运动的旋律与变化的世界

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。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。

用徘徊于通俗描述和专业逻辑之间的折中语言包括适当的拟人化语言，给读者展示和解释一些诸如雨滴与蚊子、钟爱数字7、飞机与昆虫、时间、蒲公英恋南风、高尔夫球、棒棒糖的融化、雪花与树叶飞舞等数百个常见现象的简单、简约和简美的一面，将某些看似复杂不可理解的现象用简单现象叠加或类比，深奥的原理用省时、省力和省料那样的直觉性语言表述，并适当关联出一些与文字、体育、生物、气象、音乐、心理学、数学和科技等方面的有用常识。分“动的世界”、“柔情似水”和“空中旋律”三大篇，是一部集知识性、趣味性和科学性于一体的综合科普读物。适合大中学生和具有各种知识结构的读者群，尤其适合那些喜欢用非专业思维、语言和大视野去理解科学、自然和其他现象的读者。也可用于有一定阅读和讲解能力的读者给有好奇心的少儿讲解知识。

作者简介：吴子牛 北京航空学院学士毕业，法国巴黎第六大学博士毕业，现为清华大学教授和教育部长江学者等。担任过多个方面的专家组成员和多家企业的顾问，在多个专业领域有一定的建树，在国际期刊上发表了约百篇与数学、工程和自然相关的论文，包括火旋风以及昆虫行为的论文。将文字、旋涡、流行病、雾化和人口等的演化当作统一规律的科学论文被国际期刊《熵》邀请发表。在传统文化、现代教育和应用软件方面有广泛的兴趣。

第一篇 动的世界 11.1 让形状和姿态疏通运动的路径 21. 打水漂  魔幻迎水角 22. 不修边幅的飞石 93. 谁都钟爱流线型  远走高飞的高尔夫球 134. 省力的橹与飞行的秘密  迎角的升力与抬头效应 195. 带着气流旋转  弧线球 251.2 失稳、旋转与振动让世界更灿烂 291. 失稳中的多姿多彩或险象重重 302. 旋转助稳  令人痴迷的玩具陀螺 373. 振动的世界  共振 414. 极限飞盘  自行车 495. 旋转的天体与优美的宇宙 531.3 运动与演化  过程的激荡与结局的完美 691. 速度的消失带来损伤  蚊子会被雨滴砸坏吗 692. 生长与衰减  动物大小  技术能力的演化 773. 演化的普适规律  省时省力省料 864. 演化规律能解释我们的世界吗 925. 数字7 961.4 速度的限制  谁能把我们带往宇宙深处 1071. 移动了几倍体长或音速  尺度比例效应 1072. 太快也不安全  幸亏有音障、热障与光障 1123. 相对论效应  卫星定位  核能利用 1164. 时间很慢也很快 1255. 星际旅行  费米悖论 134第二篇 柔情似水 1432.1 柔情似水  凌波微步的小昆虫 1441. 柔情似水 1442. 绿叶上的水珠  纯水泡泡与肥皂泡泡 1523. 鸡毛掸子一样的水黾腿  镊子一样的刚毛 1544. 凌波微步  划桨运动  蹦床运动 1565. 驱赶、威慑和求偶  通信与存储 1592.2 风蚀地貌  圆与旋涡的生命力 1651. 棒棒糖舔一千下  地貌的演化 1662. 河道弯曲  牛轭湖  蜿蜒度 1693. 圆周率  自然界中的常数  数学的魅力 1724. 澡盆涡 1815. 溪流、河道与海洋中的旋涡 1872.3 轻抚水面生涟漪  强风破水摇巨浪 1891. 蹲波队列  墨西哥人浪  幼儿园娃娃浪 1902. 不揭短的涟漪用美丽衬托客人 1933. 不插队不打架的涟漪波纹 1954. 波速也会论短长  表面张力与重力的分工 1985. 各种风速下的风浪 2022.4 奇妙无比的水面世界 2061. 无风不起（风）浪  无风三尺浪（涌） 2072. 游泳池的震荡  湖震  反射与叠加 2113. 海洋潮汐  钱塘江大潮  海啸 2134. 物体与水波竞速  O 形波与V 字形波 2175. 破浪而行  船与游泳形成的波浪 220第三篇 空中旋律 2253.1 绚丽多彩与刚柔并济的地球大气 2261. 大气的力量 2262. 神奇的自洁功能  环境污染 2333. 分子的运动  个体的行为与集体的表现 2394. 疏密有致  胀压有序  雷霆万钧 2445. 火旋风  空气中的旋涡  昆虫与鸟的旋涡 2503.2 听懂世界 2551. 听不见与听得见的声音  蝴蝶与大象 2562. 烦人的噪声  高速物体的音爆 2593. 动听的声音  音乐与频率 2674. 声源的信息  口语与书面语言 2745. 风中的声音  移动物体的声音  追赶声音的感觉 2783.3 飞行的奥秘 2821. 水遇窄道快  人（车）遇窄道慢 2832. 风中转掌知升力  优美的流线与和谐的声波 2863. 在机翼的气流中旅行 2924. 飞机与发动机 3005. 翼尖翻转涡  飞机起降频率  候鸟的迁徙 3133.4 自然界的运动：一曲动感的旋律 3161. 鸟与昆虫的飞行秘密 3172. 蒲公英与降落伞  蝴蝶果与直升机 3213. 雨滴下落  流星自焚  航天飞机与返回舱再入 3284. 生物推进的相似性  鱼的游动 3345. 针尖效应  雪花  雪花铃 340后记 347

《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