水立方為啥容易破紀錄

下麵貼子原是發給金筆兄的悄悄話，金筆兄認為補充了他關於水立方為啥容易破紀錄的解釋，可以發到壇上。於是作了少許修改，變成這個樣子。可能涉及較多的專業內容，請大家耐心看下去。
首先發現流體有laminar flow（國內早先按日文寫法叫片流，現在水利界可能還有人這樣叫，但多數譯為層流）和turbulent flow（日文寫作亂流，水利界習慣叫紊流，多數科技書譯為湍流，這是物理學家王竹溪先生根據流動情況結合tur的發音的絕妙譯法）兩種不同流動狀態的是法國實驗流體力學家W.Reinolds，時間大約在1881年（記不大確切，待查）。他在圓管水流的中心，用注射器射入一股細細的有色液流，發現當一個無量綱的特征量Re（等於流體速度乘以流場特征長度即圓管直徑再除以流體運動粘性係數，為了紀念他，現在叫做雷諾數）較低時有色液流可以維持很長一段距離，達到一定數值時有色液流很快擴散到整個圓管流動就由laminar flow轉變為turbulent flow。二十世紀五十年代美籍華裔力學家林家翹先生根據流動穩定性理論在平板邊界層流動中得到臨界雷諾數為1720，二十世紀八十年代日本的西崗通男在嚴格控製實驗條件下作出了1740的結果。在一般的實際流場裏，臨界值是一個區域約在2100-4000，這是一個很小的數值。水的流體運動粘性係數在攝氏20度時為每秒0.011平方厘米，如果水流速度（或者遊泳者的遊速）是每秒100厘米則除了非常貼近遊泳者身旁（不超過0.44厘米）的區域外水流都是湍流。
金筆兄文章中提到的學部委員是物理學家周培源先生，他是二十世紀二十年代留德的，四十年代曾在美國著名的流體力學雜誌（J.F.M.）發表了一篇被世界上公認是奠基性的湍流理論和數值研究論文。文化革命結束後，在他的倡導下，中國力學界許多人投入了湍流研究，力圖攻克這個古老力學的最後一個理論難題。這個題目實在太難了，二十世紀九十年代以後熱情漸漸消退了，迄今為止還沒有人解決這一理論問題。這是物理學上可以獲得諾貝爾獎金的課題之一。盡管如此，由於自然界裏湍流幾乎無所不在，大到大氣、海洋，小到人體血管流動，遊泳池中的水流自然也處於湍流狀態。所以對湍流的實際應用上作了大量研究，並取得許多成果，在遊泳這項體育運動中也是如此。
在下也認為運動員在水立方比在別的遊泳池阻力要小一些，其理由是不完全沉沒液體中的物體在液體中運動，阻力主要來自表麵波產生的興波阻力，水麵船舶就是如此。所以大型船舶的船首往往設計成撞鼻型，就是在船舶頭部水線以下部位有一個水滴狀的突起，以減少興波阻力。表麵波的能量沿水深而衰減，接觸到池底則反射回水麵，能量疊加必加大阻力。三米深的水立方差不多比二米深普通遊泳池深了1/2。表麵波粗略按指數規律衰減估計，則三米深的遊泳池從池底反射能量回水麵的表麵波能量僅是兩米深的遊泳池的1/2.7。假定原先反射能量是初始能量的5%，現在則僅1.8%，於是阻力也就相應減少。
一般遊泳池邊壁高出水麵，在兩邊泳道的運動員，由於表麵波在邊壁的反射，所遇到的阻力比中間泳道的運動員大。水立方邊壁和水麵平，兩旁有向外傾斜的溢水道，有效地避免了表麵波的反射。一般遊泳池設八條泳道，水立方卻有十條泳道，比賽時沒有使用最靠近邊壁的兩道。這樣就使得運動員在兩邊泳道和在中間泳道遇到的阻力差不多，比賽更加公平。而且在溢水道裏設有換氣孔，向池表麵輸送新鮮空氣，新鮮空氣含氧量高，也有利於運動員遊出好成績。我國為這屆奧運會場地創造良好條件是下了大功夫，強大的國力使北京奧運會的設施也達到了世界最好的水平，這屆奧運會使世界震驚、國人自豪的東西實在太多了。
水立方為啥容易破紀錄的另一個原因（也是今年上半年以來遊泳頻破紀錄的原因）可能是參賽運動員普遍使用的鯊魚皮遊泳衣（speedo），這是仿生學的成果。物體在水中運動遇到的阻力還來自物體表麵和水流之間的摩擦。人們往往認為表麵越光滑，摩擦阻力越小，其實不然。水相對於水中運動的物體的速度，從物體表麵上的零過渡到物體的運動速度，經過薄薄一層水，流體力學上稱之為邊界層，摩擦阻力就在邊界層中產生。研究表明鯊魚在水中遊泳速度很快，得益於鯊魚皮膚表麵的粗糙。表皮的微小突起使邊界層中的流動從零到最大速度的變化規律由拋物線改為1/7次冪，即層流邊界層變成了湍流邊界層。同樣速度條件下，摩擦阻力卻減少了，這就是仿生學的鯊魚皮遊泳衣提高運動員成績的奧秘。垂直的對流情況下，看到的是‘墟裏孤煙直’的情景，如果大氣處於湍流狀態，煙就迅速擴散，空氣中各組分相互交換更快。湍流邊界層使運動員呼出的二氧化碳更快擴散，更多地氧氣補充進來，據研究，運動員用鯊魚皮遊泳衣可多吸入5%的氧氣，這又是一個鯊魚皮遊泳衣提高運動員成績的原因。
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