作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2017/11/20 9:20:32
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“魔法”召唤完美浪花
冲浪高手和科学家打造超自然波浪

 

职业冲浪手Matt Wilkinson在人造浪花中冲浪。图片来源:WSL

这是一场科学家和冲浪高手联手对“无尽之夏”的复述。这部经典的1966年的纪录片,追踪了两个环游世界的冲浪者寻找完美波浪的脚步。

好的冲浪波浪是罕见的,即使所有的力量能聚集在一起,“魔法”也是转瞬即逝。很少有海滩的底部轮廓可以把涌浪转化成冲浪者想要的波浪,即使能转化,波浪膨胀的大小、角度、周期性等特性,外加不断变化的风和潮汐的波动,也意味着完美波浪十分稀少。

近日,在距最近海滩175公里的美国加利福尼亚中部农场,冲浪冠军和流体力学专家联手改变了这一局面。

完美浪花

在一个700米长的人工湖上,他们设计了一种系统,可以将一个被称为水翼的金属叶片拖过水面。由此产生的涌浪能掠过湖底,科学家已经借助超级计算机的帮助精确设计了湖底轮廓。于是,它将波浪一次又一次变成了神秘完美的冲浪波。

能翻转多变海洋的专业冲浪者也震惊于Adam Fincham用“魔法”召唤出的波浪。科学家和冲浪高手联袂创造了这个完美波浪:Fincham是南加州大学研究员,而Kelly Slater曾前所未有地获过11次世界冲浪冠军。

去年9月,18名职业冲浪者来到了这个所谓的“冲浪牧场”,参加“未来经典”比赛。该比赛是为了评估冲浪池的性能能否作为世界冲浪联盟巡回锦标赛的比赛地。这场模拟大赛由世界冲浪联盟主办,相关人员将使用大屏幕监控器精选各波浪和慢镜头回放。“他们为冲浪者创造的波浪是首屈一指的。”参赛选手Adrian Buchan说。他在今年的巡回赛中排名第十五。

Fincham的同事跟冲浪者一样也对该工作印象深刻。德国卡尔斯鲁厄技术学院专门从事环境流体力学的机械工程师Olivier Eiff说,科学家研究波浪通常侧重于其对侵蚀、海洋—空气间的气体交换和海滨结构的影响。但创造波浪是对流体力学的令人生畏的挑战。“这是一个令人难以置信的工作。”Eiff说,“我不知道还有谁有胆量去碰这样一个复杂的问题。”

如果像冲浪牧场支持者希望的那样,人们能在世界各地建立类似的波浪池,这将从根本上改变冲浪世界。但在冲浪博客圈里,也有人担忧 “Kelly波浪”会剥夺冲浪运动的自然魅力,并可能造成大批新人进入,破坏海洋的宁静。

但支持者远远多于反对者。“世界上最好的冲浪将来自阿肯色州小石城。这是一场巨大革命的开始。”1968年冲浪世界冠军Fred Hemmings说。

“疯狂创意”

实际上,冲浪池可以追溯到50多年前,但即使是最好的人造池与一个好的海洋冲浪地相比也显得苍白。在海洋中,当水深大约是连续波峰之间距离(波长)的一半时,风暴产生的表面重力波在深水中滚动,并只与海底或浅滩相互作用。然后发生三件事:波长缩短、高度增加和波峰的移动速度比波谷快。当波浪的高度与水深相同时,波浪就会破碎,冲浪者能破浪而行。

如果底部的轮廓正好,风从陆地吹到海中,或者仍然静止,那么水面隆起就变成了一个破碎的波浪,能量损失能向左右均匀地分布,白色的水像徐徐关闭的幕布在波浪的表面移动。较陡的波浪可以形成一个管道,让更多技术娴熟的冲浪者在其中滑行几秒钟。在海浪中滑行30秒便是非常长的行程,而很少有地方能持续产生这样的波浪卷。

2006年,世界上最著名的冲浪选手Slater找到Fincham。当时,Fincham致力于在水槽中模拟自然水波。“我不知道他是谁。”Fincham说。在牙买加长大的Fincham在来到南加州大学后才开始冲浪。

当时,为了开发完美波浪,Slater创立了以自己名字命名的公司,并立刻聘请了Fincham。

Fincham有疯狂的创意,并“冥顽不灵”。他发表了诸如用数字粒子成像测速仪测量在旋转分层流体中网格湍流衰减这样深奥主题的论文。但Slater开玩笑说,他和Fincham都有一点强迫症。“如果你的团队没有一个充满激情的人,就很难用不同的方式做事。”Slater说。

当时,Slater想要一种高功能的管浪——能够无止境翻卷的波涛。Fincham回想道:“很显然,他想要他的那种波涛。它必须是管状的、有力量、耐久,还必须以一种能操控的办法构成。”

实验室里的水箱通常会产生几厘米高的波浪,这可以用线性方程来描述:你能可靠地预测出什么东西产生了。

但科学家正设法通过陡波的非线性力释放产生一个更大的水面隆起,包括湍流、缓慢移动的薄层 (边界层)和整个水体的振荡“湖震”。“非线性无处不在。”Eiff说,这导致极难“画出”一条人工波。

另一方面,有关波浪创造的科学文献并不深入。Fincham和Slater的美国专利申请书也仅仅参考了两篇相关科学论文,且都由19世纪70年代的著名物理学家、数学家撰写。所以Fincham和Slater只能依靠自己。

他们是在实验室的造波水槽中开始的。而许多造波水槽使用拨片、柱塞、沉箱或其他策略有效地把水抛到空中,但Fincham的团队设计了一个部分淹没在水里的水翼。当它穿过水池时,水翼将水拨动到一侧(但不是向上),然后将其拉回以“恢复”被它推开的一些水。结果就形成物理学家口中的孤立波,它模拟了开放洋面上的单个隆起。

乘风破浪

然后,Slater的冲浪经验也开始参与其中。他说:“Fincham的工作是弄清楚如何产生波浪,我的工作是弄清楚如何打破它。”

这需要一个很浅的“珊瑚礁”,而且,只有合适的形状才能把一个海浪变成完美冲浪波。为了调整池底的形状,团队将Slater的经验输入超级计算机进行模拟。在电脑模拟中,波是代表空气和水的数百万网格。

科学家计算每一个网格以及它们的相互作用,从而模拟进化的波浪。未参与该项目的南加州大学流体力学专家Geoffrey Spedding表示,这种计算“在数学上是惊人的”。

Fincham团队将实验室发现转移到冲浪牧场—— 一个原本是人工滑水湖的矩形水池。水翼机停在几米深的水中,并被附在一个大小相当于几辆火车车厢的装置上,它沿着一条轨道运行,速度达到每小时30公里。

该系统能产生一个超过2米高的孤立波。游泳池底部铺着有弹性的瑜伽垫,并在不同的地方有不同的斜坡,而这决定了波何时何地被打破。此外,水翼制动器还可以调整波浪的大小和形状,以适应不同的技能水平。

水翼在池中移动,形成一个从右到左的波浪。巨大的水槽可以起到减震器的作用,减少从池壁反弹回来的水,但需要3分钟才能让水面平静下来。然后,水翼从池中返回,形成一个相反方向的波浪。这段行程可以持续长达50秒,而波浪交替“雕刻”出巨大的浪卷。

在9月举行的比赛中,曾6次赢得女子冲浪世界冠军的Stephanie Gilmore在浪卷中滑行了令人震惊的14秒。

除了为奥运会提供一项新颖的比赛项目,这些人造波浪还可以作为高级冲浪者的训练平台,以及初学者的可控学习装置。这一商业潜力使得世界冲浪联盟控股公司收购了Slater公司的控股权。加州圣地亚哥的一位发明家Tom Lochtefeld说:“这些海浪太棒了,每个人都会爱上冲浪。”

Fincham预测,有一天可能会出现一种冲浪波浪,能进行不可思议的操作,例如在环形回路里翻筋斗。“我们已经得到了完美的自然波浪,而且,这很酷。”他说,“但我们能否制造一种几乎颠覆自然的超自然浪潮呢?”

也许,他们已经创造出了一些超自然的东西。(张章编译)

《中国科学报》 (2017-11-20 第3版 国际)
 
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