冲浪高手和科学家打造完美波浪
时间:2017-12-07

  冲浪专家和科学家创造完美的波浪 - 新闻 - 科学网

  这是与科学家和冲浪专家合作的漫长夏季的排练。这部经典的1966年纪录片追踪了世界各地的两位冲浪者寻找完美的浪潮。

  良好的冲浪浪潮是罕见的,即使所有的力量可以走到一起,魔法是短暂的。冲浪者想要的海滩底部轮廓很少变换成波浪,甚至能够变形,波浪的大小,角度,周期性,加上波动的风浪,意味着完美波浪非常稀少。

  但最近,冲浪冠军和流体力学专家共同改变了美国加利福尼亚州中部的一个农场,距离最近的海滩175公里。

  完美的喷雾

  在一个700米的人造湖上,他们设计了一个系统,将称为水翼的金属叶片拖到水面上。由此产生的浪涌横扫湖面,科学家们借助超级计算机精确设计了湖面的轮廓,再次成为完美冲浪浪潮的神秘浪潮。

  那些能翻转海洋的职业冲浪者也会被亚当·芬查姆(Adam Fincham)所掀起的浪潮震撼。科学家和冲浪专家创造了这个完美的浪潮:Fincham是南加州大学的研究员,而Kelly Slater以前所未有的方式赢得了11个世界冲浪冠军。

  去年9月,有18名专业冲浪者来到所谓的冲浪牧场参加未来的经典赛事。比赛旨在评估冲浪池的表现,无论是世界冲浪巡回赛的比赛,还是不向公众开放。该模拟大赛由世界冲浪联盟主办,相关人员将使用大屏幕监视器来选择每个波形和慢动作回放。他们为冲浪者创造了无与伦比的浪潮。参赛者Adrian Buchan说。他在今年的比赛中排名第十五。

  德国卡尔斯鲁厄德国技术学院专门研究环境流体动力学的卡尔斯鲁厄理工学院机械工程师奥利维耶·埃夫(Olivier Eiff)说,科学家们研究的波浪往往集中在他们对侵蚀,海气中的气体交换和海滨结构的影响,但是对于流体力学来说,雕刻波浪是一个巨大的挑战,这是一个令人难以置信的工作,Eiff说我不知道​​还有谁敢碰这样的复杂问题。

  如果像Surf Ranch的支持者所希望的那样,人们可以在世界各地建立类似的波浪池,这将彻底改变冲浪世界。然而,在冲浪博客圈,有人担心凯利海浪会剥夺海浪的自然魅力,并可能导致大量新进入者,破坏海洋的宁静。

  但是比对手更多的球迷。世界上最好的冲浪将来自阿肯色州的小石城。这是一场巨大革命的开始。 1968年冲浪世界冠军夏威夷的弗雷德海明斯说。

  疯狂的创意

  事实上,冲浪池的历史可以追溯到50多年前,但是与海洋冲浪相比,即使是最好的人工游泳池也显得苍白。在海洋中,当水的深度大约是连续的峰值之间的一半距离(波长)时,暴风产生的表面引力波在深水中滚动并且只与海底或浅滩相互作用。然后发生三件事情:波长缩短,高度增加,高峰移动比谷底快。当波浪的高度与水的深度相同时,波浪破碎,冲浪者可以打破波浪。

  如果底部轮廓恰到好处,风从陆地吹入海中或静止,表面颠簸成为破浪,能量损失左右均匀分布,白水如缓缓闭幕在波浪移动的表面上。陡峭的海浪形成了一个管道,让更多熟练的冲浪者滑行几秒钟。在海浪中滑行30秒是很漫长的,很少有地方继续产生这样的波浪。

  2006年,世界上最着名的冲浪者斯莱特找到了Fincham,当时Fincham正在模拟水槽中的自然波,我不知道他是谁,Fincham说,在牙买加长大的Fincham,开始冲浪抵达南加州大学。

  当时,为了发展完美的浪潮,斯莱特创立了一家以自己命名的公司,并立即聘请了Fincham。

  Fincham有疯狂的想法,很固执。他发表了诸如使用数字粒子成像测速的深奥主题来测量旋转分层流体中网格的湍流衰减。但斯莱特开玩笑说,他和Fincham有点强迫症。如果你的团队没有一个热爱事物的人,那么以不同的方式工作是很困难的。斯莱特说。

  当时,斯莱特想要一波可能无限滚动的高性能管子。 Fincham回忆说:这是非常了不起的,他想要的那种波浪,它需要是管状的,坚固的,耐用的,而且必须以可操纵的方式建造。

  实验室中的水箱通常产生几厘米高的波浪,这可以用一个线性方程来描述:你可以可靠地预测发生了什么事。

  但是科学家正试图通过陡峭波的非线性力释放,包括湍流,缓慢移动的薄层(边界层)和整个水体中的震荡冲击来释放更大的表面隆起。非线性无处不在。 Eiff说,这使得绘制人造波非常困难。

  另一方面,关于波浪创作的科学文献并不深入。 Fincham和Slater的美国专利申请也只提到两篇相关的科学论文,由着名的物理学家和数学家在十九世纪七十年代撰写,所以Fincham和Slater只能依靠自己。

  他们开始在实验室的波浪水槽,而许多波浪水池使用桨,柱塞,沉箱或其他手段有效地向空中抛射水,Fincham的团队设计了一个部分被淹没的水翼。当它穿过水池时,水翼会将水卷到一侧(但不会向上),然后将水拉回来以回收一部分水。其结果是物理学家的嘴里发出的孤波,模仿了公海的单一凸起。

  风和波浪

  然后,斯莱特冲浪的经验开始参与。他说:Fincham的工作是弄清楚如何制造浪潮,我的工作是弄清楚如何打破这个浪潮。

  这需要一个非常浅的珊瑚礁,只有正确的形状可以把波浪变成完美的波浪。为了调整底部的形状,团队将史莱特的经验输入到超级计算机中进行模拟,在计算机模拟中,波浪是代表空气和水的数以百万计的网格。

  科学家计算每个网格及其相互作用来模拟进化的波浪。南加州大学水动力学专家杰弗里·斯佩丁(Geoffrey Spedding)没有参与这个项目,他说这个计算“在数学上是惊人的”。

  Fincham团队将他们的实验室研究结果重新定位在Surf Ranch的一个人造桨水池。水翼停在几米长的水中,并连接到几个火车车厢的装置上,这些火车车厢的尺寸相同,可以以每小时30公里的速度沿单一轨道运行。

  该系统产生超过2米高的孤波。游泳池底部铺满了弹性瑜伽垫,在不同的地方有不同的坡度,这决定了海浪何时何地破碎。此外,水翼刹车也可以调整波浪的大小和形状,以适应不同的技能水平。

  水翼在水池中移动,形成一个从右到左的波浪。巨大的水槽起到减震器的作用,可以减少从墙壁反射回来的水,但需要3分钟才能平静水面。水翼然后从水池返回,在相反的方向形成一个波浪。这次旅行可以持续50秒,而波浪交替雕刻巨大的波浪量。

  9次夺得女子冲浪世界锦标赛冠军的斯蒂芬妮•吉尔摩(Stephanie Gilmore)在海浪中以14秒的成绩高歌猛进。

  除了为奥运提供新的竞争外,这些人造波还可以作为高级冲浪者的训练平台,以及初学者可控的学习装置,这种商业潜力导致了世界各地收购斯莱特的控股权冲浪联盟控股公司。加利福尼亚州圣地亚哥的发明家汤姆·洛奇特菲尔德说:“这些浪潮非常棒,每个人都喜欢冲浪。

  Fincham预测,有一天可能会有一波冲浪,可以执行令人难以置信的操作,如循环中的翻滚循环。我们有完美的自然波,那很酷。他说,但是我们能创造一个几乎颠覆自然的超自然波吗?

  也许,他们创造了一些超自然的东西。 (张璋编)