“秋天到了，天气凉了，一行大雁往南飞，一会儿排成'人'字形，一会儿排成'一'字形。”秋天一凉，你的耳畔，可曾隐约响起小学语文课堂里那富有磁性的录音？

不过，对于大雁，最直接的疑问必然是，大雁南飞为啥非要排成“人”字形或者“一”字形，而不是N形和B形，或者其他更具想象力的阵型呢？

【雪雁（Anser caerulescens）组成一字形和人字形编队飞行，会有多少人误认为，“一”字形是并排或是排成一支队伍的形式......图片来自flickr.com】

人字形编队，省体力？

在现有的大雁人字形编队说法中，“节省体力”的解释流传最广。事实上，这个解释还停留在假说阶段。目前为止，科学家还没有确凿的证据来支持它。

很早以前，人类就已经开始观察到，大型鸟类通常选择人字形或者一字形的线形阵，而小形鸟类则往往聚成一团。不过，对大型鸟类编队飞行奥秘的科学探索，还要追溯到二十世纪初莱特兄弟刚刚开启航空时代的岁月。1914年，德国的空气动力学家卡尔•魏斯伯格(Carl Wieselsberger)经过简单计算后首次提出大雁飞人字形可以节省能量这一假说。他认为，大雁翅膀扇动会引发尾流的涡旋，而涡旋的外侧正好是向上的气流。如果相邻的大雁刚好处在上升气漩里，那么他们的飞行就会大大省力。

【选取俯视或正视角，可以看到鸟儿扇动翅膀形成的气流产生一个水平的气漩，有上升也有下降，后来者如果位于上升气漩中，那就能够借助这股抬升力飞行了。图片来自lifeomics.com】

这个假说从诞生那天起，就受到了鸟类学家的欢迎，但是真正对它定量计算却是在几十年以后。1970年，里萨满(Lissaman)和斯科伦伯格（Schollenberger)利用日臻成熟的空气动力学理论首次给出了一个估算。他们发现，与单个大雁相比，一个由25只大雁组成的人字形编队可以多飞71%的航程。他们还得出，最佳的人字形夹角为120度。这个研究结果是如此的激动人心，以至于如今的成功学和领导学教材上已经充斥这个结论，用来说明领导是多么伟大，而团队工作是多么有效率。

难道说，大雁组队飞行Pose摆法的问题就要这样盖棺定论了？

且慢！在里萨满和斯科伦伯格的研究中，他们并未给出具体的计算公式和计算过程。而他们采用的模形也过于简化：先是假设这些鸟不扇动翅膀，而是像固定翼飞机一样僵硬；同时也没有考虑光滑的机翼和毛茸茸的翅膀之间的区别。此后，一批更深入的理论研究证明，大雁编队飞行的能量利用率远没有文章中提到的那样高。不管此类工作如何细致，模型如何复杂，严谨的科学家们还是批评这些理论计算过于理想化。光凭理论计算，似乎无法博得人们的青睐。

【固定翼飞机的尾流里，外侧的确是上升气流，不过鸟儿们飞行时候的气流模型，可就复杂多了。图片来自sciencebuddies.org】

省力与否，假说VS实证

理论计算行不通，科学家们开始另辟蹊径，研究实地观测数据中人字形夹角的度数。他们认为，如果空气动力学优势是大雁选择人字形或者一字形的唯一理由的话，那么大雁在大多数时间都应该保证人字形的夹角处于最佳或者某一个固定的数字附近，而且要避免飞成一字形，因为对称的尾迹里，一边的上升气流就会被浪费掉。但是，现实再一次无情的打击了这一假设。雷达和光学跟踪研究发现，大型鸟类飞行的人字形夹角在24度到122度范围内诡谲多变，而且飞行中还会大幅度变换角度。最让人费解的是，只有20%的飞行时间里，他们才会选择人字形，而大多数时候一字长蛇阵更受欢迎。

【从大雁迁徙的视频中，可以看到它们的飞行阵型变化之复杂。】

近十年来，新的技术革命又大大加深了我们对鸟类编队飞行现象的认识。这一次，无人机控制领域的专家们跑过来凑热闹了。随着全球鹰和捕食者无人机的大量应用，控制学领域开始关注飞行器的自动导航和操纵问题了。在组队飞行过程中，大型鸟类频繁和大角度的调整飞行，还不断更换领队鸟和跟从鸟之间的相对距离却不发生碰撞。赛勒等人在研究了大型鸟类飞行的观测记录后发现，从控制学上说，这些行为的并存几乎是不可能完成的任务。不过，他们也没有把这条路完全堵死：如果编队里的成员，每一个都以领队为基准来调整自己，且编队足够小的话，这个任务还有那么一丁点完成的可能。

到目前为止，最靠谱的人字形编队具有空气动力学优势的证据恐怕就是来自维莫斯克奇(Weimerskirch)等人的实验。他们将八只白鹈鹕训练成自家摩托艇的粉丝，这些白鹈鹕只要看到摩托艇就会屁颠屁颠跟着傻飞。通过测量鹈鹕们飞行时的心律，研究者发现，白鹈鹕飞人字形时心率比单飞时低11%-15%，因此他们得出鸟类飞人字形节省能量的推断。但也有批评者跳出来反驳说，群居的动物往往比孤独的动物心率要低。

总而言之，对于飞人字形究竟能否节省大雁长途奔袭中的体力这个问题，目前的确还不能下明确结论。也许，要找到这个问题的最终答案，唯一方法就是去训练一队风洞里的大鸟。通过它们在风洞里飞行的力学数据，才可能判断编队飞行究竟有没有节省体力。

鸟类编队飞行研究，才刚上路呢

虽然科学家们尚不能证明人字形和一字形编队能够节省长途飞行的体力，但是这种编队形式的其他好处已经被证实了。鸟类学家发现，加拿大大雁的眼睛分布在头的两侧，各自可以覆盖从正前方往后的128度角的范围。这与这些大雁编队飞行的极限角度相一致。换句话说，每一个在编队里飞行的大雁都能看到领队鸟，而领队鸟也可以看见全部的编队成员。因此，这些鸟类选择人字形和一字形至少有一个确定的理由：在编队飞行中，每一只鸟都能看见整个编队，从而能够更好地进行相互交流或者自我调整。

【大天鹅编队在北京城郊外优雅的飞过，想欣赏鸟儿们迁徙时的姿态？请看《一起去看：野鸭湖，又是一年迁徙季》 摄影 令狐兔妖】

鸟类编队飞行的现象虽然常见，但却非常不容易进行研究。继生物学家最早介入这一领域后，航空工程师、数学家、乃至物理学家们也都逐渐参与进来，各抒己见，包括“鸟类人字形编队源于静电场”这样更加大胆的假说，也有了亮相的机会。事实上，任何人都可以提出自己的假设，只要经得起科学实验和实地观测的验证，假说就有机会得到广泛的认可！

参考资料

[1]Why Do Birds Fly in a V-formation?

[2]The Spring Geese Are Flying North

[3]I Lebar Bajec, F.H. Heppner / Animal Behaviour 78 (2009) 777-789

原文已发表于果壳网 自然控主题站《组队飞行，大雁为什么摆“人”字？》

如果从死亡率的角度来讲，泥石流的威力在各种灾难里面名列前茅。

泥石流身兼洪水和山崩的双重特点：像山崩一样，它发生前，悄无声息，鲜有征兆，发生时破坏力惊人，势不可挡；又如洪水一般，它飞流直下，千里奔袭，漫山遍野，影响广泛。每年，全球都要发生数以万计次泥石流。最大的一次灾难大概要算1970年秘鲁安第斯山区发生的一次冰川泥石流：3010多万立方米的冰雪泥石顷刻间吞没了一个名叫罗嘉依的小镇，全城3万居民全部遇难。

【中国是一个遍布泥石流风险的国家，二十多个省份都有频发的泥石流。泥石流主要集中分布在西藏东南部、四川西部和南部，云南东部和西部、甘肃和陕西南部的秦岭地区等四个区域。】

从科学研究的角度来讲，科学家不仅难以通过预测泥石流发生的时间地点来安排科学观测，而且难以承担瞬时产生的巨大能量和破坏力给科研造成的危险和不确定性。所以，科学观测和定量研究泥石流还是最近几十年的事。随着泥石流导槽实验的增多，和数值模拟技术的进步，新的观测给泥石流科学带来了一场革命。

孕育，伺机而动

泥石流为什么在暴雨天气中频频亮相？究竟暴雨给泥土和岩石什么诱惑，让它们一泻千里呢？所谓千里之堤，溃于蚁穴，气势磅礴的泥石流也是源自细微的结构变化。本来，泥土和岩石都处于一个稳定的状态，安安稳稳的停留在山坡上。泥土和石块相互挤压的越紧密，之间的摩擦力就越大，产生平行滑移就越困难，山坡就越稳定。但是当天降大雨的时候，渗入泥土的水分快速占据泥土之间的空隙，在空隙里形成孔隙压力。由于泥土颗粒之间挤压的作用减弱，他们之间的滑移就变得更加容易。而这个滑移的倾向有一个临界值，一旦超过临界值，泥土颗粒就要翻脸了。在重力的作用下，这些曾经稳定的泥土结构终于失稳，滑移了起来。

【泥石流的形成需要丰富的松散固体物质、陡峻的地形和短时间内的大量流水来源，因此高强度的降雨常常是触发泥石流的诱因，此外，冰雪的极速融化也会造成泥石流。】

从微观失稳发展到昏天黑地的泥石流通常有两种途径：首先，微观失稳有可能牵一发而动全身，一个地方的失稳会像多米诺骨牌一般被极速放大，从而形成整个山体的滑坡进而形成泥石流；另外，失稳也可能像天女散花，在多处发生，这些失稳造成的小崩溃们会聚集在一起，也能形成摧枯拉朽的泥石流。

来袭，不寒而栗

也许泥石流形成的机理并不复杂，不过即使你能猜中它的开始，也未必猜得到它的过程和结局。过去，泥石流倾泻过程的资料和数据要么来自遇难生还者的描述综合，要么是来自灾后泥石流的轨迹的反向推演。这些证据往往失之偏颇，鲜有科学价值。近年来，技术的进步得以让泥石流在实验室重现，并允许科学家进行有价值的观测。在俄勒冈州，美国地质调查局就建立了一个著名的泥石流实验场，他们的一系列实验揭示了泥石流流动鲜为人知的秘密。

【美国地质调查局在俄勒冈HJ安德鲁实验森林修建的泥石流导槽，科学家正在导槽上倾泻泥石流进行模拟实验。】

首先，泥石流会有很多的波峰。这些波峰之间会弱肉强食，从而形成一个大波。这种汇聚作用会集中泥石流的破坏力，形成更大的攻势。其次，泥石流是由一个突起的前锋和一条长长的尾巴组成的。科学家发现泥石流前锋的孔隙压力接近于零，这意味着泥石流的前锋比较干燥。从实地观测结果来看，泥石流前锋聚集了众多大个头的岩块，甚至包括了大块头的泥团，连根拔起的树木，被摧残的桥梁以及各种下场凄凉的交通工具。这种裹挟了大块头的前锋，貌似也有大智慧。由于干燥的前锋阻力相对强大，因此可以帮助自己自动刹车。而泥石流前锋的尾部，孔隙压力竟然达到峰值，可以让泥石流表现出更多洪流的性质，帮助泥石流倾泻。两种作用相互叠加，更为挤压了泥石流前锋，使能量更为集中。

泥石流不光自身吞食天地，他的前锋还会远程攻击，石头瓦片往前方一顿乱砸。往往前锋未到，暗器先行，甚是歹毒。最后，由于泥石流前锋自身摩擦剧烈，所以动能被大量转化为了热能。热腾腾的前锋体积因此膨胀，就像一个长大了的黑洞，贪婪的吞没着遇到的一切。体积膨胀的前锋，密度变小，更具有流动性，下泄速度还会被加快。如此看来，大自然制造的这个怪物拥有这么多凶残歹毒的手段，着实让人不寒而栗。来看看震撼的泥石流实验视频吧！

滞流，轰鸣的结束

如果没有遇到地形障碍，例如山体或者河流的阻挡，泥石流也会自己慢慢停下来。由于前锋的阻挡，他先是慢慢变冷，然后从孔隙压力较低的部分慢慢停止下来。所以颗粒比较大的石块最终都会聚集在泥石流沉积物的周围以及表面，形成一面堤坝。如果细沙土还有冲劲，可能最终突破这面堤坝，形成二次倾泻。所以，整个停止过程，就是一个前冲，筑坝，垂直聚集和横向分流的反复和混合过程。这个过程就像个活脱脱的绞肉机，所以被卷入泥石流的生命鲜有生还。

从泥土颗粒翻脸的过程来看，泥石流发生前悄无声息，基本没有什么明显征兆，所以极难提前预警；而且山区地广人稀，没法测量所有山坡的微观结构，泥石流的发生也因此极难预防。虽然科学研究无法有效防止泥石流的发生，但是研究它的形成机理却可以给城镇规划提供思路，包括如何避免泥石流的破坏，如何筑造防流大堤等等。另一方面，对泥石流倾泻和滞止的研究可以帮助现场救援人员及早确定重灾区，及早制定和采取有效的救援计划。

纵观泥石流的发生、发展和终结，每一次地质灾害，都有可能是地狱大门一次轰隆隆的敞开。随着自然资源掠夺性开采现象的加剧，泥石流灾害还会发生的更加频繁。最后，来看看最近发生在神农架的凶猛泥石流现场视频吧！

参考资料：
[1] 王振东.山摧江溢路不通------漫话泥石流[J] 力学与实践, 2011,V33(3): 87-90
[2] Iverson RM. 1997. The physics of debris flows. Rev. Geophys., 35, 3: 245-296
[3] Logan, Matthew, and Iverson, Richard M., 2007, revised 2009, Video documentation of experiments at the USGS debris-flow flume 1992-2006 (amended to include 2007- 2009): U.S. Geological Survey Open-File Report 2007-1315 v. 1.1

本文已发表于 果壳网 自然控主题站 《大自然的绞肉机，泥石流凶猛来袭》

一直以为，我的博士导师埃里克只是个冷笑话高手。不过最近可不一样了，他十年前的这项研究为他赢得了2010年搞笑诺贝尔化学奖，货真价实的幽了我们一默。一得到获奖消息，我就一个箭步冲到了老板的办公室道贺。他满脸通红，连说这个不值得一提。令我困惑的是，我们正儿八经搞力学的研究组为什么会拿到化学奖？ 

老板打个嗨声，试图解释道：我唯一和化学的联系大概就是高中当过化学课代表了吧！ 

此外，老板表示很有压力，完全听不懂工程奖获得者在搞啥东东。为了今后能更好的吹牛，俺连忙从网站上下载到这篇获奖论文，读了起来： 

十年前六月的一天，挪威海海面“远握号”科学考察船上聚集着一群科学家。他们密切的关注着海底844米深处一个油井喷口的动静。在这里，他们布置了包括水下机器人，回声声纳系统，水样采集系统，多普勒洋流仪，快艇和航空监测系统在内的天罗地网，等待即将发生的“漏油事故”自投罗网。原来这是一个名为“深漏”的海底漏油实验。和墨西哥湾今年的惊天大漏油事故不同，挪威的海底实验是一次精心策划的，有预谋的，一小撮人为了达到不可告人目的而进行的观测。幸好水一瓢洞悉了他们不可告人的目的：1）获取数据来验证和改进数学模型，2）测验紧急漏油事故中监测仪器的工作状况，3）评估海底漏油事件的环境影响。实验一共进行了四次：第一次释放氮气和染色了的海水（为了定量追踪流动的混合情况）在压力驱动下喷射了40分钟；其次，压缩天然气和船舶专用柴油喷发了60分钟；接着原油和天然气喷射60分钟；最后，天然气和海水喷射了120分钟。研究人员不但发现油滴浮到海面的速度比先前预计的快了很多，而且从海面观测数据来计算，绝大部分漏油都失踪了！更令人意外的是，查阅历次漏油事件，几乎每次油污的去向都是一个谜。  

海底漏油形成的羽流示意图，从下到上形成了一次、二次、三次和四次横向扩散

在麻省理工(MIT)的帕森斯实验室(Parsons Lab)，埃里克和另一位获奖者——他曾经的博士生的索格洛夫斯基博士以及研究小组的其他成员从2000年开始进行了一系列的油滴、气泡射流实验揭开了原油去向之谜。 

原来，液体原油从喷口中喷出会形成细小的油滴，就像打开水龙头时自来水自动形成断了线的水珠一样飞入海洋。泄漏的速度越高，形成的液滴就越细小，液滴受到的浮力就越小。海洋里流动复杂。流动带来的阻力远远超过浮力的话，液滴就很难像静水中那样浮到水面。 

另外，他们还发现另一个决定大部分漏油命运的现象。在海水中，因为海水密度会随着深度递增（温度随着深度递减而盐度随着深度递增），所以油滴在上升的过程中受到的浮力就会逐渐减小。与此同时，油滴在海洋中近乎随机的流动中受到的洋流的冲击。当浮力远小于洋流对油滴的冲击力时，油滴射流就会发生横向扩散。由于大多数漏油事故中，原油都伴随着天然气一起泄漏。喷射出来的天然气气泡比重非常小，不会理会这种横向扩散而继续上升。一些被气泡流裹挟的原油也会随之升腾，当气泡引发的气泡、油水混合流卷入了周围低速的海水后，流动会急剧减弱，拜洋流所赐，二次横向扩散便会形成。气泡仍会继续上升，引发新一轮升腾的流动，再次带动油滴上浮，再次减弱，再次横向扩散……如此往复，形成三次乃至多次横向扩散。 

由于海洋中遍布助纣为虐的横向洋流，这些横向扩散便非常强烈，从而裹挟大部分喷射出来的原油。据估计，墨西哥湾漏油事件中，仅第一次横向扩散就包含了90%的原油。这大大增加了清理油污的难度。据估计，目前能飘浮到海面的石油只有总泄漏的5%左右。而人类一直在忙活的也就是收集这5%。绝大部分的原油将永远漂浮在深海中，直到被自然降解或者吸附到海底泥沙中。 

这些实验结果，对深海生态环境评估也有着重要意义。此外，说起这个做实验用的胡迪尼水箱还另有一段八卦。这个高约三米，横截面1.5m*1.5m的水箱竟然以魔术大师哈里·胡迪尼的名字命名。虽然，在麻省理工门口的哈佛桥（明明离MIT最近，竟然被哈佛强盗了名字）上，哈里·胡迪尼的确表演过成名的逃生魔术，但是俺们实验室的那个笨家伙只是长得和水箱逃生魔术好似孪生兄弟，实际上完全没有联系。欢迎有志之士前来表演水箱逃脱魔术让他名副其实或者水下胎吸功。 

包括“深漏”观测和上面的实验在内，老板获奖的2005年综述总结了这十年来相关的一系列实验室实验和国际研讨会在“深漏”实验基础上各种数学模型的比较  

水下机器人正在监测海底漏油

结果。可以说，和其他搞笑诺贝尔奖获得者一样，这是一项很严肃的科学研究。但是，极具讽刺的是，这次研究不幸言中了堪称人类最大环境灾难的墨西哥湾漏油事故。身为“深漏”实验的主要参与者，主要的资助方英国石油公司(BP)并没有从这项具有前瞻性的研究中得到启示，进行相关的事故应急准备。他们在灾难中行动缓慢，应变迟钝，饱受抨击。从2010年4月20日，美国路易斯安那州沿海的“深水地平线”石油钻井平台发生突然爆炸到8月4日油井被最终封堵，据估计，有490万桶原油被泄露到墨西哥湾，致使九百多公里的海岸受到污染，并“油杀”了4000多只海鸟，700多只海龟，数十条海豚。这给当地的海洋和野生动物栖息地带来了灭顶之灾；当地捕鱼业和观光旅游业也遭遇了前所未有的重创。人类将耗费几十年甚至上百年的时间和精力来挽救这里的生态环境。而在这些灾难面前，英国石油公司甚至不能立刻提供漏油的流量，有效的解决方案。对于漏油的环境污染，他们的评估也显得苍白无力。  

随着墨西哥湾惊天大漏油事故告一段落，搞笑诺贝尔委员会借着授予英国石油公司搞笑诺奖的机会，给工业界甚至整个社会提出了这样的问题：究竟科学研究的价值究竟在哪里？即使研究的前瞻性和实用性都如此贴近需求，为何工业界从中学习到的是那么有限呢？他们是不是仅仅用资助研究来当做一种炫耀的手段，来糊弄环境评估呢？有没有一个社会压力或者公司机制来连接实验室、大学和工业界从而监督和帮助被资助的研究完成本来的目的？我想只有回答好这几个问题才能避免大学成为制造废纸的工厂。由此，俺深感搞笑诺奖委员会的用心良苦（但愿不是自己YY）。  

最后，贴一个老板在麻省理工参加墨西哥湾漏油事故的一个演讲，希望有所启发一并宽慰我那至今还在琢磨这个Ig诺贝尔奖是鼓励还是讽刺的老板：  

http://techtv.mit.edu/videos/8665-gulf-of-mexico-span-classhighlightoilspan-spill-symposium---panel-1  

参考文献：  

"Review of Deep Oil Spill Modeling Activity Supported by the Deep Spill JIP and Offshore Operator’s Committee. Final Report," Eric Adams and Scott Socolofsky, 2005.

南非世界杯，直接任意球进球罕见，守门员“黄油手”事件和长传失误倒是层出不穷，这都是空气动力学使的坏。

神鬼奇航

（本文作于世界杯开幕式的那个晚上，主打c罗。不过这哥们太不争气，早早废掉了。一并纪念我的2010南非世界杯。）

当占据主场优势的加纳用一个35米左右的反弹球远射敲开乌拉圭的大门后，非洲球队看上去即将历史性首次闯进4强。

直到下半场第55分钟，加纳的禁区右侧角外两米，乌拉圭获得了一个宝贵的任意球机会。通常，禁区弧顶是直接任意球的最佳区域，而角度这么偏的位置，罚球队员往往会将球传到6码线附近，以期待身材高大的队友头球攻门。

乌拉圭队长弗兰将球摆好，助跑了4步，用内脚背踢向皮球的侧下部，“普天同庆”迅速飞了起来，高高越过了三名防守球员组成的人墙头顶。刹那间，加纳门将已经意识到，这个球并不是传球，而是一个南美技术型球员常用的“香蕉球”，射向他所把守的大门进角，于是金森向身体右侧移动了小碎步。

可是，当“普天同庆”越过人墙后，意料不到的事情发生了：突然转向去了远角，并高速下坠。失去位置的金森只能原地跳起，试图伸展手臂救球，但还是没能摸到皮球的边——球进了！乌拉圭球员疯狂庆祝，金森则一脸困惑。

赛后，弗兰获得了FIFA的本场最佳球员，他的直接任意球帮助乌拉圭六十年来再次杀入4强。对这个任意球破门，媒体纷纷称诡异，说它简直就是个“S形任意球”。

S形任意球和阻力突变

其实在物理学中，研究“香蕉球”不算个新玩意儿。最早研究它力学原理的是我们无处不在无缝不入的牛顿老前辈。早在1667年，他23岁的时候就已经给出网球自转和弧线球之间相互关系的深刻见解。至今看来，他的解释还是相当靠谱：当一个球体在旋转的时候，一侧比另一侧更猛烈的挤压气体，由此能够引起更大的阻碍作用。现在我们所知道的这个现象就是马格努斯效应。它是1877年，在瑞利勋爵(Lord Rayleigh)的论文中，以第一个正确解释该现象的德国物理学家海因里奇•马格努斯（Heinrich Magnus）的名字来正式命名的。马格努斯发现，一个沿着对称轴旋转的圆柱体在垂直对称轴的来流中会受到一个侧向力的作用。

牛顿和马格努斯其实只是刚刚给我们的故事开了个头，而普朗特（Ludwig Prandtl）则带来了流体力学一次彻底的革命。1904年，他发现一切流体中的物体，无论是飞机、炮弹、还是鱼儿、蝌蚪都裹着一层层看不见的流体衣服——“边界层”。

为了说清楚这个概念，让我们先来讨论一个更简单的问题：空气中直线前进不旋转的小球。当一个球体在空气中滑行时，同球面接触的空气永远和球面上的那个接触点拥有相同大小和方向的速度。因此，紧贴着球体的一层空气就像一件紧身衣，形影相随地跟着球体运动。球体静止，他也纹丝不动；球体直飞，他也跟着动若脱兔。

在这层紧身衣外面的那层就会稍稍宽松一点，好象一件轻薄的衬衫。它可以随着紧身衣运动，但是不像紧身衣对球体那么言听计从了。再外面一层是更宽松休闲的毛绒衫。这样一层一层穿下去，直到最外面层，便是更加宽松飘逸的倪裳羽衣服了，基本上不随球体旋转了。

科学家们逐层测量空气的速度，如果某一层空气的速度只达到球面接触点速度的5%（也有人采用1%）时，他们就定义这层“衣服”是“混搭装扮”的外层边界。“外衣”到球体之间的部分合起来就叫做“边界层(boundary layer；航空科学上也称之为附面层)”。这个边界层非常薄，例如一个一米长的平板，以20米每秒的速度平行来流飞行的话，边界层最厚的地方大概只能达到3毫米。

普朗特(Ludwig Prandtl)大大(http://www.aps.org/units/dfd/resources/images/prandtlARFM.jpg)

通过边界层，球体运动就和外界发生了密切关系。因为边界层内的衣服越穿越不紧。每层之间就会发生相对运动和相对摩擦。这些摩擦将会把球体的能量消耗掉，从而减慢了球体的运动。这就是流体中摩擦阻力的由来。但是，这些摩擦阻力往往不足挂齿。在高速流动中，球体还会不断地表演“脱衣舞”（边界层分离，boundary layer separation）。好玩的是，那些爱脱衣服的地方都在球体后面。这些性感裸露的外面会形成一个低速区。那里不仅破衣服乱飞，流动乱七八糟，压力还相对较低。结果，球体前面的空气就对后面的哥们儿形成了优势，拼了命地往后推。这可大大增加了球体感受到的阻力，从而形成了“形状阻力”。摩擦阻力和形状阻力同心协力，共同构成了流体中的阻力。为了让具体的实验结果具有普适性，科学家们用一个阻力系数来表示阻力的大小。对于同一个物体同样的迎风飞行的速度和方向而言，阻力系数越大就意味着阻力越大。

风洞烟线流动显示实验 （左边来流边界层附着在足球上，烟线互相平行；右边白色区域边界层分离，流动紊乱，烟线被打乱）

当球体旋转起来，它就更加生动性感了。如果你站在球体上，你会发现旋转的球体总有一面是迎着风勇往直前的，另一面是顺着风顺坡骑驴的（图）。“勇往直前”的一面脱“衣服”也是“限制级”的勇敢。边界层里的空气顺着球体表面向后运动时，早早就被脱掉甩到后面去了。“顺坡骑驴”的空气在边界层里懒得下“驴”，能拖就拖，比勇往直前晚了许多被脱掉。结果，“勇往直前”就更接近真理（谁让赤裸的就是真理呢？），顺坡下驴就裹得更严实。和“型阻”产生同样的道理，赤裸的一面就有了一个更大的低速区。球体很害羞，总想把赤裸的一面挡在身后，所以就慢慢朝向顺坡下驴那一面飞去了。于是，你终于发现“香蕉球”形成了！而且随着转速增加，这种趋势更加强烈。(物理学术语解释：边界层分离总是在迎风面提前，顺风面延迟。这种不对称性造就了重力和阻力以外的横向力。)如今，马格努斯效应已经归结为这种边界层的不对称分离了。

由此看来，我们一下子看懂了弗兰的两个任意球特点：香蕉球来自于足球的快速旋转，而快速旋转来自于他出球时瞬间的抹球。用鞋带部分触球增大了球体前滚翻的转速。

这个飘忽不定的S形是怎么出来的呢？阻力曲线图上，随着速度（横坐标的雷诺数）增加，我们发现阻力系数（纵坐标）有个突降。这个并不是实验不准确造成的。而是科学上臭名昭著难以解决的“湍流”产生的作用！发生阻力系数突降的雷诺数被称作临界雷诺数。如果一个不旋转的球体，速度达到一定程度，球体雷诺数会超过临界雷诺数（大概十万到五十万左右）。边界层里的空气将会突然变成“湍流”，边界层转化为湍流边界层。

湍流边界层拥有更大的能量，可以在球壁上附着很远。球体如果旋转起来的话，请回到勇往直前和顺坡下驴：勇往直前如果过于勇猛（转速足够高），勇往直前会率先变身，结果勇往直前突然穿上圣衣，一下子比顺坡下驴裹得还严实，从而减弱了赤裸部分对应的低速区。为了把赤裸部分藏在身后，球体就会往顺坡下驴勇往直前的一面运动了（反马格努斯效应）。随着速度下降，球体运动的雷诺数又低于了临界雷诺数，湍流就会消失。根据前文的推断，球体又瞬间转向了勇往直前顺坡下驴一边。转弯的瞬间，转速相对增加，湍流可能再一次出现。因此雷诺数有可能在临界值附近反复往返变化，而阻力系数就会来回的突变，所以守门员就会发现球体运动方向飘忽不定——弗兰发出的任意球很可能正是处于接近临界球速区域，因此出现了诡异的S形。

阻力曲线（横坐标雷诺数，纵坐标阻力系数）(来自：Mehta, R. D. , 2009)

停止旋转的慢速变化球

从英格兰的格林开始，守门员不断上演着“黄油手”，连世界最佳门将之一、西班牙的卡西利亚斯也出现过多次扑球脱手，巴西的塞萨尔更是因为没有判断对荷兰人斯内德任意球的球路，导致巴西意外出局。

不仅门将，球员也在责怪世界杯用球“普天同庆”不好使，特别明显的就是大牌球员的长传球失误增加。但制造商adidas公司回应，相比过去的14块皮片，新款足球由8块皮片组成，并且表面还有空气动力学凹槽，而且通过了严格的风洞测试。总之稳定性提高了30%。

“普天同庆”是2006年世界杯时使用的“团队之星”的升级版。当时，阿迪达斯公司说它是世界上最精准的足球，但是球员抱怨它跟他们习惯踢的足球不同。

现在“普天同庆”遭遇了与“团队之星”同样的问题。

一个主要的问题是所谓“慢速变化球”（Knuckle-balling）。

这种变线球会在球的运动过程中，球的轨迹会向不明方向发生偏离。产生这种现象的原因，是球在直线飞行的过程中，球体不产生旋转。（这就有点象子弹一样，如果子弹从枪膛里出来后，不经来福线加以旋转，子弹就会在射向目标的方向上发生翻转，子弹飞不了多远，也就失去了它应有的杀伤力。子弹的这种旋转，就是利用了物理学里的“陀螺旋转”原理。）

具有讽刺意味的是，这种失去旋转的球，由于受到空气动力学方面的影响，会使球从正常的轨迹中发生偏离。这种球的球面并非完完全全地平滑，表皮与表皮之间的粘合部，都存在着接缝，球体表面的不平滑，正是由于有这些接缝处的凸边存在。球体表面的不规则致使球体在运行过程中，其四周产生不对称的气流，致使球体向气压小的方向上偏离。

球的总体设计和新增加的凹槽使得在相当于以禁区周围发任意球时踢出的速度时，在正常的出球速度下，“普天同庆”更易于成为慢速变化球。

葡萄牙的C罗正是擅长发出这种很少旋转的任意球的高手，但本届杯赛，真正射出惊世骇俗的慢速变化球，只有日本球员本田圭佑。对丹麦的比赛中，他在距离球门37米的位置，射出时速107公里的任意球，然后普天同庆就呼啸着飞向球门底角，让丹麦守门员索伦森扑救不及。

【编辑：南都周刊宋爽】

参考文献：

Mehta, R. D. (1985). Aerodynamics of Sports Balls. Annual Review of Fluid Mechanics, 17(1), 151-189. doi: 10.1146/annurev.fl.17.010185.001055.

Mehta, R. (2009). Sports Ball Aerodynamics. Sport Aerodynamics, 229–331. Springer. Retrieved from http://www.springerlink.com/index/P47JWQ6854714567.pdf.

场上还有哪些足球物理学家？

德罗巴（科特迪瓦）

32岁的德罗巴将马格努斯效应运用得越来越好，在刚结束的英国足总杯决赛，他就凭借一脚旋转不强但下坠极快的直接任意 球攻破英格兰国门詹姆斯的十指关。有意思的是，他和C罗将在小组赛一较高下。

斯内德（荷兰）

斯内德是国际米兰获得三冠王的最大功臣之一，他的任意球可以从更远的距离发炮，而且威力惊人。本赛季，在国米主场4比 3逆转锡耶纳的比赛中，斯内德进了两个直接任意球。但在荷兰队中，他只能与另一个任意球高手范佩西平分主罚定位球的机会。

皮尔洛（意大利）

皮尔洛潇洒的“电梯球”正是马格努斯效应的体现。作为意大利的第一任意球手，他踢出的球很少有大弧度，从俯视看几乎是 直线。但他的球经常上下漂移，且下坠奇快，让门将措手不及。在去年欧冠小组赛射杀皇马的远射堪称经典。

中村俊辅（日本）

左脚的中村是日本的中场核心，他的任意球兼具落叶球和香蕉球的特点，但球速更快。代表作是2007年凯尔特人对曼联的 欧冠赛事中，任意球破门1比0击败曼联。

本文已经发表在南都周刊，有改动

按：去年Wall-E上映的时候，有编辑约了这篇稿子。随着广电总急的一个"cut"，稿子也无疾而终了。今天贴到这里，以飨观众。

“2700年，由于人类无度的破坏环境，地球此时已经成为漂浮在太空中的一个大垃圾球，人类不得已移居到太空船上，并且聘请Buynlarge公司清除地球上的垃圾，等待着有一天垃圾清理完重新回到地球上。于是Buynlarge公司向地球运送了大量机器人来捡垃圾，但是这种机器人并不适合地球的环境，渐渐的都坏掉了，最后只剩下一个机器人还在日复一日的按照预定程序捡垃圾。显然这是个不可能完成的任务。就这么过了几百年……”

如果在网上搜索电影《Wall E》，上文就是最标准的剧透（小编：“被雷到了，明明是在骗稿费！”）。电影中，小瓦力Wall E (Waste Allocation Load Lifter Class-Earth, “升降型废弃物安置载重机器人”的缩写。貌似我是国内第一个翻译这个词的，真拗口。)的任务似乎就是把垃圾收捡分类和填埋，或者连埋也算不上，就是堆起来而已。如果六百九十二年以后垃圾处理还停留在这样的水平的话，说明编剧对垃圾处理的未来也太过于悲观了。我连日来经过反复复返地琢摸，终于归纳出一套垃圾处理真功秘籍。

在万恶的旧社会以及之前，基本上没有垃圾处理这个概念。据说，当年张作霖遇难的时候，是掉到了城墙根下那堆积发酵的热腾腾的垃圾堆上才侥幸活命，后来才能干出轰轰烈烈的一番大事业的。说明那个时候只要大家视而不见鼻闻不臭即使垃圾如山也万事大吉，根本不用任何处理，不干不净，吃了没病嘛，可谓天人合一。幸好当时没有厚度小于0.025毫米的塑料袋，不然现在大家都要被白色垃圾拥抱了。根据《八卦日报》消息，国外以前的做法是把垃圾填埋场承包给黑手党，便于黑手党流水线作业。本来嘛，黑手党就是劳动密集型行业，而且适合体力劳动，赃物啊，尸体啊，藏到垃圾堆里就化腐朽为神奇了。什么科技分解什么技术含量都闻所未闻。

当然，老天爷和黑手党也有犯囧的时候。后工业时代，人与垃圾争土地，寸土变成了寸金。生活垃圾堆积场从城里迁到了城外，城里又迅速不断地再生产、制造，向周边输出、扩展、壮大，人类正用垃圾给地面画圈圈。每个圈圈中间又迅速地拔地而起竖起座座豪华的垃圾建筑。只要稍稍的距地球远一点看过去，一定会以为看到的是座座坟园子。我始终担心终有一天坟园子被拥挤不堪到无法存在的地步。垃圾就这样虎视眈眈地不断地张着鳄鱼巨口吞食土地。垃圾的成分也从开始的烂苹果残剩饭等可降解的有机肥料增添成永远不可降解的一次性饭盒和电路板！无法降解的工业报废品终于把人们逼上垃圾坟山，宋江如何也想不到水泊梁山的后代起义的使命竟然是垃圾革命！身为起义军的第N代遗后，本人历经多年的苦思终于研究出一套武功秘籍，并于今天横空出世！

九阳真经——垃圾焚烧法

1. 不是我爱用古人说事儿，中国人大都会染上这种嗜好，所以不妨也容忍我这样道来。大概人们最容易想到的就是“欲破曹公，宜用火攻”。那么厉害的曹操都架不住火攻，垃圾比曹操还英雄么？果然，大火烧尽，垃圾都化作了烟尘，再也不用担心它来吞食天地了。可是不久人们发现如果大规模焚烧垃圾，造成空气污浊，尤其是焚烧带来的有毒气体不仅气味难闻，所含的二氧化硫等化学物质更是短期致病长期致癌双管齐下的豺狼猛虎。例如臭名昭著的二恶英就赫然在列。因此，好琢磨的人想出了一个办法，在垃圾焚烧前先分类处理，去除掉可能带来毒性的化学制品。这也同时适应了垃圾发展结构越来越复杂、可燃性不稳定的趋势。但是有一个问题：这样做会耗费大量的人力资源。也有人提出用机器分类，但是像Wall E这种高智能的分类机器人，也只能到2700年才会比较成熟吧。一向没有资源，喜欢未雨绸缪的日本人想出来一个办法来，就是把垃圾的分类工作转嫁到制造垃圾的每个人身上。一个礼拜中，每天能扔的垃圾品种都有所规定的，比如周一只可以抛弃玻璃制品，周二处理纸制品等等。如果眼花扔错了垃圾，只能自找苦吃，等着垃圾场的罚单了。（请参考土摩托详细的blog日志所讲述的日本昂贵的扔垃圾的故事。）不过，这个制度对社会的道德规范和法制建设要求极高。在发展中国家，甚至很多发达国家在短期内都是不可能实现的。即使大多数人都意识提高，认同垃圾分类了，人们也常常会为手上的垃圾到底姓张还是姓李而犹豫不定，而且这也与精英们策划“科技让人生活更懒惰”的精神相矛盾。既然垃圾事先分类太繁琐又 麻烦，“懒人”就又想出了个“懒办法”。干脆大锅饭一锅煮，先统统都烧了再说，然后把灰烬再分门别类。或许你会问，灰烬又怎么分类呢？理论上来讲，人们关注的重金属和有毒的化学物质可以根据熔点和沸点的不同分离出来。前者被回收而后者将被高温分解和处理。只可惜目前该技术还处于研发阶段。重金属的高回收率，有毒物质的剔除，以及高能耗和焚化炉寿命等等棘手问题一时还很难攻克。但是近几年人类这种毁灭一切的大无畏精神也开始在人们的头脑中自省和反省起来。节约和循环使用这种可持续发展的观点逐渐深入人心，于是在政治家，科学家和工程师们的联合努力和倡导下垃圾生物燃料回收技术有了巨大进步。垃圾的有机部分首先通过分类和处理被转化为生物燃料，例如甲烷和乙醇。不可利用部分再经过焚烧处理。相信随着地球燃料价格的一路飙升，这种技术会尽早产业化的。另一方面，全球变暖的现象目前已经成为了全人类共同关注的焦点，由于生物燃料转变技术比传统垃圾焚烧少释放二氧化碳（一部分碳被固定在了生物燃料中），暗中契合了二氧化碳减排的概念，相信那些负担减排任务的温室气体排放大户们很有可能慷慨解囊，用更多的资金来推动该技术，进一步降低该技术的成本。该技术进一步的再提升和变种，就是waterOrO喜欢的超级能量制造技术！垃圾焚化炉也能暴走一回，变身为一个输出能量的发电机。

垃圾焚化炉示意图

简单来说，它把垃圾当作一种燃料，在高温高压下，垃圾燃烧部分被转化成燃气，输入到取代“蒸汽机”的“涡轮燃气机”中，然后在燃气机内点火燃烧带动涡轮发电。如果说传统的垃圾焚化发电技术是用“早期的老爷车上的蒸汽机”来发电的话，这种超级发电机就是用现代的喷气式战斗机的涡轮发动机来发电，其发电功率是之前的数十倍甚至上百倍。因此这样的机组不仅可以提供焚烧炉本身的能量需要，还能输入到国家电网，出售多余电量。最后，一种高燃烧效率，环保清洁，工作稳定而且维护成本低的新一代焚化炉也正在研制中。相信在不久的未来，焚化技术作为垃圾处理的主流方法定能做到登峰造极，炉火纯青。

八荒六合，唯我独尊功——垃圾填埋技术

作为传统的垃圾处理技术，垃圾填埋工业正如八荒六合唯我独尊功一样规模浩大，气势恢宏，不可一世。和早期的垃圾填埋技术相比，当今的填埋技术也已经不是当年的吴下阿蒙了。现在的填埋坑将会被厚厚的固体胶包裹起来，防止垃圾污染地下水源，另一方面，能加快垃圾的发酵分解，提高填埋处理的技术和效率。针对生活垃圾，填埋处理技术又发展为堆肥技术。可将生活垃圾堆积成堆，保温至70℃储存、发酵，借助垃圾中微生物分解的能力，将有机物分解成无机养分。经过堆肥处理后，生活垃圾变成卫生的、无味的腐殖质。既解决了垃圾的出路，又可达到再资源化的目的，但是生活垃圾堆肥量大，养分含量低，长期使用易造成土壤板结和地下水质变坏，所以，堆肥的规模不易太大。

翻江倒海——垃圾投海技术

就像郭芙蓉的成名绝技一样，垃圾投海技术也气势磅礴。经过分类和处理过的垃圾、废渣被固化以后可以被用于建造人工岛屿，或投入到远离陆地的深海中玩一把泰坦尼克号。日本的“梦岛”就是由这样的垃圾填海填出来的。然而，有些国家为了节省成本，把未经处理的垃圾直接投入海中，造成了大规模的污染，国际国际环境保护组织就应该下一道手谕，让这种政府大楼就地贬为粪池。

化功大法——塑料炼油技术

想起来小时候，waterOrO大概是拜火教的，对火特别崇拜。喜欢用火柴点鞭炮，烧白杨树的棉絮，火烧蚂蚁窝，最后就开始烧方便面的袋子。那种塑料袋子点着以后，味道特别呛，还不断往下滴一种黑黑的油。从那个时候起，大家就嚷着说塑料来自石油了（现在看很没有逻辑性）。童年的纵火癖变成了如今投身科学的早期探奇。敝人一直关注最新的塑料分解技术的数据和报告，发现通过高温分解和燃烧，各种不可降解的塑料可以被规模化的处理，把塑料打回原形——石油。但是塑料垃圾的成分远比我们想象的还复杂，因此这种技术还面临技术稳定性和残留物稳定性的问题。只有解决好这些问题，“点塑成油法”才能真正地被应用到实际中。另外，研究人员还对这种“塑料油 ”的市场前景非常担忧。由于技术稳定性很难得到保证，这种回收油在初期很可能缺乏市场竞争力。但是随着成品油的日益井喷走高，终究这种塑料油技术要成熟起来。否则很难对起我们的0.025毫米。

吸星大法——垃圾吸入技术

眼见垃圾倾倒费用和猪肉价格比赛着攀升，就在waterOrO居住的小区里，人们每天都不得不把生活垃圾攒起来，包裹得像个定时炸弹，然后在出门的时候带到小区的垃圾集中收集场定点爆破。假如再要求用户们将垃圾逐一分类的话，那么倒垃圾将会成为一项繁锁的家务劳动，又和“科技放纵人类的懒惰 “ 这一宗旨相违背。哪里有不方便，哪里就是发明的温床。于是乎，又有人开始研发垃圾吸入系统。吸入的终端将可遍布整个需要吸入的地区。它非常适合用在宾馆，医院和老人院这些卫生条件要求苛刻的地方。但是这个工程的一次性投入巨大，维护成本巨高，需要克服的技术难题比中国足球都要多，所以现在仅是一个概念设计。

本文已经发表于《百科知识》，有改动

无论是“爱石油更爱淡水”的波斯湾白大袍同志们，被反恐战争和一路狂飙的石油价格轮番调戏的老美托拉斯们，忙着指腹为婚眉来眼去的老牌欧罗巴们还是和谐地与时俱进三个代表的黄皮肤们都在为一个不算新鲜的想法而激动——海水淡化。随着近几年淡水资源的进一步枯竭和海水淡化成本跳楼式的缩水，海水淡化工业已经像全球变暖一样热得让人不得不脱个光膀子大干一场。

据统计，2006年初，全球已经拥有12000多座海水淡化厂，每天制造四千万立方米淡水的能力。预计到2010年底，这个规模还能增长12%（世界卫生组织2007年报告）。

各位看官，其实这海水淡化技术就是从海水中提取淡水的技术。但是反过来讲，海水淡化过程也是一个海水浓缩过程。拿现在最流行的反渗透处理法为例，当海水从半渗透膜通过时，水分子直径小通过了膜上的小孔完成了穿越，盐分子却只能吃个闭门羹被乖乖挡在外面增加了海水的浓度。为了保证淡化的质量，防止小孔被过多的盐分子堵住，浓缩的海水需要被及时带走。于是，海水淡化就产生了副产品——淡化废水。这废水高盐度，高碱度，一片儿顶过去五片儿。一天一片儿，效果不错还实惠（谁扔来的板砖？）。饱含重金属和高盐度的淡化废水对水下生物影响很大。如果淡化废水来自蒸馏淡化水厂，排出的废水还会改变海洋的温度，对水下生物产生巨大影响。例如，我国天津正在和新加坡合作建设生态城。其中，国家海水淡化示范工程是其中的一个重头戏。但是天津外的渤海湾是浅水湾，而且海水交换周期很长。如果建设一个日产10万吨的海水淡化厂，连续三天直接把浓盐水排入海中，八平方公里的海域盐度就会提高20%，如果这么排放一个月，盐度提高20%的面积将会上升到23平方公里。要知道，即使盐度超过4%，部分海洋生物就已经死翘翘了。这些环境问题在海水淡化应用最广泛的地区——中东地区就显得更为突出了。该地区拥有世界50%的海水淡化能力，每天能生产一千一百多万立方米的淡水。因此，淡化废水的排放量也是惊人的。仅海湾地区，每秒钟可以生产115立方米的淡水，但是制造1000立方米每秒的浓缩海水，快赶上当地最主要的沙特阿拉伯河1456立方米每秒的径流量了。这么发展下去，海水真的会越来越浓了呢。

yy出来的海水淡化大舰

淡化海水最让人关注的两种物质就是氯和铜。海水淡化厂引入的海水通常需要经过氯气消毒。残留的氯排放出来大部分会自发的分解和稀释掉。然而相关毒物学研究表明低浓度的氯（低于100微克每升）依然是海洋生物的“鹤顶红”。因此美国环境管理局规定，海水中氯的长期观测值应该低于7.5微克每升，短期值也不得超过13微克每升。更为致命的是，氯和水中的氧形成的化合物，结合海洋中的有机物可以形成对身体造成不可逆损害的致癌物。类似于大部分的金属离子，废水中的铜离子通常会富集在海底的沉淀物中。这些生物会被海底淤泥中的生物摄入，并通过食物链集中到大型海洋生物钟体内。如果把这种海鲜摆到餐桌上，问题就不仅仅是拉肚子那么简单了。

和单独的物理化学分析不同，现实中的淡化废水不是简单的毒性叠加，而是一个毒药满汉全席。通过复杂的机理，盐度、碱度、高温和化学属性很有可能相得益彰。然而我们对这些潜在的毒性还知之甚少，需要更多相关的研究来揭示其中的奥秘。另一方面，海边生态环境对淡化废水的排放也有很大影响。例如，海底的海草，水藻和珊瑚礁都能阻碍海水的流动和海底沉淀物的迁移，从而把废水排放问题转换为局部环境的灾难。因此，淡化废水排放口的位置应该尽量躲开这种海底动植物茂密的地方。

此外，海水淡化还是一个“电老虎”工业。尽管采用先进的反渗透技术以后，耗能量大大降低，不过能源消耗还是非常惊人的。和其他工业项目相同，海水淡化工业还占用了大片土地，造成了空气污染等其他环境问题。

不过太阳还要照常升起的，人们还是要喝水洗澡的，所以海水还是要继续淡化的。所谓兵来将挡水来土掩嘛，waterOrO就大言不惭的支几个怪招，权当抛A股引猪肉吧。

废水用来腌咸菜。想办法处理掉废水中的有害物质，拿来腌咸菜。

利用发电厂废热来进一步蒸馏废水，收集结晶物体制成工业原料，农业化肥。

利用高盐碱度的废水和海水的浓度差来发电。

设计更有效的排放口，尽早稀释废水。

研究盐海和近海珊瑚礁等生物结构，提高近海海水交换的速率。

其实说白了，还要因地制宜，发挥劳动人民的主观能动性，你说是吧？

最后贴一个海水淡化小史，有兴趣了瞟一眼。

http://www.bjkp.gov.cn/GKJQY/hykx/k30422-01.htm