《运动的旋律与变化的世界》分“动的世界”“柔情似水”和“空中旋律”三大篇。每一篇标题表面上看显得很专，实际上牵引出很多其他问题，如数字7、时间、几何图形、圆周率、数学、少儿娃娃浪、大气污染、音乐、说话的技巧、针尖效应等。用大主题关联不同现象，用大视野看问题，正是本书的目的之一。例如，针尖效应出现在最后的雪花问题之中，但针尖效应又对理解植物叶子为何有的长有的短这类现象有帮助。因此表面上看很专的具体问题，往往牵引出更具普适意义的现象。从结构上，本书每一篇分为四大节，每一节有五个主题，每个主题涉及的具体问题也可能包含许多相似或相关的现象。虽然各个主题具有一定的独立性，但前后描述时所基于的知识有一定的关联性，这种展现方式如同拴在抖动中的弦线上的珠子在一起舞动一样。有的强调趣味性和知识性，有的也包含很深的逻辑推理。部分逻辑推理虽然以启发式为主，但隐含的思维深度不一定亚于专业逻辑。这些有深度的内容也是为了适应那些喜欢深入思考的读者。脍炙人口的科普读物将那些出现在厚厚的专业书中的知识提炼成人人都可以理解的内容，以现代小型读本形式出现。正是这些小型读本，使知识得到普及、求知欲得到激发，并给不同知识结构甚至不同行业的人群之间提供了认知世界的桥梁。有关单一领域问题的科普读物不胜枚举，但更广义的科普读物并不常见。许多表面上完全不同的问题，实际上具有共性。例如，打水漂时，水漂的弹跳与冲浪运动中的腾空几乎基于同样的道理，汉代发明的橹产生推进力的原理与现代飞机机翼产生升力的原理是一样的。又如，汉字笔画超过7 笔后，具有相同笔画数目的汉字数目的增加速率就下降了，11 笔左右汉字数目最大。这个11 除以7 得到的比值，其实不局限于汉字笔画数目的增长规律，许多其他现象都类似，比如说流行病爆发后，住院患者的数目就有类似规律。许多现象，无论是科学、技术、经济还是文学艺术，至少从某种角度看，是朝着省时、省力、省料的方向发展演化，演化的结局往往是简单、简约、简美。例如，不管是什么类型的问题，对数目的选择一般是在少了不够和多了难以驾驭这两种之间博弈的结果，妥协的结果是数字“七”可能得到宠爱，如七言诗、七色光、七大洲、七种味觉、物理学有七个基本单位、七种生命形态等。千变万化的世界中，许多问题、现象、知识和规律，看上去像散落的珠子。用一根弦把它们串起来，再抖动这根弦，我们就能看到它们相互关联与共性的一面。《运动的旋律与变化的世界》正是一种这方面的尝试，通过适当采用直觉、类比和拟人化的手笔，给读者串联似地展示甚至解释数百个与我们的生活息息相关的问题与现象。即使不得不借用一些专业逻辑，也尽量将这种专业逻辑变为可以直觉关联的语言（站在专业角度看，当然适当牺牲了一些严谨性）。正是那些相互关联且道理相通的原则，将千变万化的运动和演化现象谱写成优美的旋律，使表面上复杂的大自然也有简单、简约和简美的一面。奔跑中的腿和水面波浪中的水滴运动，显得多么复杂。如果看成同时在做倒单摆运动和弹簧运动，就很容易理解了。一种称为水黾的小昆虫，借用腿上的小毛毛撑开水面，从而可以凌波微步和玩蹦床运动。蒲公英举着冠毛伞留在空中，因为有了又小又多的冠毛而能随风飘浮。都是小毛毛，前者憎水，后者恋风。鸟的翅膀横着飞就是产生升力的机翼，竖着拍就是产生推进的螺旋桨。以这些方式理解或关联知识和现象，正是本书的特点，期望让读者不需要掌握专业知识就能理解。

　　当然，不能纯粹为了好表述就来筛选那种显得又轻松又有趣的问题，也有一些显得很沉重和深奥的内容，如相对论效应、振动的世界、演化的普适规律、飞机气流和发动机。比如说，飞行的秘密专门有较为冗长的一节。站在科普一级，完全可以用有限的篇幅交代清楚，无非就是飞机和鸟有了机翼或翅膀，由迎角和弯度产生了上吸下举的差异性气流。然而，这部书并不是为了简单罗列知识和堆砌原理，而是希望借此引导读者用直觉进行非专业级的理解和思考，进而尽可能牵引出更多的常识来辅助理解和丰富知识。陈述历史可以将本书的篇幅翻倍，然而，陈述历史不是本书要突出的风格。对于每个问题，我们也不会采用统一的风格。比如说，开篇的打水漂，我们一开始就点出水漂弹跳的秘密。但有的问题，包含的原理贯穿于全文之中。

　　除了某些图片包含若干数学公式，本书正文主要只是文字描述和数据。提供大量的数据信息和可帮助理解的示意图，也是本书的一大特点。依据问题的性质，不同内容采用的语言风格可能不一样。有的适合用拟人化语言，有的则需要显得很书面很严肃。有的问题目前本来就不是特别清楚，反而适合用磕磕碰碰底气不足的语言。大部分问题与我们的生活息息相关，这些问题包括澡盆涡、玩具陀螺、自行车、波浪、卫星、打水漂、墨西哥人浪、肥皂泡泡、棒棒糖、笔画、圆周率、飞机、高尔夫球、时间、高速列车、蚊子、潮汐、雪花等。对这些知识的介绍与讨论，会关联出一些与文字、音乐、体育、生物、气象、数学和科技等方面的常识。

　　用小型读本涉及较为广泛的问题，正是为了体现现象具有碎片性而内涵具有关联性。因此，部分内容所涉猎的知识跨度、宽度或深度，会留有余韵或瑕疵，如此可为读者自己思考腾出或打开一些想象与思考空间。

　　本书是一部集知识性、趣味性和科学性于一体的综合科普读物。适合大中学生及以上具有各种知识结构的读者群。家长也可以将其中一些内容剥离出来用于给少儿讲故事。

　　吴子牛

　　2017 年1 月

第一篇 动的世界 1

1.1 让形状和姿态疏通运动的路径 2

1. 打水漂　魔幻迎水角 2

2. 不修边幅的飞石 9

3. 谁都钟爱流线型　远走高飞的高尔夫球 13

4. 省力的橹与飞行的秘密　迎角的升力与抬头效应 19

5. 带着气流旋转　弧线球 25

1.2 失稳、旋转与振动让世界更灿烂 29

1. 失稳中的多姿多彩或险象重重 30

2. 旋转助稳　令人痴迷的玩具陀螺 37

3. 振动的世界　共振 41

4. 极限飞盘　自行车 49

5. 旋转的天体与优美的宇宙 53

1.3 运动与演化　过程的激荡与结局的完美 69

1. 速度的消失带来损伤　蚊子会被雨滴砸坏吗 69

2. 生长与衰减　动物大小　技术能力的演化 77

3. 演化的普适规律　省时省力省料 86

4. 演化规律能解释我们的世界吗 92

5. 数字7 96

1.4 速度的限制　谁能把我们带往宇宙深处 107

1. 移动了几倍体长或音速　尺度比例效应 107

2. 太快也不安全　幸亏有音障、热障与光障 112

3. 相对论效应　卫星定位　核能利用 116

4. 时间很慢也很快 125

5. 星际旅行　费米悖论 134

第二篇 柔情似水 143

2.1 柔情似水　凌波微步的小昆虫 144

1. 柔情似水 144

2. 绿叶上的水珠　纯水泡泡与肥皂泡泡 152

3. 鸡毛掸子一样的水黾腿　镊子一样的刚毛 154

4. 凌波微步　划桨运动　蹦床运动 156

5. 驱赶、威慑和求偶　通信与存储 159

2.2 风蚀地貌　圆与旋涡的生命力 165

1. 棒棒糖舔一千下　地貌的演化 166

2. 河道弯曲　牛轭湖　蜿蜒度 169

3. 圆周率　自然界中的常数　数学的魅力 172

4. 澡盆涡 181

5. 溪流、河道与海洋中的旋涡 187

2.3 轻抚水面生涟漪　强风破水摇巨浪 189

1. 蹲波队列　墨西哥人浪　幼儿园娃娃浪 190

2. 不揭短的涟漪用美丽衬托客人 193

3. 不插队不打架的涟漪波纹 195

4. 波速也会论短长　表面张力与重力的分工 198

5. 各种风速下的风浪 202

2.4 奇妙无比的水面世界 206

1. 无风不起（风）浪　无风三尺浪（涌） 207

2. 游泳池的震荡　湖震　反射与叠加 211

3. 海洋潮汐　钱塘江大潮　海啸 213

4. 物体与水波竞速　O 形波与V 字形波 217

5. 破浪而行　船与游泳形成的波浪 220

第三篇 空中旋律 225

3.1 绚丽多彩与刚柔并济的地球大气 226

1. 大气的力量 226

2. 神奇的自洁功能　环境污染 233

3. 分子的运动　个体的行为与集体的表现 239

4. 疏密有致　胀压有序　雷霆万钧 244

5. 火旋风　空气中的旋涡　昆虫与鸟的旋涡 250

3.2 听懂世界 255

1. 听不见与听得见的声音　蝴蝶与大象 256

2. 烦人的噪声　高速物体的音爆 259

3. 动听的声音　音乐与频率 267

4. 声源的信息　口语与书面语言 274

5. 风中的声音　移动物体的声音　追赶声音的感觉 278

3.3 飞行的奥秘 282

1. 水遇窄道快　人（车）遇窄道慢 283

2. 风中转掌知升力　优美的流线与和谐的声波 286

3. 在机翼的气流中旅行 292

4. 飞机与发动机 300

5. 翼尖翻转涡　飞机起降频率　候鸟的迁徙 313

3.4 自然界的运动：一曲动感的旋律 316

1. 鸟与昆虫的飞行秘密 317

2. 蒲公英与降落伞　蝴蝶果与直升机 321

3. 雨滴下落　流星自焚　航天飞机与返回舱再入 328

4. 生物推进的相似性　鱼的游动 334

5. 针尖效应　雪花　雪花铃 340

后记 347

　　第一篇动的世界~1~宇宙在膨胀、地球在自转、分子在运动、生物在演化，因此，我们处在一个动的世界之中。运动有形态，位置的更替、姿态的改变、速度的增减，谱写出动感的旋律。演化有节奏，数目的变动、大小的变化、范围的缩放，让大自然生生不息。千变万化，却离不开自然规律的约束。简单、简约、简美，才是永恒的自然规律。物理学再复杂，也就七个基本物理量单位。简美的流线型物体，能顺利地避让挡路的空气和水，因此更能接近速度的极限。再复杂的演化现象，也会遵循省时、省力、省料甚至物极必反的原则。速度是一种能量，专业搏击手能击打出一千千克的打击力。直线运动如果无法及时释放能量，那么旋转就是不错的选择。雨滴休想消灭轻巧的蚊子，侧歪一下就躲掉了。深奥的科学规律，当与我们的直觉能发生共鸣时，就成了我们理所当然的常识。于是，我们本能地会认为侧踹的足球会走弧线、带酒窝的高尔夫球飞得更远、旋转的陀螺能躲猫猫般地不倒、汉字的笔画不会太少也不会太多、速度高了会有限制。我们走进动的世界，探求隐喻在常识中的原因，会让我们的常识得到升华，会让我们发现更多的动感形态。动的世界第一篇运动的旋律.indd12017-07-1421:39:11运动的旋律与变化的世界~2~1.1让形状和姿态疏通运动的路径空中有小得看不见、多得数不清的空气分子，水中也是如此。空气和水也爱美。它们用事实告诉你，拥有顺从我的形状和姿态，就可以给你让道，甚至把你举起来，可以让你穿梭自如、风驰电掣。如果你不修边幅，长得像随便捡来的小石头一样，你将遭遇重重险阻。于是，高速列车、现代汽车和飞机乖乖地披上了流线型外衣。高尔夫球就不是流线型，只能用酒窝型凹槽把气流磕乱，磕得气流找不到方向，才能远走高飞。水与空气用同样的方式和穿梭的物体打交道，飞行的谜底居然从汉代发明的橹能找到答案。答案很简单：直接抬起你的头，或者带动空气旋转间接抬起你的头，看得高才能飞得远。抬头也不要过分，打水漂就有一个合适的迎水角。1.打水漂魔幻迎水角将一块扁平小石片贴水扔出去，让它在水面弹跳并激起一串串涟漪、一朵朵水花，这就是打水漂，作为民间活动历史悠久，作为国际赛事只有二十余载。边在空中飞行、边在“蜻蜓点水”，原理似乎深奥不可理解。它是怎么弹跳的？揭开其神秘面纱，既可掌握增加弹跳次数的技巧，也可启发水上和空中的一些应用。原来，在入水时，水漂在腹部制造一个冲浪，凭惯性做冲浪腾空，当然就能弹跳了。你得让水漂抬起一个角度入水，才能压出小冲浪，这个角度等于20度时你会像魔术师一样让水漂不停地弹跳。出手时让水漂旋转，它会飘得更直更稳。运动的旋律.indd22017-07-1421:39:12第一篇动的世界~3~水漂弹跳的秘密冲浪腾空（图1.1）在池塘边，捡起一块扁平的石块，朝水面尽量水平地甩出去，使石块击水后，在水面连续弹跳，这就是打水漂。你可以把水漂为何能弹跳想象得极其复杂，甚至去看深奥难懂的科学报道。可是，既然那么容易弹跳，道理就应该十分简单。大海边波涛滚滚，冲浪爱好者踏着冲浪板，获得速度后，像有速度的汽车冲上山坡一样，沿着波浪的斜坡面向浪尖滑行，离开浪尖时凭惯性腾空，再落到水面去追逐另外一个波浪。这叫冲浪运动，道理却和水漂弹跳十分接近。

　　水漂抬起适当的角度撞击水面时，将本来平静如镜的水面推出了一个小浪。小浪在水漂的腹部，或者说水漂骑在小浪上。于是，水漂沿着像斜坡一样的小浪，凭惯性就可以滑向空中，接着在重力作用下再次击水，进入下一轮弹跳。

　　图1.1水漂击水挤出波浪，做冲浪腾空运动的旋律.indd32017-07-1421:39:12运动的旋律与变化的世界

　　~4~如此，不难理解，水漂不能平着击水，那样产生不了有斜坡水面的小波浪。也不能垂直下砸，那样就没了向前滑行的惯性。说得更深一点，水漂压水时推挤出有斜坡的浪，同时被水的撞击力消化掉入水时向下运动的那个速度分量。当这个向下运动分量完全消失后，就凭依然存在的水平速度惯性，在水漂尾部水压以及水漂头部一定的空气升力辅助下，如同冲浪板，沿着小浪的斜坡向上爬，尾部到达浪尖后凭惯性腾空。水平速度分量要求足够大，腾空惯性才够。垂直速度分量要合适，才能有效压出斜波浪且不会突然沉下去。这就要求迎水角和入水角大小适中，否则要么水平速度不够，要么垂直速度不够或太高。入水那一刻，水漂底面与水平面的夹角是迎水角。入水那一刻，飞行速度方向与水平面的夹角是入水角。每个角太大太小都不行。你可以分别想象是0度或90度这种极端情况时，看看会导致什么不利。于是一定有更合适的值。

　　迎水角和入水角加起来，就是水漂的底面与飞行方向的夹角，在航空上称为迎角（也称为攻角或冲角）。这个迎角使水漂能获得空气给它的一点升力（以后会介绍原因）。这个升力使水漂飞行时，不会下落太快，从而在弹跳帮助下飘得更远。迎水角和入水角到底多大合适？这个吸引了科学家的研究。

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