冒充专家：也谈水立方，Speedo LZR Racer，奥运破记录

看大家的帖子都在说本届奥运游泳赛破了很多世界记录，有的说是因为 Speedo 的新式泳衣，也有的说是 (或不是) 水立方泳池的水深增加一米，其实这些都跟 "流体动力学" 有关。金笔在大学里粗略接触过，现在也来卖弄一下。各位如果要砸，砸轻点啊。

言归正题。

当物体在水 (或气体) 中移动时，或者反过来，水 (或血液或气体) 在管壁内运动时，都会遇到阻力。阻力是因为流体分子之间的摩擦以及流体分子与管壁 (或流体分子与物体) 的表面之间的摩擦。摩擦力越大，阻力也就越大，运动速度也就越慢。

当年国内有个著名的学部委员，(恕我忘了他的名字，望知道的同学提醒我)，他早年在美国留学时研究的就是 "流体动力学"，他的贡献是发现流体运动的两种形式，即 "片层流 (Laminar Flow)" 和 "漩涡流 (Turbulent Flow)" (见下图)。根据他的理论，流体在 "片层流" 时阻力较小，而在"漩涡流" 中运动时，遇到的阻力较大。


下图：片层流图



下图：漩涡流图



通俗的说 "片层流"，假如您有满满一罐弹子，如果将它们从上往下倒的话，最先出来的一定是罐子中间部分的弹子，因为它们受到的阻力最小。同理，在泳池最边上的两条水道里游泳 (即第一和第八道)，遇到的阻力最大。这是为什么好的游泳运动员在进入决赛前，总想游出一个好成绩，占一条好的水道 (决赛时水道的序列是将成绩最差的选手排在最边上)，在决赛时游出好成绩。当然除了最边上两条水道，其他水道的差别就很小了。

那么水立方水深增加一米，对游泳成绩有没有影响呢？您自己判断吧。

再说 "漩涡流" 吧，还记得 "河中石兽" 这个故事吗？故事说：

沧州南，一寺临河干，山门圮于河，二石兽并沉焉。阅十余岁，僧募金重
修，求二石兽于水中，竟不可得。以为顺流下矣，棹数小舟，曳铁钯，寻十余里，
无迹。...

一老河兵闻之，又笑曰："凡河中失石，当求之于上游。盖石性坚重，沙性
松浮，水不能冲石，其反激之力，必于石下迎水处啮沙为坎穴，渐激渐深，至石
之半，石必倒掷坎穴中。如是再啮，石又再转，再转不已，遂反溯逆流而上矣。"

这个故事大致是说，落入河中的两个石兽，数年后应该是在河的上游还是下游打捞呢？

按照 "漩涡流" 原理，水流遇到石兽产生涡流，涡流时力的方向是不规则的 (见上图)，也可以冲刷石兽上游的河床 (如果您曾站在海滩感受海浪的冲刷，就会理解这个)，最后将石兽向上游推动。

因为 "漩涡流" 时，水的摩擦力增加，阻力也增加。所以，如果减少游泳运动员身边的涡流，就能减少阻力，结果是游泳速度加快。Speedo LZR Racer 泳衣的原理之一是减少涡流产生，它的作用在几个月前美国为北京奥运作的运动员选拔赛上就已经显示了。穿上它的运动员，几破世界记录，早已经见诸报端了。

那么这次北京奥运，游泳运动员为什么多破世界记录呢？

老金我想主要是因为北京奥运举办得好，人民友善，运动员情绪高昂，吃得好睡得好，再配上立方水深，泳装的辅佐，所以破了很多记录 (自己曾目击有些记录甚至提高了好几秒)。

再祝北京奥运成功!

[金笔]

看看专家的评论：

水立方为啥容易破纪录

来源: 龙剑 于 08-08-18 15:40:12

下面贴子原是发给金笔兄的悄悄话，金笔兄认为补充了他关于水立方为啥容易破纪录的解释，可以发到坛上。于是作了少许修改，变成这个样子。可能涉及较多的专业内容，请大家耐心看下去。
首先发现流体有laminar flow（国内早先按日文写法叫片流，现在水利界可能还有人这样叫，但多数译为层流）和turbulent flow（日文写作乱流，水利界习惯叫紊流，多数科技书译为湍流，这是物理学家王竹溪先生根据流动情况结合tur的发音的绝妙译法）两种不同流动状态的是法国实验流体力学家W.Reinolds，时间大约在1881年（记不大确切，待查）。他在圆管水流的中心，用注射器射入一股细细的有色液流，发现当一个无量纲的特征量Re（等于流体速度乘以流场特征长度即圆管直径再除以流体运动粘性系数，为了纪念他，现在叫做雷诺数）较低时有色液流可以维持很长一段距离，达到一定数值时有色液流很快扩散到整个圆管流动就由laminar flow转变为turbulent flow。二十世纪五十年代美籍华裔力学家林家翘先生根据流动稳定性理论在平板边界层流动中得到临界雷诺数为1720，二十世纪八十年代日本的西岗通男在严格控制实验条件下作出了1740的结果。在一般的实际流场里，临界值是一个区域约在2100-4000，这是一个很小的数值。水的流体运动粘性系数在摄氏20度时为每秒0.011平方厘米，如果水流速度（或者游泳者的游速）是每秒100厘米则除了非常贴近游泳者身旁（不超过0.44厘米）的区域外水流都是湍流。
金笔兄文章中提到的学部委员是物理学家周培源先生，他是二十世纪二十年代留德的，四十年代曾在美国著名的流体力学杂志（J.F.M.）发表了一篇被世界上公认是奠基性的湍流理论和数值研究论文。文化革命结束后，在他的倡导下，中国力学界许多人投入了湍流研究，力图攻克这个古老力学的最后一个理论难题。这个题目实在太难了，二十世纪九十年代以后热情渐渐消退了，迄今为止还没有人解决这一理论问题。这是物理学上可以获得诺贝尔奖金的课题之一。尽管如此，由于自然界里湍流几乎无所不在，大到大气、海洋，小到人体血管流动，游泳池中的水流自然也处于湍流状态。所以对湍流的实际应用上作了大量研究，并取得许多成果，在游泳这项体育运动中也是如此。
在下也认为运动员在水立方比在别的游泳池阻力要小一些，其理由是不完全沉没液体中的物体在液体中运动，阻力主要来自表面波产生的兴波阻力，水面船舶就是如此。所以大型船舶的船首往往设计成撞鼻型，就是在船舶头部水线以下部位有一个水滴状的突起，以减少兴波阻力。表面波的能量沿水深而衰减，接触到池底则反射回水面，能量叠加必加大阻力。三米深的水立方差不多比二米深普通游泳池深了1/2。表面波粗略按指数规律衰减估计，则三米深的游泳池从池底反射能量回水面的表面波能量仅是两米深的游泳池的1/2.7。假定原先反射能量是初始能量的5%，现在则仅1.8%，于是阻力也就相应减少。
一般游泳池边壁高出水面，在两边泳道的运动员，由于表面波在边壁的反射，所遇到的阻力比中间泳道的运动员大。水立方边壁和水面平，两旁有向外倾斜的溢水道，有效地避免了表面波的反射。一般游泳池设八条泳道，水立方却有十条泳道，比赛时没有使用最靠近边壁的两道。这样就使得运动员在两边泳道和在中间泳道遇到的阻力差不多，比赛更加公平。而且在溢水道里设有换气孔，向池表面输送新鲜空气，新鲜空气含氧量高，也有利于运动员游出好成绩。我国为这届奥运会场地创造良好条件是下了大功夫，强大的国力使北京奥运会的设施也达到了世界最好的水平，这届奥运会使世界震惊、国人自豪的东西实在太多了。
水立方为啥容易破纪录的另一个原因（也是今年上半年以来游泳频破纪录的原因）可能是参赛运动员普遍使用的鲨鱼皮游泳衣（speedo），这是仿生学的成果。物体在水中运动遇到的阻力还来自物体表面和水流之间的摩擦。人们往往认为表面越光滑，摩擦阻力越小，其实不然。水相对于水中运动的物体的速度，从物体表面上的零过渡到物体的运动速度，经过薄薄一层水，流体力学上称之为边界层，摩擦阻力就在边界层中产生。研究表明鲨鱼在水中游泳速度很快，得益于鲨鱼皮肤表面的粗糙。表皮的微小突起使边界层中的流动从零到最大速度的变化规律由抛物线改为1/7次幂，即层流边界层变成了湍流边界层。同样速度条件下，摩擦阻力却减少了，这就是仿生学的鲨鱼皮游泳衣提高运动员成绩的奥秘。垂直的对流情况下，看到的是‘墟里孤烟直’的情景，如果大气处于湍流状态，烟就迅速扩散，空气中各组分相互交换更快。湍流边界层使运动员呼出的二氧化碳更快扩散，更多地氧气补充进来，据研究，运动员用鲨鱼皮游泳衣可多吸入5%的氧气，这又是一个鲨鱼皮游泳衣提高运动员成绩的原因。
一孔之见，未必正确，仅供参考，请同学们指正。