野渡无人舟自横
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昨晚和孩子在一起念诗,读到下面这首:
滁州西涧
【唐】韦应物
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。
作为一个文艺青年,首先被诗人描写的意境深深打动,尤其是后两句“春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横”,更是留给我深刻的印象和无尽的回味。其意思是,郊野渡口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。
但作为一个资深的力学工作者(狗),一个疑问马上涌上心头:为啥舟是横着而不是顺着呢?于是乎,我查了一些资料,发现这诗句中还凝聚着诗人对力学现象的深刻洞察力!在河中荡漾的小船因要处于一个稳定的平衡位置,总是横在河中。诗人得到这一发现后,便用形象、洗练的诗句真实地描绘出来。
无独有偶,200年后,担任过宋朝宰相的寇准(也就是寇老西儿)(961—1023)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。清人何文焕曾评论“野水无人渡,孤舟尽日横”此联,说寇准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。
那为什么在河中荡漾的船总是横在河里呢?
显然,这是一个流体力学问题。
从流体稳定性解读
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。所以韦应物对船体稳定性问题的观察,比起西方出现的精确描述要早1100多年。
(因公众号技术不熟练,以下文字中的公式无法显示,故用图片形式显示,见谅。)
用伯努利原理解释
伯努利原理认为:“物体在水流(或气流)里,在流速小的一侧水流对物体侧面的压强大于流速大的水流对物体侧面的压强。”对于这一个原理的认识可以通过一个小试验说明。
取两张纸,把它们平行地放在面前,距离不可太远。当你朝两张纸中间用力吹气时,你会发现两张纸不仅没被你吹开,反而相互间更接近了。这是因为两张纸中间的空气流速快,而两张纸之外的空气流速慢,从而使两张纸分别受到使它们相互接近的压力,于是它们便相互靠近了。
“舟自横”的道理是完全相同的:在船靠岸的一边,水流通过船与岸之间的窄道后通道突然加宽,流速放慢,而船的另一侧由于使河道变窄,水流速度会略微加快。这样一来,两侧的水流对船的压强不同必然产生了一个横向的压力差。在这个横向力的作用下无人之舟自然就抵水而横了。
看看,有时换一种视角也能得到相同的结论。
Get到以上知识后,睡觉之前,我问孩子为什么舟是横的而不是顺的?孩子摇摇头,于是我用伯努利原理给孩子浅显的解释了一番(估计流体稳定性孩子可能听不懂),看着不满三岁的孩子似懂非懂的眼神,身为老父亲的我露出了慈祥的微笑。
参考文献:
[1] 王振东.野渡无人舟自横——谈流体流动中物体的稳定性[J].力学与实践,1992(04):76-78.
[2] 周道祥.从“野渡无人舟自横”到“香蕉球”技术[J].力学与实践,2005(03):94-95.
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