浪花的奥秘

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  日本有一幅著名的浮世绘(风俗画)“神奈川海浪里”,画的是大海中汹涌澎湃的巨浪,浪花奔腾,一叶扁舟出没在风浪里。苏轼有一首名词《念奴娇·赤壁怀古》,其中有“乱石穿空,惊涛拍岸,卷起千堆雪”的词句。
  从物理海洋学的角度来分析,上述日本的画和苏轼的词描写的浪花都很准确、很科学。
  日本浮世绘画的是深水中“风浪”的浪花。顾名思义,也就是风吹成的波浪的浪花。风从空中以某个角度吹向海面,就对海而产生一个压力。这个压力有两个分量:垂直于海面的分量和沿海面切线的分量。前者被海水抵消,后者则驱动海水的质点,迫使它们进行圆周运动,从而形成了海面的起伏,这就是风浪。风越大,风压就越大,波浪的波高和波长也就越大。俗话说“风大浪高”,就是这个道理。
  不过天有不测风云。如果海面上风向变了,变得与波“逆流”,“风大浪高”就无从谈起了。这时,风反而阻挡了波浪的前进,沿海面切线的压力反而阻挡了海水质点原来的圆周运动,海面不再稳定,波就被风吹成了浪花。因此,风与波逆流是形成浪花的一个必要条件。但很显然,微风肯定阻挡不了波浪的前进,或者说吹成浪花的风速必须足够大,这是形成浪花的另一个必要条件。这个足够大的风速值受波速、海面张力以及海水密度等的影响,十分复杂。根据美国物理学家、诺贝尔奖获得者拉姆的计算,一般至少要在12.5海里/小时以上。
  那么,风是怎样把波浪吹成浪花的呢?这是因为波峰处水质点作圆周运动的半径大,位置又高,所以动量和势能都大;与此相反,波谷处水质点的动量和势能都小。因而在同样大小的沿海面切线风压的阻挡下,波峰处水质点的速度就大于波谷处,于是波浪变得前后不对称,前倾、弯曲,最后坍塌形成浪花。
  与深水中的浪花成因不同,苏轼词里描写的是浅水或近岸“拍岸浪”的浪花。如前所述,波浪中的每一个水质点并不是在“随波逐流”,而是在“原地”作圆周运动。越接近海面的质点,圆周运动的半径也就越大。水深到一个波长以下时,水质点就静止了。但是,在浅水或近岸处,由于水与河底或海底的摩擦,水质点的圆周运动已改变为椭圆运动,运动速度则自上而下越来越小。也就是说,波峰处的水质点仍以原来的速度向前运动,但波谷处水质点的速度却慢了很多,这同样会使波浪变得前后不对称,前倾、弯曲。越接近岸边,前倾弯曲越严重。最后终于坍塌,形成了浪花,这叫做“破浪”。拍打在岸边的就叫“拍岸浪”,所激起的浪花就是拍岸浪花。拍岸浪高速扑打在“乱石”上,自然就“惊涛拍岸,卷起千堆雪”了。一个“拍”字,一个“卷”字,十分生动而且科学。
  浪花绽放时伴随着美妙的歌声。美国科学家利用高速摄影发现,浪花在前倾、弯曲的过程中,浪尖会迅速卷进一部分空气,形成无数支粗细不同的气管。坍塌的瞬间,无数支粗细不同的气管被水挤破,成为数量更多的大气泡和水珠,四处飞溅。浪尖与水而苒次碰撞时,大气泡又会变成数量更多的小气泡和水珠,激荡飞扬。气管的粗细不同,振动所发出的频率和音响就不同。气泡的大小不同,发出的频率和音响也不同。
  于是粗细不同的气管犹如无数支长号、萨克斯、巴松和低音号,大气泡犹如无数个大提琴、低音提琴和小捉琴,小气泡则像无数个琵琶和古筝,气泡破裂时又像无数架大鼓小鼓,它们同时在演奏!排山倒海,惊天动地。
  经过分析,科学家发现波浪的频谱特别宽,高次谐波特别丰富,20~8000赫兹间的中低音尤其丰厚。因此,它竟是最适于人耳的最动人心魄的音乐!这是世界上最磅礴、最雄浑、最纯美的浪花的歌唱!
  
  责任编辑 张田勘
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