唐诗《次北固山下》的物理学解读

作者: 尤明庆

来源: 中国科学报

发布日期: 2018-04-25 21:08:47

本文通过对唐诗《次北固山下》的物理学解读,详细分析了帆船在不同风向下的航行原理,包括顺风、侧风时的力学原理,以及潮汐对航行的影响。文章还结合历史地理背景,探讨了唐代长江的潮汐现象及其对航行的实际影响。

这首唐诗这样解释,只有物理老师才能给你打分。潮平两岸阔,风正一帆悬。《次北固山下》唐·王湾。客路青山外,行舟绿水前。潮平两岸阔,风正一帆悬。海日生残夜,江春入旧年。乡书何处达,归雁洛阳边。

曾经读到物理学家对“风正”的解释:“根据力的分解原理,可知当帆与船的前进方向成45°时,船能够最有效地利用与船行方向‘正交’的侧风前进,这才是‘正’的意义所在”,又读了《唐诗鉴赏辞典》中文章,也想说几句力学和历史地理。错误欠妥之处,敬请批评指正。

01 质量流量Q和速度V的水流,以角度θ倾斜冲击静止平板。

基于牛顿第二定律,水流垂直于平板的动量QVsinθ转换为冲力F;该力在水流垂直方向的分力QVsinθcosθ 在θ=45°时达到最大。不过,若平板运动冲击力将发生改变;而风是绕帆流动,更不同于水流冲击。以下讨论假设:帆为矩形平面;河水本是静止,且船距岸较远;河底以及波浪的影响都不予考虑。真风速VT是相对于河岸的;相对于船的风速VA则是人在船上感觉到的。

船正常行驶时,相对风速VA对帆产生的作用力与水对船的阻力平衡。

02 先讨论顺风航行。船相对于水的速度为U,风相对于船的速度VA=VT–U。风吹过帆与船在水中行,都是固体与流体的相对运动,且具有几何对称性,在迎流面积S时作用力为F = CSρVA2/2;阻力系数C与固体形状相关,因Reynolds数较大而与流体密度ρ、粘性以及相对速度VA无关。

假设平头平底木船与帆的阻力系数相当,水的密度约为空气的800倍,则 (VT–U)/U = sqrt(800SCH/SF)。可以简单地估算已获得具体的印象:船的迎流面积 SCH = 2 m ×(0.5~1.5) m,帆的面积SF = 3 m × 10 m,则 VT/U = 6.2~9.9。显然,顺风行船的速度远小于风速。

若风力五级、风速 8.0~10.8 m/s(陆地小树摇摆、海面波高可达2~2.5 m),则船速1~ 1.5 m/s;就此而言,帆船顺风行驶速度约在 5 km/hr 左右,与人没有负载时步行速度相当。其效率显然运高于陆路车推和肩挑。又,大江“无风三尺浪”,帆船横过长江似乎风力四级为好,相应船速约为3 km/hr。这也就不慢了。想想拉纤吧!

03 绝对顺风总是难得的。

相对风速VA与帆面夹角α,称为攻角或迎流角;垂直于风速的作用力称为升力FL,而风速方向的作用力称为阻力FR。两者合力F并不垂直于帆面而是略向前偏于风向,因为空气具有粘性会产生沿帆面的摩擦。又,迎流角较小时垂直于帆面的力与升力FL差别不大。升力FL、阻力FR都与流体密度ρ和相对风速VA平方以及面积S成正比,而比例系数则受到攻角等多种因素的影响。

攻角不是很大时,升力系数为cL=2πα 即与迎流角成正比;在α=π/18即10°时,cL=1.10。这就是说,平板迎流角10°时所受升力已大于动压的总合,更是远大于相应尺度流体柱的冲击力。飞机因向前速度引起空气绕流机翼,产生升力而克服重力;升力主要来自于机翼上方的较低压力或者吸力,并非如牛顿所设想的空气质点对机翼下方的撞击。即使攻角为零,绕流翼型时因上部压力降低同样产生升力,当然也会产生阻力。

帆板或帆船使用的帆面可变形凸出,能从风流获得更大的推进力——特制的比赛用帆板,其速度可以超过风速呢。顺便说一句,河床上块石或卵石也会受到水流产生的升力——与速度平方和面积(尺度平方)相关,而重量与尺度3次方相关,因而漂起石头的尺度就与速度平方成正比。这就是说,速度增加到2倍,可漂起的石头尺度增加到4倍,相应的重量则增加到64倍呢。

当然,石头漂起后就会引起水流速度下降,自身也就随即落底,即河床上的石头通常多是间断地向下游移动。以上内容主要参考《普朗特流体力学概论》第7版及第11版的两本中译本;两张照片来自网络,不做商业运用,致谢拍摄者。

04 顺风、横帆行船就是利用单纯的阻力;侧风时也可利用升力行船。这与船体与水体之间的力学性质相关。基于右图略作说明。

假设偏东风而船欲向南行,将帆从横向偏转角度β;又因风力F并不是沿着船的龙骨方向,为此利用舵使船头略偏东角度γ。相对风速是东偏南角度δ;风流对帆的冲角为α=β–γ–δ,产生升力和阻力。合力F在垂直于帆面的分力较大,而顺着帆面的分力较小。船向前的迎流面积较小,速度较高;垂直于龙骨方向迎流面积较大,漂移速度较小,两者合速度U向南。当然,这是行船者依据航行情况调节角度β和γ 的结果。

真风速东偏北当然易于向南行船;反之则困难,而风东偏南30°即船速与真风速的角度为60°仍可向南航行。换句话说,若是正南风,那么可向西偏南30°航行,再向东偏南30°航行,将航线展成两倍而向南,即通常所说的逆风行船。网上多有介绍,不再细说。“风正一帆悬”想来只是说“使用风力就能轻松地横渡,且帆高高挂着不必调整”;至于风向,可以北偏东或偏西,乃至东风、西风都行,并没有特定的要求。

所谓“正”,或许是恰好、平稳的意义。当然,这还得涨潮而江流缓慢才行;不然,落潮之时浊水滚滚东流,由北向南的横渡也可不容易呢。

05 海平面因月球以及太阳引力而高低变化即潮汐,平均周期为12小时25分。涨潮时水流入长江,倒流河段即潮流界可至200 km以上的江阴,枯水季可达镇江。

从下面的地图可以看到,唐时长江比如今要短 200 km,左侧海岸线在如东-靖江一线,靖江尚在水中,对岸为江阴,而江口朝向东南,地球自转向东,进潮也会更大。一千三百年前长江要比现在顺畅,潮流更为壮阔;潮头可以到南京以上,如刘禹锡《石头城》“山围故国周遭在,潮打空城寂寞回”。潮头过后只是水位上涨而江水几乎停滞,落潮则江水流下较快——落潮流量在正常来流之外添加涨潮时的进潮量及江水滞留量。

要平稳过江只能乘着涨潮的时机。运河曲折,没有月亮总是不能夜行的;想来天黑(18时4分)之前就到了扬子渡,其时正在涨潮。不过,过江有二十来里可得3小时以上,而涨潮时间也就4小时。至于落潮,那得8小时呢,行不得船的。等到夜里三点潮头顶撞了船头,也就挂篷而行。月亮升起来,远远地贴在湛蓝的天幕上。

诗人走出船舱,倚着桅杆,默诵着前辈的名篇“春江花月夜”——写出“春江潮水连海平,海上明月共潮生”的张若虚,大约在扬州看到江潮涌入内河而“宛转绕芳甸”;不过,船上的王湾并不会觉察水面上涨。他看着远处的一片黝黑,听着水船的霍霍相激,任着微风拂面而过,不由自主地说出——“潮平风正啊”。艄公悠闲地斜靠着舵柄,答道“您看月亮,腊月二十二,立春啦。人勤春来早啊”。拉纤、摇橹、撑篙,种种辛劳已经远去啦。

唐开元29年(741年)地图。运河即汴水在左上(虹县)进入图面,在泗州入淮水。金明昌5年(1194年)河决阳武而东,最后多到徐州以泗水(左上角)为泛道入淮。隋唐宋以来流淌数百年的汴河很快堙废成为陆道;而淮河下泄潴水形成洪泽湖,泗州城竟于清康熙19年(1680年)永沉水底。

06 王湾仰头看着半圆的月亮在疏朗的白云中穿行,时隐时现;想到从洛阳而来,由洛河向东汇入伊河,而后向东北入黄河,再向东偏北至汴口,入汴河向东偏南行约100 km至汴州(开封);此后一路向东南至泗州,而后沿淮水曲折地向东北经淮阴至楚州,再入运河曲折地向南至扬州。时逢隆冬而河水浅窄,总得时时小心;河道蜿蜒而风向易变,也需处处谨慎。

(读叶圣陶《东归江行日记》可知冬日水上旅行之艰难)现在到了宽阔的大江,春天的大江——渡江就是润州。远处似乎不再是黝黑一片,却也看不分明。他看累了,闭上眼睛但随即睁开——就看到了远处的青山翠树,看到了近旁的绿水微波(冬天江水含沙较低,且接近高潮时水速为零而沉降)。天亮了(6时28分),风也缓了;艄公看了月亮正在天顶,说声“来得及”而拉紧了帆索,船头就指向了北固山下的码头。

或许诗人初到江南而神往三国英雄;或许船家知道就要退潮,不愿入南运河逆水而行。潮平稍待即得,风正不求而遇,大江轻快横渡,真可乐也。他要去的地方还在前方,苏州或许杭州——都是美丽繁华的地方,年前总能到得;只是离家乡更远,别有一种滋味呢。诗人踏上北固山,在雁叫声中回望来路——青山绿水蓝天白云红日,千古传诵的诗篇涌上心头。客路青山外,行舟绿水前。潮平两岸阔,风正一帆悬。海日生残夜,江春入旧年。

乡书何处达,归雁洛阳边。

07 唐高祖在位9年有武德九年,太宗在位23年有贞观二十三年;高宗在位33年有13个年号,仅最初的永徽和显庆有六年;其后30年(公元683~712)中宗、睿宗、武后(周)、中宗、少帝、睿宗共有年号26个,而甲申年(公元684)有3个元年呢,且前后两年均有元年。

混乱之中睿宗传位于太子隆基即玄宗,改年号为先天——该年(公元712)的第3个元年,次年再改年号为开元,就象高祖和太宗那样一直用着呢。诗人在先天元年进士及第,以后看着开元的大唐兴盛起来,就该写出“海日生残夜,江春入旧年”啊。依据今长江天生港的潮汐数据估计唐朝镇江的涨潮和退潮时间;基于立春后的日出时间(6时53分)以及到达北固山应在退潮之前,大致判断渡江在腊月二十二或二十三。

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