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测量水速和风速的方法

时间:2022-02-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:在这一页上,列奥纳多·达·芬奇对航海轮盘进行了描述,并说明测量水速和船舶行驶速度的方法。上面的图示显示,用几何方法来测定船行驶的速度。中部的图示显示,有障碍物阻拦的情况下产生的深水涡流。这些淤泥凝结后,足以堆成一块高达241英尺、面积为1平方英里的大土块儿。使用这种方法,对于每条水平水道来说,这些规则可能是通用的。

大英图书馆说明

在这页的左上部,列奥纳多·达·芬奇强调利昂·巴蒂斯塔·阿尔伯蒂《在轮船上》失败的实验,及罗马作家佛朗帝奴斯所著的《水道疏通》。他继续按照当时可以被接受的观点及写作方式进行论述,但是用他自己的方式揭示当时的结论。

在这一页上,列奥纳多·达·芬奇对航海轮盘进行了描述,并说明测量水速和船舶行驶速度的方法。乍一看,这些概念和手稿的内容相去很远,但实际上,这些内容对于理解旨在为海员做出的使用手册尤为关键。他关于水面图纹和河床关系的描述,比年轻的塞穆·克列门斯(马克·吐温)的著作《密西西比河上的生活》早了500年,特别是这本书手稿九开始的部分。

在研究河流的时候,克列门斯说道:“现在你正好站在障碍物上,下面每一个点都有一个障碍物,因为水流过来绕过障碍物,形成漩涡,使沉淀物下沉。你是否看到水面上像扇子的龙骨一样散开的那些细细的水纹线?这就说明下方有小暗礁。”

列奥纳多·达·芬奇写道:“在水流中反弹出来的水流遇到原来的水流,水一般会变浅,因为在这一交汇点,会形成顶部尖尖的沙堆,沙堆两侧受到两个相反的运动力摩擦,……当水流表面形成相同角度发出的众多直线小暗流,则说明河床并不是很深,这样的河床是因水流丢弃的泥沙在通过桥洞或类似的狭窄地段形成的。”

不管河流情况如何,船上领航员的操作都牵涉到他对水下物体的辨别能力这一问题。

上面的图示显示,用几何方法来测定船行驶的速度。中部的图示显示,有障碍物阻拦的情况下产生的深水涡流。下面的图示显示,阿诺河水在流向佛罗伦萨的途中,四个不同位置的水流情况。

密西西比河上的生活(节选一)

〔美〕马克·吐温

密西西比河太值得一读了!它不是一条普通的河,正相反,它是一条在各个方面都令人赞叹的河。如果算上密苏里州它的主要支流,它的总长度约4 300英里,是世界上最长的河!说它是世界上最曲折的河似乎也不为过,因为在一个乌鸦飞670英里就可以横跨的地方,它却用了1 300英里长的河流来通过。它的河水吞吐量是圣劳伦斯河的3倍,是莱茵河的25倍,是泰晤士河的387倍。没有哪条河能够拥有如此宽广的流域:它汇集了28个州与地区的河水。这些河水来自大西洋边上的特拉华州,来自它与爱达荷州之间太平洋斜坡上的整个地区,这个地区是一块儿从北纬45度线向南伸展的大斜坡。密西西比河有54条适合蒸汽轮船航行的支流及好几百条适合舢板和小木舟航行的细小河汊。它把它们的河水汇集起来,并输送到墨西哥湾里。它的流域面积相当于英格兰、威尔士、苏格兰、爱尔兰、法国、西班牙、葡萄牙、德国、奥地利、意大利以及土耳其加起来的总面积。而且这块宽广的区域几乎都是肥沃的土地,真实的密西西比河谷就是这样独特。

从下面这一点来看,这条大河的特点也是很特别的:它的河口流域不是越来越宽,而是越来越窄;不但越来越窄,而且越来越深。从俄亥俄州的河流汇合点到入海口之前的任何一点,河面的平均宽度由上游的1英里逐渐地在流向大海的途中变细,直至快到河口的“咽喉”地带时,河面的宽度只有半英里多一点点。在俄亥俄州的河流汇合处,密西西比河的深度只有87英尺[1]深,然后在奔向大海的途中逐渐加深;到出海口地带时,它的深度竟然达到了129英尺!

这条河的潮汐落差也很特别——它的特别之处不在上游,而在下游。沿河而下,到离河口360英里的纳奇兹市,这一路的潮差差不多是一样的——约为50英尺。但是,在拉-富尔什河口的分岔处,河水的潮差只有24英尺;到了新奥尔良,潮差只有15英尺;到了河口当地,潮差只有2.5英尺。

在新奥尔良《泰晤士民主报》上有一篇文章说,“据有才干的工程师的报告称:这条河每年要将四亿零六百万吨的淤泥排放到墨西哥湾里”,这使我想起马里亚特船长为密西西比河起的绰号——“庞大的下水道”。这些淤泥凝结后,足以堆成一块高达241英尺、面积为1平方英里的大土块儿。

淤泥的沉积逐渐延伸了土地,但仅仅是逐渐。自从这条大河有历史记载以来,在过去的200年里,淤泥使土地延伸了不到1/3英里。人们认为河口过去的位置应该在巴吞鲁日市,从那里再往前就看不到群山了,而是一块由大河冲积而成的、直驱200英里的土地平铺在山区与墨西哥湾之间。这种情况道出了这片国土的年龄,毫不夸张地讲,那是1 200万年。然而那不过是一块四处延伸的最活跃的土地而已。  河水翻腾,通过水流的入射运动将泥沙挖出,使最大浪从慢速行进的浪中突显出来,在发射水流的交汇点,出现不规则水纹,使河床变深。假设河流携带的泥沙为abc和fbd,我认为最大浪边为bc和bd。水流缓慢是因为流水无法给自己施加作用力,除非最初的水流前部冲到河床,这样的河床由水流冲过来的泥沙形成。水流从河床斜坡流下,因为水流底部不断升高到其顶部,水流在斜坡上等待后续的水浪越过,这种现象出现在水流比较缓慢的河流中。

十六项案例

有一种方法可以确认水流每小时流淌多远。通过谐振时间的方法,在水流脉冲均匀的时候可以通过脉冲幅度来进行。而在此情况下,水流像音乐一样起伏有序的时候,通过水流脉冲来测量,可以准确地计算出在这样的律动时间内,脉冲10次或12次的水流携带的物体能运行多远的距离。使用这种方法,对于每条水平水道来说,这些规则可能是通用的。但是也存在一些河流不适用这种方法,因为有些河流中的脉冲朝向水面下方,从水面上是看不到脉冲运动的。

水流所携带的物体形状各异,在水流运动的时候,哪种形状的物体运动比较快,哪种比较慢?在河流表面,水的流动也是千姿百态。可以在船上用一个绳子悬挂重量小的物体接近清澈的水底,这或许可以解释水面下方水流运动的变化。当两股水流直线相遇,如果两股水流势均力敌,在相遇的地方水深会突然增加。如果两股直线相遇的水量不等,底部出现的冲击坑会不在冲击的垂直线下,而是朝向水流弯曲的方向,顺着水流在一个位置或者两个对立的位置出现。

如果两股水流直线相遇,水量相等,但河流坡度不同,坡度大的水流比较强,底部出现的冲击坑会朝向较弱水流的一边,两股水流冲击后弯曲点如图所示,ab为较弱的水流,顶着bc较强的水流。

在什么地方、以什么方式可以将用来航运的运河中的水抽出?最好管头放进水底,因为这样在一定的时间内可以抽取更多的水。当两股水流直线相遇,一股水流大而慢,另一股水流小而快,我认为流速快的水流根据其前部宽度的大小,尽量冲击流速慢的水流,而通过将流速慢的水流有序推回并穿透到其底部来完成冲击,呈现出弯曲运动。因为较强的水流从每个运动角度上穿透较慢的水流,弯弯曲曲朝向其垂直线扭动,在冲击点及冲击弧线顶部的下方对底部形成冲蚀,使得这个地方变得最深。也就是说,在整个河道最深的地方,较强的水流弧线变得越来越弯曲,扩散会越来越大,这样使得水流自身的反弹运动朝向其本身,而很少会朝向流过来的较大水流方向运动。

如果多股不同流速的水汇聚在一点,冲击力最大的水流与其他水流相比,会更多地将自身水流压向对面的水流。这里很难看出哪一股水流比另外一股水流大多少或是小多少,因为,尽管流速快的水流可能比对面的水流窄,但是无法直接相遇,也不可能直接冲击到对方,除非两股水流在总体水量上相同——既没有发现较大的水流战胜较小的水流,也未发现其受到较小水流的冲击。

如果速度较快的水流比其他水流深,而所有水流慢慢汇聚在同一地点,则流速快的水流比其他汇集来的水流冲击力大,那么和速度快的水流基本呈一条直线的水流对流速快的水流冲击力最大。这样,在冲击过程中,流速快的水流因为冲击其他汇聚的水流,呈现出的将是一条不很直的直线,相比其他水流更弯曲且会朝向其垂直线。因为受到多股强弱不均的水流影响而形成的河床,其底部会形成各种形状的冲击坑,很多障碍物形状是有利于修正这些冲击坑的。

假设两股细而有力的水流汇聚到一股慢而大的水流后形成冲击,如果在第一冲击时将底部冲出,那么会出现两个冲击坑。这两个冲击坑随着冲击力大的水流冲击形成的反射运动而分裂,并会逐渐靠拢而形成一个窄窄的独立冲击坑。较大的水流会敞开怀抱给流速快的水流让路。在冲击结束后,流速快的水流伴随着大水流,在运动中同流速快的水流势均力敌。

如果两股细而有力的水流汇聚到一股慢而大的水流中,形成冲击,并且在第一次冲击的时候将底部冲出,那么两股水流将在两个地方形成冲击坑。随着这两股冲击力大的水流冲击形成的反射运动,这两个冲击坑会逐渐靠拢,形成一个单一而狭长的冲击坑,且水量较大的水流会让位给流速较快的水流,后者随后在冲击结束时成为大水流的伴随水流,运动速度也变得同大水流相同。

如果有人想减弱这些水流对河床底部的冲击力,应该人为制造一股横向水流,导向这些水流交汇的地点,从而达到冲击这些水流并将这些水流分开、分散、削弱的目的。

两股水流呈直线交汇,在交汇点对水流底部造成的影响如a点所示。

这种现象可以在水流穿过两个直玻璃板之间的时候观察到。

【注释】

[1]1英尺=0.304 8米。

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