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弗萊特納船

德國工程師安東·弗萊特納(Anton Flettner, 1885—1962)是1915年完工的遠航蒸汽船(轉子船)的發明者。他曾任阿姆斯特丹空氣(流體)動力學研究所(Instituut voor Aeroen Hydro-Dynamiek)所長。儘管他發明的轉子船於1925年2月初才完成從但澤(Danzig)到蘇格蘭的首次航行,但之前已引起新聞界的廣泛關注。愛因斯坦在1925年的南美之行時,拜訪了阿根廷首都布宜諾斯艾利斯《新聞報》(La Prensa)的出版者,受邀就此發表了意見。這篇文章應該是在他訪問布宜諾斯艾利斯期間(1925年3月30日至4月13日)寫成的。

愛因斯坦的這篇文章收錄於1934年德文版《我的世界觀》,但1954年英文版《觀念與見解》中沒有收錄。愛因斯坦檔案編號:[1—049]。

科學和技術發明的歷史告訴我們,人類缺乏獨立思考和創造性想像的能力。對某個特定的想法,哪怕其外在的和科學的前提條件已經存在很久了,它的形成通常也需要一個外部的激勵;可以這麼說,事情到了眼前,人才會產生這個想法。這個讓人不那麼舒服的真理,早已為人所知。當前震驚世界的弗萊特納船就是一個很好的例子。它特別有意思的地方是,即使它應用的是純粹的機械效應,人人都覺得自己憑直覺就可以掌握它們,但是對外行人來說,弗萊特納轉子運轉的方式依舊是個謎。

弗萊特納的發明的科學理論基礎已經有200年歷史。自從歐拉[1]和伯努利[2]提出關於無黏滯流體運動的基本運動定律,它就存在了。然而要實現該發明,卻只是在最近幾十年有了小型實用發動機之後,才成為可能。就算是這樣,這項發明也不是自發產生的。它的產生,經歷了若干偶然性的事件。

就其運作方式來說,弗萊特納船類似帆船,這表現在帆船前進的唯一推動力也是風能。與直接吹動船帆不同,在弗萊特納船上風力是作用在垂直薄金屬板圓柱體上。這些圓柱體由小發動機持續推轉,只需要克服周圍空氣和轉動裝置的阻力。如前面所說,弗萊特納船隻靠風來推動。這些旋轉的圓柱體看起來和蒸汽船的煙囪一樣,但要高上幾倍,粗上幾倍。與同等效用的帆船相比,弗萊特納船的圓柱體的受風橫截面積要小上十倍。

——「但是,用這些旋轉的圓柱體到底怎麼產生前進動力呢?」失望的門外漢會問。我將盡可能試著不用數學語言回答這個問題。

在忽略摩擦影響的條件下,下述著名定律適用於所有流體(液態和氣態)的運動。假定一個穩定的流體,在不同位置有不同的速度,那麼在速度較大的地方壓力較小,反之亦然。從簡單的運動定律,就能知道這一點。舉例來說,如果某流體從左至右的運動越來越快,那麼其中每個流體粒子沿著它從左至右的方向肯定經歷了加速。

要產生這個加速度,粒子必然受到一個向右的力。這就要求左側壓力大於右側壓力。因此,我們得出以下規律:如果右側速度大於左側,(那麼)流體左側壓力大於右側壓力。

圖5—1

顯然,一旦知道流體中速度的分佈,利用壓強對速度的這一(逆)依賴定律,就可以算出液體(或氣體)運動所產生的壓力大小。接下來,我想用一個大家都知道的簡單的例子——噴霧香水——來說明應該如何應用該定律。

圖5—2

借助於可壓縮的橡皮球,空氣被迫以高速通過開口A點——A點在一個稍微變寬的管的外部。接著氣流向每個方向穩定擴張,流速逐漸減小到0。根據我們的定律,很明顯,由於速度更高,A點壓強小於離開口更遠處;與遠處靜止空氣相比,在A點形成一個低壓區。如果兩端開口的管R這樣放置:上端開口在高速區,下端開口在充滿液體的容器裡,那麼A點處的低壓會將液體從容器中吸出來。液體從A點出來後,被氣流吹散開變成小液滴,隨風流動。

在這個準備說明之後,讓我們看看在弗萊特納圓柱體周圍流體運動的情況。Z是圓柱體的俯視圖。假定它起初是靜止的。

風按箭頭所指方向吹,必須設法從圓柱體Z周圍繞過,流過A、B點的速度是相等的。所以,A、B兩點的壓強相同,沒有風力差作用在圓柱體上。然而現在讓這個圓柱體按箭頭P的方向旋轉,那麼經過它的氣流會在其兩側形成不均勻的分佈。B處風的運動獲得圓柱體旋轉運動的幫助,在A處則是阻礙。在旋轉的影響下,氣流運動在B點速度大於A點,導致A點壓強大於B點,進而使圓柱體受到從左至右的力,也就是輪船的推力。

圖5—3

有人可能認為,某個富有創造力的頭腦本能夠直接想出這個主意,就是說,不需要任何外部動機。然而,事實上,事情的發展卻是這樣的。人們注意到:當發射炮彈時,即使在無風期間,炮彈也以無規則的、交替性的方式,從兩側顯著偏離垂直軌道平面,偏離最初的軌道方向。由於對稱性的原因,這個奇怪的效應必定是與球的旋轉有關,因為關於空氣阻力的橫向不對稱性的任何其他解釋顯然不可想像。該現象讓許多專家費盡心思,其正確的解釋最後由柏林的物理教授馬格努斯[3]於19世紀中葉左右發現。它和我剛剛給出的作用在弗萊特納圓柱體上的風力的解釋是相同的,區別只是其中沒有圓柱體Z,取而代之的是一個繞其垂直軸旋轉的球;也沒有風,取而代之的是空氣相對於飛行炮彈的運動。馬格努斯正式通過與弗萊特納圓柱體類似的一個旋轉圓柱體做實驗,證實了自己的解釋。[4]一段時間之後,偉大的英國物理學家瑞利爵士[5]用網球再次獨立發現了同樣的現象,也同樣給出了正確的解釋。最近,著名的教授普蘭特對馬格努斯圓柱體的流體運動進行了精確的實驗和理論研究。他構思並實施的研究過程,幾乎相當於弗萊特納實施的整個設計。弗萊特納看到了普蘭特的實驗,第一個想到這種裝置可以用來代替船帆。誰知道,除他之外,是否還有其他人想到這一點?

[1] 萊昂哈德·歐拉(Leonhard Euler,1707—1783),瑞士數學家、物理學家。——編譯者注

[2] 丹尼爾·伯努利(Daniel Bernoulli),荷蘭—瑞士數學家,1738年用伯努利方程精確表達了他的原理。——編譯者注

[3] 海因裡希·馬格努斯(Heinrich Magnus,1802—1870),柏林大學物理與技術教授。——編譯者注

[4] 在柏林召開的物理學會的一場會議上,哥廷根的物理學家普蘭特(Ludwig Prandtl,1875—1953)用一種全新的方案證實了馬格努斯的實驗,也提到了弗萊特納船。講稿於1925年1月16日出版,也就是說,早於1925年3月愛因斯坦動身去南美之前。——編譯者注

[5] 約翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt,1852—1919),瑞利男爵三世(Baron Rayleigh)。——編譯者注