王振東

(天津大學(xué)力學(xué)系，天津300072)

錦瑟無(wú)端五十弦，一弦一柱思年華。

莊生曉夢(mèng)迷蝴蝶，望帝春心托杜鵑。

滄海月明珠有淚，藍(lán)田日暖玉生煙。

此情可待成追憶，只是當(dāng)時(shí)己惘然。

這是晚唐詩(shī)人李商隱(約813-858)所作的七言律詩(shī)《錦瑟》，為其代表作之一。李商隱(圖1)，字義山，號(hào)玉谿生，懷州河內(nèi)(今河南沁陽(yáng)) 人，后人將其與杜牧合稱為“小李杜”(加“小” 字，為區(qū)別李白與杜甫)。李商隱是開(kāi)成進(jìn)士，受黨爭(zhēng)影響排擠，致飄泊潦倒，所作詩(shī)多托古以諷，富于文采，具有獨(dú)特風(fēng)格，因用典故較多，使理解較難。此詩(shī)就引用了四個(gè)典故。

圖1 李商隱

“莊周夢(mèng)蝶” 典源于《莊子·齊物論》，意為：莊子夢(mèng)中幻化為栩栩如生的蝴蝶，醒來(lái)后發(fā)覺(jué)自已仍然是莊子?！巴厶澌N” 典源自《禽經(jīng)·杜鵑》，望帝是蜀地一位開(kāi)明的部落首領(lǐng)，因讓位不當(dāng)而造成民不聊生，去世后化為杜鵑鳥，至春月間晝夜悲鳴不止，后人常用此比喻冤魂的悲鳴?！磅o人泣珠” 典源于晉張華《博物志》卷九，傳說(shuō)南海鮫人哭泣時(shí)眼中能出美麗的珍珠。后人常用此形容淚滴如珠。“伯雍種玉” 典源自晉干寶《搜神記》卷十一，楊伯雍得仙人所贈(zèng)石子種于藍(lán)田無(wú)終山，得白壁五雙以娶婦；后玉石被官匪掠走，仙人又托夢(mèng)給楊伯雍，以詩(shī)句提醒“晴天日出入南山，輕煙飄處藏玉顏”，從而又找見(jiàn)了玉。

李商隱借用這些典故，創(chuàng)造了朦朧的意境，寫出十分華美的詩(shī)句，最后感嘆道：人生中那些美好的事和年代，只能留在回憶之中了。

1 煙傳遞著重要訊息

煙有火字旁，通常是指物質(zhì)因燃燒產(chǎn)生的氣體，但此詩(shī)中的藍(lán)田玉并沒(méi)有燃燒，而是受太陽(yáng)照射使玉升溫，受熱后的玉石又將熱傳給了其表面的空氣，使受熱空氣密度降低而形成熱對(duì)流(上升氣流)，又因光的折射，遠(yuǎn)處觀察就像是冒煙一般。古人正是利用這一流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，寫出了詩(shī)句“藍(lán)田日暖玉生煙”。楊伯雍按“玉生煙” 的訊息，找見(jiàn)了玉。

中國(guó)有四大名玉產(chǎn)地：出產(chǎn)“藍(lán)田玉”的陜西藍(lán)田，出產(chǎn)“和田玉”的新疆和田，出產(chǎn)“獨(dú)山玉”的河南南陽(yáng)，出產(chǎn)“岫玉” 的遼寧岫巖。這些名玉也應(yīng)會(huì)有類似的受日照升溫而出現(xiàn)熱對(duì)流的“生煙” 現(xiàn)象，只是李商隱在長(zhǎng)安所作的《錦瑟》，僅引用典故寫到了唐朝京城長(zhǎng)安(今陜西西安) 旁邊的藍(lán)田玉而己。

烽火臺(tái)(圖2) 又稱烽燧，是古代防止敵人入侵而建的重要軍事防御設(shè)施，遇有敵情，白天施煙，夜間點(diǎn)火，臺(tái)臺(tái)相連，傳遞消息。白天放煙叫“燧”，夜間舉火叫“烽”，以可見(jiàn)的煙氣和光亮向上級(jí)和各方通報(bào)訊息，可傳5 km 之外，是古代行之有效的訊息傳遞方式。施煙時(shí)，因?yàn)槔羌S點(diǎn)起的煙垂直性好，所以一般燃狼糞，亦稱狼煙。

圖2 古代烽火臺(tái)遺址

烽火本是緊急報(bào)警信號(hào)，但歷史上也曾發(fā)生過(guò)“烽火戲諸候” 的事故。西周的周幽王為引妃子褒姒一笑，多次讓點(diǎn)燃烽火，戲弄了諸候。待公元前771年犬戎攻打鎬京(西周國(guó)都，今陜西西安西南灃水東岸) 時(shí)，再點(diǎn)燃烽火，調(diào)諸候援救。諸候已不信，未動(dòng)兵，致周幽王被殺，西周遭滅。

到唐朝時(shí)，邊境一度平安無(wú)事。據(jù)唐代杜佑《通典》卷一五二記載，當(dāng)時(shí)約定“每晨及夜平安，舉一火”，即用煙或火光通報(bào)“平安無(wú)事”。

盛唐詩(shī)人王維(約701-761)于737 年奉命赴邊關(guān)慰問(wèn)將士時(shí)，途中看到報(bào)平安用的一柱煙，即興寫下了千古絕唱的五言律詩(shī)《使至塞上》：

單車欲問(wèn)邊，屬國(guó)過(guò)居延。

征蓬出漢塞，歸燕入胡天。

大漠孤煙直，長(zhǎng)河落日?qǐng)A。

蕭關(guān)逢候騎，都護(hù)在燕然。

浩瀚的沙漠中孤煙直上，長(zhǎng)長(zhǎng)的河流與地平線重合，落日火紅，又大又圓，對(duì)這美景最貼切不過(guò)也就是這10 個(gè)字了：“大漠孤煙直，長(zhǎng)河落日?qǐng)A”(圖3)。“孤煙” 就是“平安煙”，“孤” 字寫出了景物的單調(diào)，緊接一個(gè)“直” 字，又顯出其勁拔、堅(jiān)毅美?！伴L(zhǎng)河” 指橫貫沙漠的黃河。落日，原似給人感傷印象，而“圓” 字，卻又給了人親切溫暖而蒼茫的感受。

有趣的是，《紅樓夢(mèng)》第四十八回“濫情人情誤思游藝，慕雅女雅集苦吟詩(shī)”中，香菱也對(duì)黛玉議論了這句詩(shī)，說(shuō)“這‘直’ 字似無(wú)理，‘圓’ 字似太俗。合上書一想，倒象是見(jiàn)了這景的，要說(shuō)再找兩個(gè)字換這兩個(gè)，竟再找不出兩個(gè)字來(lái)”。

圖3 大漠孤煙直，長(zhǎng)河落日?qǐng)A

2 煙流法是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的重要顯示方法

在流體力學(xué)中，對(duì)于理想流體運(yùn)動(dòng)的歐拉方程組和黏性流體運(yùn)動(dòng)的納維-斯托克斯方程組，解的存在性問(wèn)題至今尚未在數(shù)學(xué)上被證明。對(duì)大量的自然界、國(guó)防和工程技術(shù)中的流體力學(xué)問(wèn)題，只有通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究解決。對(duì)于目前流行的大規(guī)模數(shù)值模擬，仍必須用精細(xì)設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其正確性。流動(dòng)顯示方法和技術(shù)，正是能達(dá)到上述要求的重要的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)。

煙流法是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的重要顯示方法之一。用風(fēng)洞中特制煙管或模型上放出的煙流，顯示氣體繞模型流動(dòng)的圖形，是很好的觀測(cè)方法。國(guó)際上自1931年起己開(kāi)始建煙風(fēng)洞，在風(fēng)洞外將沸點(diǎn)高于350°C的優(yōu)質(zhì)礦物油，用金屬絲通電加熱產(chǎn)生的煙引入風(fēng)洞；也可以將鎢絲或不銹鋼絲涂油放在模型前，加熱產(chǎn)生細(xì)密的煙霧。借助光線對(duì)煙氣質(zhì)點(diǎn)的散射，可觀察流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，得到完整清晰的流動(dòng)圖形。為保證煙束清晰不散，需采用大收縮比的收縮段、穩(wěn)定段，在風(fēng)洞入口加裝抗湍流網(wǎng)，并釆用吸振性能好的材料制造洞壁等措施，以保證煙流為層流狀態(tài)。圖4 是在煙風(fēng)洞中的汽車?yán)@流圖形，圖5 是在煙跡顯示下尖劈旁的流動(dòng)圖，圖6 是鴨式飛機(jī)模型在煙風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)的照片。

煙流法也可以用來(lái)研究渦旋的產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)，以及邊界層的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)。

圖4 煙風(fēng)洞中的汽車?yán)@流圖

圖5 煙跡顯示的尖劈旁流動(dòng)圖

圖6 鴨式飛機(jī)模型在煙風(fēng)洞中實(shí)驗(yàn)的照片

3 煙提出了有趣的流體力學(xué)研究問(wèn)題

流動(dòng)顯示是了解流體運(yùn)動(dòng)特性，深入探索其物理機(jī)制的一種直觀、有效手段。

燃香冒出的煙為什么會(huì)向上飄呢？煙是固體顆粒，其密度比空氣密度大，為什么又看不到煙向下落？

點(diǎn)燃的香會(huì)使其周圍的空氣溫度升高，出現(xiàn)熱對(duì)流。于是香燃燒產(chǎn)生的固體顆粒物，就被上升的暖空氣裏夾著一起上升了。因熱空氣冷卻到環(huán)境溫度需很長(zhǎng)的時(shí)間，所以熱空氣會(huì)一直上升。如在室內(nèi)燒香，煙會(huì)隨熱空氣上升，直到吸附到房頂上。若在室外燒香，煙在上升的同時(shí)，也會(huì)被逐漸吹散。所以很難看到煙向下落。

觀察一支香產(chǎn)生的煙在周圍靜止空氣中的上升(如圖7～圖9 所示)，可以發(fā)現(xiàn)開(kāi)始時(shí)是沿光滑的直線路徑上升，到達(dá)一定的高度后，煙突然散開(kāi)，形成明顯無(wú)序的時(shí)間和空間上不規(guī)則脈動(dòng)的結(jié)構(gòu)。帶有煙顆粒的流動(dòng)經(jīng)歷了從層流到湍流的狀態(tài)變化。

圖7～圖9 雖都是燃香時(shí)煙的流動(dòng)，但出現(xiàn)的煙顯示出流線情況卻極不相同，這究竟是由哪些原因造成的，是很值得深入研究的問(wèn)題。

圖7 燃香引起的煙之一

圖8 燃香引起的煙之二

圖9 燃香引起的煙之三

圖10 和圖11 是點(diǎn)燃一根火柴時(shí)引起的煙渦旋，圖形也很不相同。

圖10 火柴燃燒引起的兩組煙渦旋

這顯然會(huì)讓人聯(lián)想起：層流如何轉(zhuǎn)捩為湍流，渦旋的產(chǎn)生和卷吸等流體力學(xué)問(wèn)題，很值得有興趣者去進(jìn)一步研究。

圖11 火柴燃燒引起的煙渦旋

(本文部分圖片自網(wǎng)絡(luò)收集，來(lái)源不詳，僅供力學(xué)科普之用，特此致謝圖片的原作者)