《運動的旋律與變化的世界》分“動的世界”“柔情似水”和“空中旋律”三大篇。每一篇標(biāo)題表面上看顯得很專，實際上牽引出很多其他問題，如數(shù)字7、時間、幾何圖形、圓周率、數(shù)學(xué)、少兒娃娃浪、大氣污染、音樂、說話的技巧、針尖效應(yīng)等。用大主題關(guān)聯(lián)不同現(xiàn)象，用大視野看問題，正是本書的目的之一。例如，針尖效應(yīng)出現(xiàn)在最后的雪花問題之中，但針尖效應(yīng)又對理解植物葉子為何有的長有的短這類現(xiàn)象有幫助。因此表面上看很專的具體問題，往往牽引出更具普適意義的現(xiàn)象。從結(jié)構(gòu)上，本書每一篇分為四大節(jié)，每一節(jié)有五個主題，每個主題涉及的具體問題也可能包含許多相似或相關(guān)的現(xiàn)象。雖然各個主題具有一定的獨立性，但前后描述時所基于的知識有一定的關(guān)聯(lián)性，這種展現(xiàn)方式如同拴在抖動中的弦線上的珠子在一起舞動一樣。有的強調(diào)趣味性和知識性，有的也包含很深的邏輯推理。部分邏輯推理雖然以啟發(fā)式為主，但隱含的思維深度不一定亞于專業(yè)邏輯。這些有深度的內(nèi)容也是為了適應(yīng)那些喜歡深入思考的讀者。膾炙人口的科普讀物將那些出現(xiàn)在厚厚的專業(yè)書中的知識提煉成人人都可以理解的內(nèi)容，以現(xiàn)代小型讀本形式出現(xiàn)。正是這些小型讀本，使知識得到普及、求知欲得到激發(fā)，并給不同知識結(jié)構(gòu)甚至不同行業(yè)的人群之間提供了認知世界的橋梁。有關(guān)單一領(lǐng)域問題的科普讀物不勝枚舉，但更廣義的科普讀物并不常見。許多表面上完全不同的問題，實際上具有共性。例如，打水漂時，水漂的彈跳與沖浪運動中的騰空幾乎基于同樣的道理，漢代發(fā)明的櫓產(chǎn)生推進力的原理與現(xiàn)代飛機機翼產(chǎn)生升力的原理是一樣的。又如，漢字筆畫超過7 筆后，具有相同筆畫數(shù)目的漢字數(shù)目的增加速率就下降了，11 筆左右漢字數(shù)目最大。這個11 除以7 得到的比值，其實不局限于漢字筆畫數(shù)目的增長規(guī)律，許多其他現(xiàn)象都類似，比如說流行病爆發(fā)后，住院患者的數(shù)目就有類似規(guī)律。許多現(xiàn)象，無論是科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟還是文學(xué)藝術(shù)，至少從某種角度看，是朝著省時、省力、省料的方向發(fā)展演化，演化的結(jié)局往往是簡單、簡約、簡美。例如，不管是什么類型的問題，對數(shù)目的選擇一般是在少了不夠和多了難以駕馭這兩種之間博弈的結(jié)果，妥協(xié)的結(jié)果是數(shù)字“七”可能得到寵愛，如七言詩、七色光、七大洲、七種味覺、物理學(xué)有七個基本單位、七種生命形態(tài)等。千變?nèi)f化的世界中，許多問題、現(xiàn)象、知識和規(guī)律，看上去像散落的珠子。用一根弦把它們串起來，再抖動這根弦，我們就能看到它們相互關(guān)聯(lián)與共性的一面。《運動的旋律與變化的世界》正是一種這方面的嘗試，通過適當(dāng)采用直覺、類比和擬人化的手筆，給讀者串聯(lián)似地展示甚至解釋數(shù)百個與我們的生活息息相關(guān)的問題與現(xiàn)象。即使不得不借用一些專業(yè)邏輯，也盡量將這種專業(yè)邏輯變?yōu)榭梢灾庇X關(guān)聯(lián)的語言（站在專業(yè)角度看，當(dāng)然適當(dāng)犧牲了一些嚴謹性）。正是那些相互關(guān)聯(lián)且道理相通的原則，將千變?nèi)f化的運動和演化現(xiàn)象譜寫成優(yōu)美的旋律，使表面上復(fù)雜的大自然也有簡單、簡約和簡美的一面。奔跑中的腿和水面波浪中的水滴運動，顯得多么復(fù)雜。如果看成同時在做倒單擺運動和彈簧運動，就很容易理解了。一種稱為水黽的小昆蟲，借用腿上的小毛毛撐開水面，從而可以凌波微步和玩蹦床運動。蒲公英舉著冠毛傘留在空中，因為有了又小又多的冠毛而能隨風(fēng)飄浮。都是小毛毛，前者憎水，后者戀風(fēng)。鳥的翅膀橫著飛就是產(chǎn)生升力的機翼，豎著拍就是產(chǎn)生推進的螺旋槳。以這些方式理解或關(guān)聯(lián)知識和現(xiàn)象，正是本書的特點，期望讓讀者不需要掌握專業(yè)知識就能理解。
當(dāng)然，不能純粹為了好表述就來篩選那種顯得又輕松又有趣的問題，也有一些顯得很沉重和深奧的內(nèi)容，如相對論效應(yīng)、振動的世界、演化的普適規(guī)律、飛機氣流和發(fā)動機。比如說，飛行的秘密專門有較為冗長的一節(jié)。站在科普一級，完全可以用有限的篇幅交代清楚，無非就是飛機和鳥有了機翼或翅膀，由迎角和彎度產(chǎn)生了上吸下舉的差異性氣流。然而，這部書并不是為了簡單羅列知識和堆砌原理，而是希望借此引導(dǎo)讀者用直覺進行非專業(yè)級的理解和思考，進而盡可能牽引出更多的常識來輔助理解和豐富知識。陳述歷史可以將本書的篇幅翻倍，然而，陳述歷史不是本書要突出的風(fēng)格。對于每個問題，我們也不會采用統(tǒng)一的風(fēng)格。比如說，開篇的打水漂，我們一開始就點出水漂彈跳的秘密。但有的問題，包含的原理貫穿于全文之中。
除了某些圖片包含若干數(shù)學(xué)公式，本書正文主要只是文字描述和數(shù)據(jù)。提供大量的數(shù)據(jù)信息和可幫助理解的示意圖，也是本書的一大特點。依據(jù)問題的性質(zhì)，不同內(nèi)容采用的語言風(fēng)格可能不一樣。有的適合用擬人化語言，有的則需要顯得很書面很嚴肅。有的問題目前本來就不是特別清楚，反而適合用磕磕碰碰底氣不足的語言。大部分問題與我們的生活息息相關(guān)，這些問題包括澡盆渦、玩具陀螺、自行車、波浪、衛(wèi)星、打水漂、墨西哥人浪、肥皂泡泡、棒棒糖、筆畫、圓周率、飛機、高爾夫球、時間、高速列車、蚊子、潮汐、雪花等。對這些知識的介紹與討論，會關(guān)聯(lián)出一些與文字、音樂、體育、生物、氣象、數(shù)學(xué)和科技等方面的常識。
用小型讀本涉及較為廣泛的問題，正是為了體現(xiàn)現(xiàn)象具有碎片性而內(nèi)涵具有關(guān)聯(lián)性。因此，部分內(nèi)容所涉獵的知識跨度、寬度或深度，會留有余韻或瑕疵，如此可為讀者自己思考騰出或打開一些想象與思考空間。
本書是一部集知識性、趣味性和科學(xué)性于一體的綜合科普讀物。適合大中學(xué)生及以上具有各種知識結(jié)構(gòu)的讀者群。家長也可以將其中一些內(nèi)容剝離出來用于給少兒講故事。
吳子牛
2017 年1 月
作者簡介：吳子牛 北京航空學(xué)院學(xué)士畢業(yè)，法國巴黎第六大學(xué)博士畢業(yè)，現(xiàn)為清華大學(xué)教授和教育部長江學(xué)者等。擔(dān)任過多個方面的專家組成員和多家企業(yè)的顧問，在多個專業(yè)領(lǐng)域有一定的建樹，在國際期刊上發(fā)表了約百篇與數(shù)學(xué)、工程和自然相關(guān)的論文，包括火旋風(fēng)以及昆蟲行為的論文。將文字、旋渦、流行病、霧化和人口等的演化當(dāng)作統(tǒng)一規(guī)律的科學(xué)論文被國際期刊《熵》邀請發(fā)表。在傳統(tǒng)文化、現(xiàn)代教育和應(yīng)用軟件方面有廣泛的興趣。
第一篇 動的世界 1
1.1 讓形狀和姿態(tài)疏通運動的路徑 2
1. 打水漂 魔幻迎水角 2
2. 不修邊幅的飛石 9
3. 誰都鐘愛流線型 遠走高飛的高爾夫球 13
4. 省力的櫓與飛行的秘密 迎角的升力與抬頭效應(yīng) 19
5. 帶著氣流旋轉(zhuǎn) 弧線球 25
1.2 失穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)與振動讓世界更燦爛 29
1. 失穩(wěn)中的多姿多彩或險象重重 30
2. 旋轉(zhuǎn)助穩(wěn) 令人癡迷的玩具陀螺 37
3. 振動的世界 共振 41
4. 極限飛盤 自行車 49
5. 旋轉(zhuǎn)的天體與優(yōu)美的宇宙 53
1.3 運動與演化 過程的激蕩與結(jié)局的完美 69
1. 速度的消失帶來損傷 蚊子會被雨滴砸壞嗎 69
2. 生長與衰減 動物大小 技術(shù)能力的演化 77
3. 演化的普適規(guī)律 省時省力省料 86
4. 演化規(guī)律能解釋我們的世界嗎 92
5. 數(shù)字7 96
1.4 速度的限制 誰能把我們帶往宇宙深處 107
1. 移動了幾倍體長或音速 尺度比例效應(yīng) 107
2. 太快也不安全 幸虧有音障、熱障與光障 112
3. 相對論效應(yīng) 衛(wèi)星定位 核能利用 116
4. 時間很慢也很快 125
5. 星際旅行 費米悖論 134
第二篇 柔情似水 143
2.1 柔情似水 凌波微步的小昆蟲 144
1. 柔情似水 144
2. 綠葉上的水珠 純水泡泡與肥皂泡泡 152
3. 雞毛撣子一樣的水黽腿 鑷子一樣的剛毛 154
4. 凌波微步 劃槳運動 蹦床運動 156
5. 驅(qū)趕、威懾和求偶 通信與存儲 159
2.2 風(fēng)蝕地貌 圓與旋渦的生命力 165
1. 棒棒糖舔一千下 地貌的演化 166
2. 河道彎曲 牛軛湖 蜿蜒度 169
3. 圓周率 自然界中的常數(shù) 數(shù)學(xué)的魅力 172
4. 澡盆渦 181
5. 溪流、河道與海洋中的旋渦 187
2.3 輕撫水面生漣漪 強風(fēng)破水搖巨浪 189
1. 蹲波隊列 墨西哥人浪 幼兒園娃娃浪 190
2. 不揭短的漣漪用美麗襯托客人 193
3. 不插隊不打架的漣漪波紋 195
4. 波速也會論短長 表面張力與重力的分工 198
5. 各種風(fēng)速下的風(fēng)浪 202
2.4 奇妙無比的水面世界 206
1. 無風(fēng)不起（風(fēng)）浪 無風(fēng)三尺浪（涌） 207
2. 游泳池的震蕩 湖震 反射與疊加 211
3. 海洋潮汐 錢塘江大潮 海嘯 213
4. 物體與水波競速 O 形波與V 字形波 217
5. 破浪而行 船與游泳形成的波浪 220
第三篇 空中旋律 225
3.1 絢麗多彩與剛?cè)岵牡厍虼髿?226
1. 大氣的力量 226
2. 神奇的自潔功能 環(huán)境污染 233
3. 分子的運動 個體的行為與集體的表現(xiàn) 239
4. 疏密有致 脹壓有序 雷霆萬鈞 244
5. 火旋風(fēng) 空氣中的旋渦 昆蟲與鳥的旋渦 250
3.2 聽懂世界 255
1. 聽不見與聽得見的聲音 蝴蝶與大象 256
2. 煩人的噪聲 高速物體的音爆 259
3. 動聽的聲音 音樂與頻率 267
4. 聲源的信息 口語與書面語言 274
5. 風(fēng)中的聲音 移動物體的聲音 追趕聲音的感覺 278
3.3 飛行的奧秘 282
1. 水遇窄道快 人（車）遇窄道慢 283
2. 風(fēng)中轉(zhuǎn)掌知升力 優(yōu)美的流線與和諧的聲波 286
3. 在機翼的氣流中旅行 292
4. 飛機與發(fā)動機 300
5. 翼尖翻轉(zhuǎn)渦 飛機起降頻率 候鳥的遷徙 313
3.4 自然界的運動：一曲動感的旋律 316
1. 鳥與昆蟲的飛行秘密 317
2. 蒲公英與降落傘 蝴蝶果與直升機 321
3. 雨滴下落 流星自焚 航天飛機與返回艙再入 328
4. 生物推進的相似性 魚的游動 334
5. 針尖效應(yīng) 雪花 雪花鈴 340
后記 347
第一篇動的世界~1~宇宙在膨脹、地球在自轉(zhuǎn)、分子在運動、生物在演化，因此，我們處在一個動的世界之中。運動有形態(tài)，位置的更替、姿態(tài)的改變、速度的增減，譜寫出動感的旋律。演化有節(jié)奏，數(shù)目的變動、大小的變化、范圍的縮放，讓大自然生生不息。千變?nèi)f化，卻離不開自然規(guī)律的約束。簡單、簡約、簡美，才是永恒的自然規(guī)律。物理學(xué)再復(fù)雜，也就七個基本物理量單位。簡美的流線型物體，能順利地避讓擋路的空氣和水，因此更能接近速度的極限。再復(fù)雜的演化現(xiàn)象，也會遵循省時、省力、省料甚至物極必反的原則。速度是一種能量，專業(yè)搏擊手能擊打出一千千克的打擊力。直線運動如果無法及時釋放能量，那么旋轉(zhuǎn)就是不錯的選擇。雨滴休想消滅輕巧的蚊子，側(cè)歪一下就躲掉了。深奧的科學(xué)規(guī)律，當(dāng)與我們的直覺能發(fā)生共鳴時，就成了我們理所當(dāng)然的常識。于是，我們本能地會認為側(cè)踹的足球會走弧線、帶酒窩的高爾夫球飛得更遠、旋轉(zhuǎn)的陀螺能躲貓貓般地不倒、漢字的筆畫不會太少也不會太多、速度高了會有限制。我們走進動的世界，探求隱喻在常識中的原因，會讓我們的常識得到升華，會讓我們發(fā)現(xiàn)更多的動感形態(tài)。動的世界第一篇運動的旋律.indd12017-07-1421:39:11運動的旋律與變化的世界~2~1.1讓形狀和姿態(tài)疏通運動的路徑空中有小得看不見、多得數(shù)不清的空氣分子，水中也是如此。空氣和水也愛美。它們用事實告訴你，擁有順從我的形狀和姿態(tài)，就可以給你讓道，甚至把你舉起來，可以讓你穿梭自如、風(fēng)馳電掣。如果你不修邊幅，長得像隨便撿來的小石頭一樣，你將遭遇重重險阻。于是，高速列車、現(xiàn)代汽車和飛機乖乖地披上了流線型外衣。高爾夫球就不是流線型，只能用酒窩型凹槽把氣流磕亂，磕得氣流找不到方向，才能遠走高飛。水與空氣用同樣的方式和穿梭的物體打交道，飛行的謎底居然從漢代發(fā)明的櫓能找到答案。答案很簡單：直接抬起你的頭，或者帶動空氣旋轉(zhuǎn)間接抬起你的頭，看得高才能飛得遠。抬頭也不要過分，打水漂就有一個合適的迎水角。1.打水漂魔幻迎水角將一塊扁平小石片貼水扔出去，讓它在水面彈跳并激起一串串漣漪、一朵朵水花，這就是打水漂，作為民間活動歷史悠久，作為國際賽事只有二十余載。邊在空中飛行、邊在“蜻蜓點水”，原理似乎深奧不可理解。它是怎么彈跳的？揭開其神秘面紗，既可掌握增加彈跳次數(shù)的技巧，也可啟發(fā)水上和空中的一些應(yīng)用。原來，在入水時，水漂在腹部制造一個沖浪，憑慣性做沖浪騰空，當(dāng)然就能彈跳了。你得讓水漂抬起一個角度入水，才能壓出小沖浪，這個角度等于20度時你會像魔術(shù)師一樣讓水漂不停地彈跳。出手時讓水漂旋轉(zhuǎn)，它會飄得更直更穩(wěn)。運動的旋律.indd22017-07-1421:39:12第一篇動的世界~3~水漂彈跳的秘密沖浪騰空（圖1.1）在池塘邊，撿起一塊扁平的石塊，朝水面盡量水平地甩出去，使石塊擊水后，在水面連續(xù)彈跳，這就是打水漂。你可以把水漂為何能彈跳想象得極其復(fù)雜，甚至去看深奧難懂的科學(xué)報道。可是，既然那么容易彈跳，道理就應(yīng)該十分簡單。大海邊波濤滾滾，沖浪愛好者踏著沖浪板，獲得速度后，像有速度的汽車沖上山坡一樣，沿著波浪的斜坡面向浪尖滑行，離開浪尖時憑慣性騰空，再落到水面去追逐另外一個波浪。這叫沖浪運動，道理卻和水漂彈跳十分接近。
水漂抬起適當(dāng)?shù)慕嵌茸矒羲鏁r，將本來平靜如鏡的水面推出了一個小浪。小浪在水漂的腹部，或者說水漂騎在小浪上。于是，水漂沿著像斜坡一樣的小浪，憑慣性就可以滑向空中，接著在重力作用下再次擊水，進入下一輪彈跳。
圖1.1水漂擊水?dāng)D出波浪，做沖浪騰空運動的旋律.indd32017-07-1421:39:12運動的旋律與變化的世界
~4~如此，不難理解，水漂不能平著擊水，那樣產(chǎn)生不了有斜坡水面的小波浪。也不能垂直下砸，那樣就沒了向前滑行的慣性。說得更深一點，水漂壓水時推擠出有斜坡的浪，同時被水的撞擊力消化掉入水時向下運動的那個速度分量。當(dāng)這個向下運動分量完全消失后，就憑依然存在的水平速度慣性，在水漂尾部水壓以及水漂頭部一定的空氣升力輔助下，如同沖浪板，沿著小浪的斜坡向上爬，尾部到達浪尖后憑慣性騰空。水平速度分量要求足夠大，騰空慣性才夠。垂直速度分量要合適，才能有效壓出斜波浪且不會突然沉下去。這就要求迎水角和入水角大小適中，否則要么水平速度不夠，要么垂直速度不夠或太高。入水那一刻，水漂底面與水平面的夾角是迎水角。入水那一刻，飛行速度方向與水平面的夾角是入水角。每個角太大太小都不行。你可以分別想象是0度或90度這種極端情況時，看看會導(dǎo)致什么不利。于是一定有更合適的值。
迎水角和入水角加起來，就是水漂的底面與飛行方向的夾角，在航空上稱為迎角（也稱為攻角或沖角）。這個迎角使水漂能獲得空氣給它的一點升力（以后會介紹原因）。這個升力使水漂飛行時，不會下落太快，從而在彈跳幫助下飄得更遠。迎水角和入水角到底多大合適？這個吸引了科學(xué)家的研究。
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