《中国诗词大会》与诗词里的物理学
以下文章来源于科学哎呦喂IUWE ，作者陈征
这两天被《中华诗词大会》刷了屏，陈老师自然免不了俗。虽然跟节目的诸位选手评委远不在一个水平线上，还是附庸风雅一番。开篇之前东施效颦，拿阙自填的小令博诸君一笑：
《一剪梅·浅月残星》
更深人静夜色清，一弯浅月，几点残星，
此月不知几时盈，人有悲欢，天有阴晴；
安得一世逍遥行？心念虽定，人却飘零，
喟然一叹波难平，还得修行，还得修行！
以上与正文无关。
科学史大家戴念祖先生也在看《诗词大会》，还写了篇科技版的《诗词大会》。其中引了唐诗三百首里的一首诗：
《滁州西涧》
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。
这是一千多年前的唐人韦应物的一首优美的田园诗，据说还被选入小学语文课本。我已经忘记当年有没有被要求背诵过这首诗，不知道现在的语文老师教这篇课文的时候还会不会要求总结“段落大意”、“中心思想”之类的。不过如果语文老师这么要求，你又总结不出来的时候，可以试试陈老师的办法，问他一句“幽幽诗中境，内藏理无穷；野渡无人舟，何以常自横？”（是不是有点“同行是冤家”的意思？）
韦应物（左）
“春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横。”写的是昨晚下雨，河里的水势涨了水流很急，荒滩野渡旁没人管的小船自己就横在了水流中。这个场景有什么玄机呢？
玄机就在那条没人管的小船上。大家仔细想想，为什么“舟”会“自横”而不是“自顺”、“自斜”或者“自转”在水流里呢？
戴念祖先生文章里还提到了宋代的寇准的一首诗，就是演义小说里那位不爱喝酒爱喝醋的寇老西儿。
《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。
寇准（左）
这首诗的颔联“野水无人渡，孤舟尽日横”说明老西儿也注意到了“舟”是“自横”的。韦应物的《滁州西涧》应该成篇在公元783-785年的滁州，老西儿的《春日登楼怀归》则大概作于公元980年的巴东，相距差不多200年，在两个不同的地方看到同样的现象，这绝不是偶然的！
为什么呢？？？！！！
说到底这是个平衡问题。啥叫平衡？这个……大概意思就是施加在一个东西上的各个外力作用（压力、支持力、拉力、摩擦力等等）相互抵消，使得这个东西原地不动（静止）或者平稳前行（匀速直线运动）的那种状态。你往碗里扔个豆子，它蹦跶几下最后在停在碗底不动了，豆子就处于平衡状态了。中药铺拿小杆秤秤药，调节秤砣的位置，最后秤杆不转了，秤也就平衡了。
杆秤（力矩平衡）
平衡和平衡可不一样。你把一个乒乓球放在西瓜上，技术好的话也能让它停在那儿（处于平衡），但稍微有点干扰，比如有点风或是桌子振了一下，乒乓球很容易就会掉下来（失去平衡）。而如果把乒乓球放到碗里，那它就会老老实实地停在碗底，而且不论你怎么干扰它，吹气也好扒拉也好，乒乓球来回晃悠一会儿最后还是会停在碗底。
同样是平衡，差距咋就这么大呢！
高处不胜寒啊
显然乒乓球停在碗底的平衡状态就比放在西瓜上的平衡状态牛，因为它抗干扰，稳定性好。当然从杂技的角度看，你可能觉得停在西瓜上更牛些，好吧，我们现在先谈物理……
乒乓球放在西瓜上和放在碗里虽然都能平衡，但是放在西瓜上时，稍微有点扰动使乒乓球偏离平衡那个点时，受到的支持力就不再向上，而是稍稍向远离平衡位置的方向偏一点点，结果让乒乓球离原来的平衡位置越来越远。而停在碗底的乒乓球偏离平衡位置的时候，支持力的偏向正相反，会把乒乓球推回平衡位置。所以如果在下面这样一个面上放个乒乓球，那显然最后在D点找到它的机会是最大的。
简单说来，一个没人管的东西最终基本上都会停在那个稳定性最好的平衡状态。
轮到处在流水中的船时，这个问题就复杂很多了。因为——水是个流体，不但是个流体，还是个黏流体（当然，其实所有的流体都有黏性的）！
Navier（左）Stokes（右）
这是个让科学家很抓狂的东西，情况各种复杂。描述黏性流体流动的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations，简称N-S方程）虽然早在1821（Navier）年和1845（Stokes）年就被两位大神分别提出，可这方程近两百年来无人能解，至今仍名列未解的世界七大数学难题之一，被美国克雷数学研究所悬赏百万美金。（PS：2002年庞加莱猜想被俄罗斯数学天才格里戈里·佩雷尔曼搞定，现在应该是六大未解难题了）
虽然距离完美还有些距离，不过通过一些理想化，到十九世纪末二十世纪初时，物理学家们还是拿出了一套比较靠谱的流体力学方法。二十多年前，天津大学的王振东老师就用流体力学方法详细的推导了船的旋转力矩。他列出的方程是这样的：
看着晕不？
方程的意思是：在流水中的船有两个平衡状态（力矩M为0），一是顺水（上式中为0度），一是打横（上式中为90度）。那为什么船最终还是“自横”了呢？以为除了以上两个平衡状态，船和水流的方向有任何角度时，都会产生把船推横的力矩。不会算没关系，我用一个流体力学的模拟软件给大家模拟了一下，图中红色代表正压，蓝色代表负压。
感谢果壳的痩驼老师推荐给我这个免费风洞模拟软件Wind Tunnel Free
大家原谅我的画工，用手指头在iphone屏幕上想画标准了太不容易。不过意思应该能看出来吧，只要不是平行或垂直，船对水的力都是趋于把船推横。是以“野渡无人舟，终究水中横”。
值得一提的是，当年从大宗师麦克斯韦手中接掌了物理学届的少林武当——剑桥大学卡文迪许实验室，出任第二任掌门人的瑞利，用来测定平面行波中的声质点速度，建立起了声压的测量的神器“瑞利盘”，利用的原理和“野渡无人舟自横”的原理是一样的！
瑞利男爵（左）开尔文勋爵（右）
顺便说一下，瑞利并不是本名，那只是爵位，全称是瑞利勋爵三世（Third Baron Rayleigh），人家本名叫约翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt）（就像“四爷”本名叫爱新觉罗·胤禛，爵位是“和硕雍亲王”，“八爷”本名叫爱新觉罗·胤禩(sì )，爵位叫“和硕廉亲王”）。物理学届还有一位泰山北斗级的人物也是类似的情况——开尔文。开尔文也是个爵位名字，开尔文勋爵一世（1st Baron Kelvin）的本名是威廉·汤姆逊（William Thomson）。
最后，看到风洞模拟图里流体通过小船后形成的那些蓝色的涡旋了么？那是一种很有意思的涡流（兰金涡Rankine vortex）。把一个盘子放在水面（部分浸入水中），向一边平行地一拉，如果你做的好，制造出一对涡旋，这对涡旋能向前走相当长一段距离。家里有浴缸的话可以试试看，比比谁制造的涡旋跑得远。
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