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当冲浪冠军搭上流体科学家，他们成功改造了浪花！

百家作者：DeepTech深科技 2017-11-20 02:06:47

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在 1966 年的电影《无尽之夏》（The Endless Summer）中，两名冲浪选手为了找到他们心目中完美的海浪，进行了一次环球旅行。事实上，良好的冲浪海浪确实较为罕见，即使所有的力量都聚集在一起，这样的“魔法”也是短暂的。

很少海滩能将涌动的海浪变为冲浪选手理想的冲浪波的底部轮廓，不仅如此，浪涌变幻莫测，其大小、角度、周期和不断变化的风浪互相影响，这意味着绝佳的冲浪时机简直少之又少。

而在加州中部的农场，一个距离最近的海滩 175 公里的地方，一名冲浪冠军和一名流体力学专家正联手改变这种现状：他们要改造出最完美的浪花。

在一个 700 米长的人造湖中，他们设计了一个系统，这个系统会在水中拖拽一个精心设计的称为“水翼”的金属叶片。在超级计算机的帮助下，科学家精准控制着机器一次又一次地把扫过湖底的浪涌变为超自然的完美冲浪浪波。

早已习惯于变化无常的海洋的专业冲浪选手们被 Adam Fincham 和 Kelly Slater 呈现的的神奇波浪所震惊。Adam 是南加州大学（University of Southern California）的研究员，Kelly 则获得过史无前例的十一次世界冠军。

去年九月，18 名职业冲浪选手来到称为冲浪牧场（Surf Ranch）的地方参加未来精英赛。这个比赛的目的是评估这个不面对公众开放的池子是否符合作为世界冲浪联盟（WSL）在世界各地举行的锦标巡回赛的比赛场地。这个模拟赛由世界冲浪联盟赞助，由亿万富翁 Dirk Ziff 共同拥有的专业冲浪管理团队负责管理，这个团队包括裁判、播音员和放大每个冲浪动作和慢动作回放的巨型屏幕显示器。在今年世锦赛排名第 15 名的选手 Adrian Buchan 说：“他们为冲浪选手们创造的美好回忆和人造冲浪海浪是首屈一指的。”

图 | 职业冲浪手 Matt Wilkinson 将自己打入了人造冲浪牧场的浪潮中

Fincham 的同行和冲浪选手一样都对这个人造波浪印象深刻。来自德国卡尔斯鲁厄理工学院环境流体力学专业的机械工程师 Olivier Eiff 认为，研究海浪的科学家通常的关注点是海浪的侵蚀影响，海洋和空气之间的气体交换以及海滨结构。他的同事中似乎并没有人在研究人造波浪，这是在流体动力学方面的一项艰巨挑战。Eiff 说：“这是一项令人难以置信的工作，我不知道谁有这个胆量去挑战这项具有极大复杂性的问题。”

如果相似的人造波浪池能在全球都建起来，冲浪牧场的支持者希望他们能从根本上改变冲浪。

在冲浪的博客圈里，关于“Kelly 的波浪”的大量担忧已经浮出水面，他们担心人造波浪会剥离冲浪这项运动的天然的诱惑力，并可能培养起一批令人讨厌的新手，因为这群人的出现会进一步挤压海洋的休息时间。但支持者的数量远超反对者。1968 年的夏威夷凯鲁瓦的世界冠军 Fred Hemmings 说：“我看到了来自阿肯色州小石城的世界上最棒的冲浪者的那一天，这是一场巨大革命的开始。”

“如果你没有对你所做的事情充满激情，那你也不会有和前人有所不同的成就。”——Kelly Slater，冲浪世界冠军

用于冲浪的波浪池可追溯到 50 多年前，但完全无法和海洋冲浪的历史相比。在海洋中，风浪产生的表面重力波在深水中滚动，只有当水深约为连续波峰之间的距离（波长）的一半时，与海洋底部或浅滩相互作用。随之而来的三件事分别是：波长缩短、波高增加和波峰移动速度超过波谷。当波高与水深大致相同时，连续的波浪断开，冲浪者就可以冲浪了。

如果底部轮廓恰到好处，风从陆地吹向海洋或不动，一个浪涌就会变成一个均匀分开向左和向右的破浪，白色的水就会在波浪的表面移动如同一个平稳关闭的窗帘。更陡峭的波浪能够形成一个允许熟练的冲浪者在其中滑行数秒的管桶。一个 30 秒的驾浪骑行是非常长的，很少地方能够不断提供这种管状浪。

2006 年，世界上最著名的冲浪选手 Slater 开始接触 Fincham，Fincham 接受了这项在在水池里模拟大自然的挑战。在牙买加长大且只有当他来到南加州大学才开始冲浪的 Fincham 说：“我不知道他是谁。”为了开展这项研究，Slater 创立了自己的公司，并迅速聘请了 Fincham。

图 | Adam Fincham，南加州大学的流体力学专家，他和冲浪冠军 Kelly Slater 用超级计算机模拟器来提炼海浪

Fincham 是一个有很多非凡创意和意志顽强的人。他发表过用数字粒子成像测速仪在旋转分层流体里衰减系统湍流进行激光诊断这样深奥题材的文章。但 Slater 开玩笑说他和 Fincham 都有点强迫症，他表示说：“如果你没有对你所做的事情充满激情，那你也不会有和前人有所不同的成就。”

实验室的水池里产生的波浪通常只有几厘米高，这可以用线性方程来模拟，线性方程能够可靠地预测结果。

当试图模拟一个更大的浪涌时，就要通过陡峭的波浪来释放非线性的力量，这其中包括湍流、薄而缓慢移动的层流（边界层）和整个水体的振荡（称为 seiching）。Eiff 表示：“非线性是无处不在的”，这使得制造人造波浪变得异常困难。

重塑波浪并没有深入的相关科学文献可以查询。Fincham 和 Slater 的美国专利申请仅仅参考了两篇有关波浪的论文，这两篇论文都是由著名物理学家/数学家在十九世纪七十年代撰写的。因此，除了有关冲浪波浪的专利，其他专利 Fincham 和 Slater 绝大多数都是靠他们自己。

他们的实验开始于实验室的一个波浪箱。当很多波浪池使用桨、柱塞、沉箱或其他方法来有效地将水甩抛至空中时，Fincham 的团队设计了一个部分被水浸没的水翼。当这个水翼穿过水池时，它会将水推至侧面（而不是向上），然后收回来，进而形成水波来“恢复”它推开的一些水。这个过程的结果就是物理学家口中的孤波或孤子，它模拟了在开阔海洋里的单个浪涌。

图 | 每一个网格都代表空气和水，Fincham 的团队计算每一个网格和它们之间的相互作用。（源自：ADAM FINCHAM AND ALEX POIROT）

接着，Slater 的冲浪经验被考虑进来。他表示：“如何形成浪涌，这是 Fincham 的工作，而我的工作是想出破浪的办法”。需要借助一个浅礁或一个恰到好处的形状来把浪涌变为冲浪波。为了微调池底的形状，团队依靠 Slater 的投入和需要花费数周来运行的大量并行超级计算机来完成一个模拟。在模拟里，一个波浪是有数百万个代表空气和水的小网格组成的网格。

每个网格以及它们如何相互作用的计算模拟了波的演变，因为它形成了一个面和一个卷。USC 的流体力学专家 Geoffrey Spedding 形容这个计算“在数学上是非常可怕的”，他与 Fincham有合作，但只有很少的投入。

Fincham 的团队接下来将实验室的研究结果转移到冲浪牧场，一个原本是人工滑水湖的长方形泳池。水翼放置于水深的几米处，可以想象为一个垂直放置的弯曲的粗短的飞机机翼。它附着在一个大概有几个火车车厢的大小的东西上，在 150 多辆卡车轮胎和电缆的帮助下，以每小时 30 公里的速度沿着泳池长度的方向落下去。这可以形成一个超过 2 米高的孤波。泳池底部的弹性如同瑜伽垫一般，并且在不同部位有不同坡度，底部轮廓决定了孤波何时如何破裂。这些专利还描述了水翼的驱动器，它可以调整波浪的大小和形状来适合不同的冲浪水平。

水翼在水池上移动，形成一个从右向左破裂的波浪。巨大的排水沟起到缓冲器的作用，可一个减少排水，限制水池边界的反弹，但是需要 3 分钟才能使水平静。然后，水翼沿着水池向下移动，形成一个相反方向破裂的波浪。这样形成的水卷可以允许滑行长达 50 秒，而且波浪在大的水面和卷面之间不断变化。在九月份的一场比赛中，围观者为 Stephanie Gilmore 疯狂喝彩，因为赢得六次女子冠军的她当时在卷面里呆了令人震惊的 14 秒。

除了能够提供新颖的比赛形式，奥运会组织者已经注意到，这些人造波还可以作为一个高水平冲浪选手的训练平台并且通过更改设置也能适用于初学者使用。正是这样的商业潜力驱使 WSL 背后的母公司决定收购 Slater 的人造波公司的股权。

有些人看到了这个新奇的项目背后数百万美元的商业价值。“浪是奇妙又壮观的，每个人肯定都愿意去冲浪，人造冲浪波浪就像一个进化的恐龙”，加州圣地亚哥的发明家 Tom Lochtefeld 说，他的公司 Wave Loch 生产 FlowRider，一种看起来像滑雪板，能在水上滑行的板。

Lochtefeld 认为水翼方案有太多机械元素，“这会带来很多故障，因为其中有很多能量的转移和运动的水，水池就会容易崩溃”。他认为这也不会是一个赚钱的项目。按照 Lochtefeld 的计算，至少需要每隔 10 秒产生一次波，或者每年至少产生一百万次波，才能从人造冲浪波浪这个项目中获利。Wavegarden 是一家西班牙公司，在常规的冲浪板下产生海洋一样的海浪，在两个地点向公众开放，他们声称他们能每 4 秒产生一次波。

WSL 控股的公司表示不会透露究竟在这个项目投了多少资金亦或是冲浪牧场的运营成本，也不打算出售人造冲浪波本身这项技术。除了举办专业比赛外，公司希望建立有酒店，演唱会场地和零售店的冲浪公园。