掬指忙，又匪科頭慢；

　　天子賜之履，江神敢吾玩？但催疊鼓轟，往助雙櫓��！

　　濆淖（fén nào）是指大渦旋，賁（ji）即為“臍”字，指渦旋的中心。

　　范成大這首五言古詩及序，生動形象地描述了在長江三峽行舟時，所遇渦旋的驚險情景：有時能安穩(wěn)行舟，江面上如熨縠 （微波漣漪意）一樣順利恬靜；
但江水忽然翻滾而起如縑練翻攪，使人猝然不備，只好殊死鏖戰(zhàn)渡險，如履薄冰，逃過濆淖。

　　古詩中關于渦旋的記載，在宋代以前，詩圣杜甫（712～770）的“最能行”一詩中亦有：

　　欹帆側柁入波濤，撇漩消濆無險阻

　　之句，描述駕舟航行時逃避渦旋的情景。

　　范成大不但對峽江水中的渦旋進行了形象描述，還可見其對渦旋為何產生在進行思考。特別是其渦旋濆起“未嘗有定處，或無故突然而作”這段描述，竟與近代流體力學對壁湍流猝發(fā)（bursting）現(xiàn)象的描述頗有相似之處。這正像錢鐘書先生在《談藝錄》中所說“唐詩、宋詩亦非僅朝代之別，乃體格性分之殊。天下有兩種人，斯分兩種詩。唐詩多以豐神情韻擅長，宋詩多以筋骨思理見勝�！狈冻纱罂雌饋硪嗍窃凇八祭怼保�捉摸峽江水中渦旋的產生規(guī)律，從而留下“無故突然而作”，“無事忽翻練”，“突如湯鼎沸，翕作茶磨旋”等精彩的詩句。

　　在考古方面，我國甘肅省1973年出土的彩陶渦旋紋雙耳壺，表明人類對渦旋的觀察歷史已很長久了。

　　實際上也不只是江水中有渦旋，在自然界中我們經�？梢钥吹礁鞣N形形色色的流體渦旋。

　　渦旋是流體運動的肌腱

　　渦旋是流體團的旋轉運動。德國力學家、近代力學的奠基人之一普朗特（L.Prandtl）的學生、空氣動力學家屈西曼（D Küchemann）曾經說過：“渦旋是流體運動的肌腱�！边@句話深刻概括了渦旋在流體運動中的作用，現(xiàn)在己成為流體力學中的至理名言。普朗特的另一位學生、已故的北航陸士嘉教授曾更進一步地指明“流體的本質就是渦，因為流體經不住搓，一搓就搓出了渦�！边@句話既道出了流體與固體的本質區(qū)別，又點明了在流體運動中出現(xiàn)渦旋的原因。這里的“搓”是指作用在流體上的剪切力。只要有物體（如飛行器、船艦、汽車、火車等）在流體中運動，緊貼在物面上的流體由于粘附在物面上，會被物體帶著一起運動，而遠處的流體卻在靜止中，這就產生了“搓”流體的剪切力。

　　渦旋通常用渦量來量度其大小和方向，渦量定義為速度場旋度的一半。在流體中，只要有“渦量源”，就會產生渦旋。流體團所受到的力，可以分為體積力（如引力、慣性力、電磁力等）、和表面力，表面力又可分解為垂直于流體團表面的法向力（即壓力）和與表面相切的切向力（即剪切力）。近代流體力學已經證明：如果體積力不能表示為一個勢函數(shù)的梯度，就會有一個“渦量源”；
粘性加上固體邊界，就會有“搓”，又是一個“渦量源”；
如果流體的狀態(tài)方程中有兩個以上獨立的熱力學變量（在流體力學中稱作是斜壓流動），也是一個“渦量源”。

　　因為上述幾種“渦量源”在流體運動中是普遍存在的，所以渦旋就成為流體運動中極為普遍的運動形態(tài)。

　　渦旋星云、臺風、龍卷風

　　宇宙空間的渦旋星云，大概是我們見到的尺度最大的渦旋。中國科學院外藉院士、美國麻省理工學院林家翹教授曾在研究渦旋星云方面，做出過開創(chuàng)性的貢獻。

　　夏季在電視臺氣象預報節(jié)目展示衛(wèi)星云圖時，經常可以看到由大團白云顯示的熱帶氣旋，這也是尺度相當大的流體渦旋。過去曾將它們統(tǒng)稱為臺風，現(xiàn)在按氣象部門的定義，當熱帶氣旋中心附近的風力為8～9級時稱為熱帶風暴，10～11級時稱為強熱帶風暴，12級及以上則稱為臺風。在北半球，熱帶氣旋是反時針方向旋轉的強烈的渦旋，其形狀如漏斗，下層周圍的空氣向中心流入并向上升，而上層空氣則向四周流出，其半徑可達數(shù)百公里。由于它對人類的生活、生產有極大的破壞力，所以氣象部門已將每年發(fā)生的熱帶氣旋編號并命名來進行觀測和預報。

　　海面和地面上的龍卷風，其渦軸從海面或地面一直延伸到云層，在渦的中心有強烈的軸向流，能將海水或地面上的物品卷吸到高空，也是一種破壞性極強的渦旋。

　　卡門渦街及其應用

　　當流體流過一柱體時，在柱體后面的尾流中會出現(xiàn)兩排互相交錯的渦旋。普朗特的學生、著名力學家馮•卡門（von Kármán）1911～1912年對這一現(xiàn)象給出了清楚的理論分析。后來人們就用其名字來命名，稱為卡門渦街。馮•卡門自己在1954年出版的《空氣動力學的發(fā)展》一書中說：“我并不宣稱，這些旋渦是我發(fā)現(xiàn)的。早在我生下來以前，大家己知道有這樣的渦旋。我最早看到的是意大利Bologna 教堂中的一幅圖畫。圖上畫著 St. Christopher 抱著年幼的耶穌涉水過河。畫家在 Christopher 的赤腳后面畫上了交錯的渦旋�！�

　　1940年11月7日，美國建筑史上發(fā)生了一場悲劇。由一位精明能干的橋梁工程師建造的全長853.4米 的塔科馬（Tacoma ）海峽懸橋，在一場并不算大的風（風速僅19米/秒）中發(fā)生了劇烈的扭曲振動，振幅接近9米；
不到1小時，這座價值640萬美元的大橋便崩塌殆盡。大橋的崩塌引起了美國工程界的震驚，許多專家從不同角度來分析研究崩塌的原因。最后從理論和實驗上證實了，大橋邊墻在大風中發(fā)放的卡門渦街是這座大橋崩塌的禍根。后來，人們在設計橋、塔桅、超高建筑時，都必須將卡門渦街作為一個重要因素來考慮，以使它們安全可靠。

　　卡門關于渦街的論文發(fā)表后不久，當時任英國劍橋大學校長的力學家瑞利（Rayleigh）就指出，這些交錯的渦旋就是風吹豎琴（acolian harp）發(fā)音的原因。后來，還有一位法國的海軍工程師告訴卡門，當潛艇在潛航速度超過每小時7海里時，潛望鏡會突然完全失去作用，這也是鏡筒產生的周期性渦旋的發(fā)放頻率與鏡筒自振頻率發(fā)生共振引起的。

　　人們還根據(jù)卡門渦街的原理，將圓柱放置在均勻流動中使其產生尾流，通過測量尾流產生的卡門渦的發(fā)放頻率，以達到測量流速和流量的目的。這種名為“卡門渦街流量計”的流量測試裝置，目前己在工業(yè)界得到了廣泛的應用。

　　渦旋的害與利

　　前面所談到的急流的大渦旋，臺風，龍卷風等常常伴隨著災難或驚險，從而引起人們全神貫注的集中關心或全力拼搏、搶救，所以社會科學也將“渦旋”一詞移植了過去，用來比喻遇到了極大的麻煩，像“陷入了某問題的渦旋”。

　　實際上，在人們的生活與生產活動中，有時需要防止渦旋的不利作用，有時也需要渦旋幫忙，發(fā)揮渦旋的積極作用。

　　渦旋的產生伴隨著機械能的耗損，從而使物體（飛機、船艦、車輛、汽輪機、水輪機等）增加流體阻力或降低其機械效率。但另一方面，也正是依靠適當設計的外形，才能產生使飛機獲得升力、又減少阻力的渦旋。在水利工程中，例如水壩的泄水口附近，為保護壩基不被急瀉而下的水流沖壞，需采用消能設備，人為地制造旋渦以消耗水流的動能。還可以利用渦旋這種急劇的旋轉運動，完成加快摻混媒質的任務，以加快化學反應的速度，增強輕工、冶金過程的混合速度，大大提高燃燒效率和熱交換效率等。

　　人為制造渦旋所制成的旋風分離器，可用來分離由鍋爐排放出煙氣中的固體顆粒，使煙筒排放的氣體較潔凈，以達到環(huán)境保護的目的。

　　渦旋有害也有利，所以科學工作者要研究如何在生產過程中控制渦旋的產生和發(fā)展，并對自然界中有巨大破壞作用的渦旋加強預報，研究減輕災害的方法。

　　關鍵詞：流體運動， 渦旋， 卡門渦街， 唐宋詩詞

　�。ㄔ�刊登于《科學》2004年56卷2期，文中有插圖2幅，該期封二還配有渦旋的彩圖5幅。）

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