冒充專家：也談水立方，Speedo LZR Racer，奧運破記錄

看大家的帖子都在說本屆奧運遊泳賽破了很多世界記錄，有的說是因為 Speedo 的新式泳衣，也有的說是 (或不是) 水立方泳池的水深增加一米，其實這些都跟 "流體動力學" 有關。金筆在大學裏粗略接觸過，現在也來賣弄一下。各位如果要砸，砸輕點啊。

言歸正題。

當物體在水 (或氣體) 中移動時，或者反過來，水 (或血液或氣體) 在管壁內運動時，都會遇到阻力。阻力是因為流體分子之間的摩擦以及流體分子與管壁 (或流體分子與物體) 的表麵之間的摩擦。摩擦力越大，阻力也就越大，運動速度也就越慢。

當年國內有個著名的學部委員，(恕我忘了他的名字，望知道的同學提醒我)，他早年在美國留學時研究的就是 "流體動力學"，他的貢獻是發現流體運動的兩種形式，即 "片層流 (Laminar Flow)" 和 "漩渦流 (Turbulent Flow)" (見下圖)。根據他的理論，流體在 "片層流" 時阻力較小，而在"漩渦流" 中運動時，遇到的阻力較大。


下圖：片層流圖



下圖：漩渦流圖



通俗的說 "片層流"，假如您有滿滿一罐彈子，如果將它們從上往下倒的話，最先出來的一定是罐子中間部分的彈子，因為它們受到的阻力最小。同理，在泳池最邊上的兩條水道裏遊泳 (即第一和第八道)，遇到的阻力最大。這是為什麽好的遊泳運動員在進入決賽前，總想遊出一個好成績，占一條好的水道 (決賽時水道的序列是將成績最差的選手排在最邊上)，在決賽時遊出好成績。當然除了最邊上兩條水道，其他水道的差別就很小了。

那麽水立方水深增加一米，對遊泳成績有沒有影響呢？您自己判斷吧。

再說 "漩渦流" 吧，還記得 "河中石獸" 這個故事嗎？故事說：

滄州南，一寺臨河幹，山門圮於河，二石獸並沉焉。閱十餘歲，僧募金重
修，求二石獸於水中，竟不可得。以為順流下矣，棹數小舟，曳鐵鈀，尋十餘裏，
無跡。...

一老河兵聞之，又笑曰："凡河中失石，當求之於上遊。蓋石性堅重，沙性
鬆浮，水不能衝石，其反激之力，必於石下迎水處齧沙為坎穴，漸激漸深，至石
之半，石必倒擲坎穴中。如是再齧，石又再轉，再轉不已，遂反溯逆流而上矣。"

這個故事大致是說，落入河中的兩個石獸，數年後應該是在河的上遊還是下遊打撈呢？

按照 "漩渦流" 原理，水流遇到石獸產生渦流，渦流時力的方向是不規則的 (見上圖)，也可以衝刷石獸上遊的河床 (如果您曾站在海灘感受海浪的衝刷，就會理解這個)，最後將石獸向上遊推動。

因為 "漩渦流" 時，水的摩擦力增加，阻力也增加。所以，如果減少遊泳運動員身邊的渦流，就能減少阻力，結果是遊泳速度加快。Speedo LZR Racer 泳衣的原理之一是減少渦流產生，它的作用在幾個月前美國為北京奧運作的運動員選拔賽上就已經顯示了。穿上它的運動員，幾破世界記錄，早已經見諸報端了。

那麽這次北京奧運，遊泳運動員為什麽多破世界記錄呢？

老金我想主要是因為北京奧運舉辦得好，人民友善，運動員情緒高昂，吃得好睡得好，再配上立方水深，泳裝的輔佐，所以破了很多記錄 (自己曾目擊有些記錄甚至提高了好幾秒)。

再祝北京奧運成功!

[金筆]

看看專家的評論：

水立方為啥容易破紀錄

來源: 龍劍 於 08-08-18 15:40:12

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。
一孔之見，未必正確，僅供參考，請同學們指正。