冲浪高手和科学家打造超自然波浪

专业冲浪者马特·威尔金森在人工海浪中冲浪。资料来源:WSL

这是科学家和冲浪者对“无尽的夏天”的复述。这部1966年的经典纪录片讲述了两个冲浪爱好者在世界各地寻找完美海浪的足迹。

好的冲浪浪是罕见的，即使所有的力量都聚集在一起，“魔力”也是短暂的。很少有海滩底部轮廓能把海浪变成冲浪者想要的波浪。即使可以，波浪膨胀的大小、角度、周期性等特征，加上不断变化的风和潮汐波动，也意味着完美的波浪非常罕见。

最近，冲浪冠军和流体力学专家联手改变了加州中部离最近海滩175公里的一个农场的状况。

完美喷雾

在一个700米长的人工湖中，他们设计了一个系统来拖动一个叫做水翼船的金属叶片穿过水面。由此产生的膨胀可以扫过湖底，科学家们借助超级计算机精确地设计了湖底的轮廓。结果，它一次又一次地把海浪变成神秘而完美的冲浪浪。

专业的冲浪者可以翻转变幻莫测的海洋，亚当·芬查姆用“魔法”召唤出的海浪也让他们震惊。科学家和冲浪者一起创造了这种完美的海浪:芬查姆是南加州大学的研究员，凯利·斯雷特以前曾赢得过11次世界冲浪锦标赛。

去年9月，18名专业冲浪运动员来到这个所谓的“冲浪牧场”，参加“未来经典”比赛。比赛的目的是评估冲浪池的性能是否可以作为世界冲浪联合会锦标赛的比赛场地。模拟比赛由世界冲浪联合会主办，相关人员将使用大屏幕显示器选择各种海浪和慢动作回放。"他们为冲浪者创造的海浪是首屈一指的."竞争对手阿德里安·布坎说。他在今年的巡回赛中排名第15。

芬查姆的同事和冲浪者一样对这份工作印象深刻。德国卡尔斯鲁厄理工学院专攻环境流体力学的机械工程师奥利维尔·艾夫如是说，科学家们通常关注波浪对侵蚀、海洋-空气气体交换和海岸结构的影响。但是造波对流体力学来说是一个巨大的挑战。“这是一份令人难以置信的工作。”艾夫说，“我不知道还有谁有勇气去碰这么复杂的问题。”

如果人们能像冲浪牧场的支持者所希望的那样，在世界各地建立类似的波浪池，这将从根本上改变冲浪世界。然而，在冲浪博客圈，也有人担心“凯利波”将剥夺冲浪的自然魅力，并可能导致大量新来者进入和扰乱平静的大海。

但是支持者远远多于反对者。“世界上最好的冲浪运动将来自阿肯色州的小石城。这是一场伟大革命的开始。”1968年冲浪世界冠军弗雷德·黑明斯说。

“疯狂的想法”

事实上，冲浪池可以追溯到50多年前，但是即使是最好的人造泳池与一个好的冲浪网站相比也显得苍白无力。在海洋中，当水深约为连续波峰之间距离(波长)的一半时，风暴产生的表面重力波在深水中滚动，只与海床或浅滩相互作用。然后发生三件事:波长变短，高度增加，波峰比波谷移动得更快。当波浪的高度与水深相等时，波浪会破碎，冲浪者可以冲破波浪。

如果底部的轮廓是正确的，风从陆地吹到海里，或者仍然是静止的，那么水面隆起就变成了一个破碎的波浪，能量损失可以均匀地分布到左右两边，而白浪在波浪表面上移动，就像一个幕帘慢慢地关闭。更陡的波浪可以形成一条管道，更熟练的冲浪者可以在其中滑行几秒钟。在海浪中滑行30秒是一个非常漫长的旅程，很少有地方能连续产生这样的海浪。

2006年，世界上最著名的冲浪运动员斯莱特发现了芬查姆。当时，芬查姆致力于模拟水箱中的自然水波。“我不知道他是谁。”芬查姆说。芬查姆在牙买加长大，在到达南加州大学后才开始冲浪。

当时，为了发展完美波浪，斯莱特创立了一家以他自己命名的公司，并立即雇佣了芬查姆。

芬查姆有疯狂的想法，而且“顽固不化”他发表了一些深奥的论文，比如用数字粒子成像测速仪测量旋转分层流体中的网格湍流衰减。然而，斯莱特开玩笑说，他和芬查姆都有点强迫症。“如果你的团队没有一个充满激情的人，很难用不同的方式做事。”斯莱特说。

那时，斯莱特想要一种高性能的管道波——一种可以无休止滚动的波。芬查姆回忆道:“显然，他想要自己喜欢的那种海浪。它必须是管状的、坚固的、耐用的，并且必须以可控的方式构造。”

实验室里的水箱通常会产生几厘米高的波浪，这可以用线性方程来描述:你可以可靠地预测会产生什么。

但是科学家们正试图通过陡峭波浪的非线性力释放来制造更大的水面隆起，包括湍流、缓慢移动的薄层(边界层)和整个水体的振荡“湖震”。“非线性无处不在。”Eiff说这使得“画”一个人工波变得极其困难。

另一方面，关于波浪创作的科学文献并不全面。芬查姆和斯莱特的美国专利申请只提到了两篇相关的科学论文，这两篇论文都是由19世纪70年代著名的物理学家和数学家撰写的。所以芬查姆和斯莱特只能依靠自己。

他们从实验室的造波池开始。虽然许多造波罐使用桨、柱塞、沉箱或其他策略来有效地将水抛向空中，但芬查姆的团队设计了一种部分浸没在水中的水翼。当它通过水池时，水翼船将水拉到一边(但不是向上)，然后把它拉回来“恢复”一些它推开的水。结果是物理学家口中的孤立波，它模拟了开放海洋表面的一个单独的凸起。

乘风破浪

然后斯莱特的冲浪经历开始发挥作用。他说:“芬查姆的工作是找出如何产生波浪。我的工作是找出如何打破它们。”

这需要一个非常浅的“珊瑚礁”，只有合适的形状才能把波浪变成完美的冲浪波浪。为了调整水池底部的形状，该团队将斯莱特的经验引入超级计算机进行模拟。在计算机模拟中，波代表数百万网格的空气和水。

科学家计算每个网格及其相互作用来模拟进化的波动。南加州大学的流体力学专家杰弗里·斯佩丁(Geoffrey Spedding)没有参与这个项目，他说这个计算“在数学上是惊人的”。

芬查姆的团队将实验室的发现转移到一个冲浪牧场，这是一个长方形的游泳池，最初是一个人工滑水湖。水翼船停在几米深的水中，并连接到几节火车车厢大小的装置上。它以每小时30公里的速度沿着轨道运行。

该系统可以产生2米高的孤立波。游泳池的底部覆盖着柔软的瑜伽垫，在不同的地方有不同的斜坡，这决定了海浪何时何地被打破。此外，水翼刹车也可以调整波浪的大小和形状，以适应不同的技能水平。

水翼船在水池中移动，形成从右向左的波浪。这个巨大的水箱可以起到减震器的作用，减少水从墙上反弹，但是需要3分钟来使水平静下来。然后，水翼艇从水池中返回，形成一个相反方向的波浪。这一旅程可以持续长达50秒，海浪交替地“雕刻”出巨大的波浪。

在9月份举行的比赛中，六次获得女子冲浪世界冠军的斯蒂芬妮·吉尔莫以惊人的14秒速度在海浪中滑行。

除了为奥运会提供一个新颖的比赛项目外，这些人工海浪还可以作为高级冲浪者的训练平台和初学者的可控学习设备。这种商业潜力导致WSU控股公司获得了斯莱特的控股权。加州圣地亚哥的发明家汤姆·洛克特菲尔德说:“这些海浪太大了，每个人都喜欢冲浪。”

芬查姆预测，有一天可能会有一波冲浪运动，它可以完成不可思议的动作，比如在环空中翻筋斗。“我们有完美的自然波浪，很酷。”他说，“但是我们能创造一种几乎颠覆自然的超自然力量吗？”

也许他们创造了一些超自然的东西。(张张编)

中国科学新闻(2017-120，第三版国际)