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造船的規律?過盡千帆才得到的吃水線與波浪線理論--《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/10/28 ・8967字 ・閱讀時間約 18 分鐘 ・SR值 581 ・九年級
  • 文/Larrie Ferreiro and Alexander Pollara(譯者:林中一 教授,編修:余海峯 博士)

19 世記約翰・史考特・羅素(John Scott Russell)的船舶設計理論承諾了速度、亦表現了優雅。然而,最終證實那個理論並不完整。

今天的船舶設計師們仍運用 1800 年代末期英國工程師威廉・傅如德(William Froude)所發展出的比例定律來預測船舶的速度與動力。但是遠在傅如德之前,船舶設計者與造船者就已經知道,船體架構或船殼比例與形狀會影響船在水中的速度,而且他們已經找出了支配那些關係的規則。

船體架構或船殼比例與形狀會影響船在水中的速度,圖/by Tascalo@pixabay。

在 1500 年代末,一位名叫馬修・貝克(Mathew Baker)的英國造船者曾流傳了出一張讓他出名的素描。在這張素描中,他把一隻有著鱈魚鈍頭和鯖魚錐形尾巴組合的混種魚圖像重疊在一艘伊麗莎白時代的軍艦船殼圖上。在當時缺乏任何科學或實驗的基礎之下,這種「船殼的形狀應該由自然原理來支配」的想法仍然被廣泛接受。

貫穿整個 17 與 18 世紀,科學革命孕育了有關流體力學和阻力的新概念,這些概念定義了船舶在水中行進時所受的阻力。由於想要建造更快的風帆動力戰艦,歐洲各國海軍委託了科學家與發明家們去測試這些概念。1800 年初期,蒸汽動力用於在航海,其財務考量帶來了一個將流體阻力降到最低的額外動機:一艘蒸汽船的煤炭消耗量是直接關係到其運轉成本的,而煤炭的消耗就取決於受到的阻力。早期的蒸汽動力船隻比風帆動力的要快也更為可靠,然而它們的引擎效率並不好。造船者於是尋求快而高效率的船身,使得航行所燒的每一噸煤都能得到最充分的利用。

就在工業革命的那個年代、維多利亞時代的開端,有那麼一位有數學思想工程師約翰・史考特・羅素(圖 1),他開始要尋找一套通用的造船規律:一組能產生最小阻力的船身設計原理。他所完成的理論,被稱為「波浪線理論」(wave-line theory),主導了近半世紀的船舶設計世界。這一套理論不但引導了蒸汽船的設計,還加上得獎遊艇與破紀錄快速帆船。波浪線理論最終不再獲得青睞而被傅如德(Froude)更嚴格的理論所取代;這一段故事,在總是複雜的科學與技術的關係之中,是一課頗具啟發性的歷史。

圖 1. 1847 年的約翰・史考特・羅素 (1808–82)。 圖/by 英國皇家船舶設計研究院(Royal Institution of Naval Architects)。

製造波浪,和決定吃水線?

作為一位廣受尊敬的造船者,羅素於 1821 年到 1825 年間在英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)讀數學,隨後藉著製造蒸汽車與船用蒸汽引擎學會了機械貿易。他結合理論與實踐的訓練在當時英國幾乎無人能及[1]。

1835 年,他在尋求方法改善新開發的蒸汽船時開始發展波浪線理論。在當時,科學家們已經確認船舶航行所受的阻力主要來自流體壓力與摩擦。但是,羅素卻正確地主張產生波浪的是另一個重要因素。不過,他錯誤地把波浪的產生只歸因於船身的形狀;實際上,無論任何形狀,物體在水中移動時都會產生波浪。羅素力爭,因為傳統船身的吃水線都是鈍形的——這是指船身前端與水接觸的部分,也就是船頭兩側形狀是凸面的——所以當船必須持續把水推開才能前進時,就一定會產生波浪。羅素相信,一個有適當向內的凹面或窪陷的船頭,會將水向兩側排開而不會產生船頭波。

一個有適當向內的凹面或窪陷的船頭,會將水向兩側排開而不會產生船頭波,圖/by Stan Shebs@wikipedia commons。

羅素在接著的 8 年裡努力的想要決定吃水線到底必須是甚麼形狀。英國科學促進協會(The British Association for the Advancement of Science,簡稱 BAAS),一個新成立的皇家學會(Royal Society)的競爭者,給了他 1132 英鎊——相當於今天的一百萬——讓他研究海浪的本質以及發展能減低波浪產生的船舶設計。這是該協會在那個時候所付出第二大筆的經費[2]。

大小從 3 英尺長的模型到 200 英尺長的遠洋航艦,羅素建造了並測試了超過 100 種船身。透過先前的實驗,他開發了精巧的技術:運用了懸吊自高支架的重物與滑輪系統來拖動船舶模型與運河船。在那些早期的實驗中,較高效率外型的船身自然跑得更快,但是阻力與速度之間的關係卻很難精確量化。羅素沒有單純的只去紀錄懸掛重物的落下時間,他使用了一種相對新穎的「彈簧動力計」直接量測航行受到的阻力,彈簧動力計還可以同時將得到的數據轉換為驅動船隻所需的馬力。在各項試驗之中,羅素甚至觀察到在運河中傳播而不會減速的奇怪「孤波」(solitary waves,後稱soliton)。孤波在光學與通訊裡扮演了重要的角色。

羅素在 1843 年向 BAAS 報告,在歷經幾千次實驗後,他發現了一種後來稱為波動線理論的新物理定律,「在這個理論裡,似乎每一種獨特形式與大小的船身都對應一個速度。」[3] 換句話說,羅素宣稱他發現了一個不論大小、任何船身設計都應該服贋的基本原理[4]。

歷經千次的實驗,羅素終於發展能減低波浪產生的船舶設計,圖/ by FelixMittermeier@pixabay。

什麼是波浪線幾何學?

羅素新定律的前提是,一艘船的船身形狀必須與它產生的波浪形狀一致。他假設有兩種形式的波浪與船所受的阻力有關:船行進時推開的水所產生、在船前方的「正弦移動波」(sinusoidal waves of translation),以及由風所驅動、回填至船通過後所空出來的空間所產生的「擺線船尾波」(cycloidal waves of replacement)。

羅素主要的研究聚焦在移動的波浪。他從實驗得到一個結論,就是正弦波的長度 L 必須遵守公式 L = 2πV2/g,其中 V 是船速、g 為重力加速度。羅素認為若要將阻力降到最小,船頭兩側的形狀就必須是長度為 L 的正弦。他從來沒有完全講清楚過他的論據,只是說這樣的對應關係能在平的水面產生最小的擾動——先別管水面其實沿垂直方向上下振動,而羅素的船身在水平面是正弦形的。所謂的波浪線船頭號稱會劈開迎面來的水,而不是將水向前推開。為了證實這個想法,羅素駕駛了一艘這麼設計的船穿過漂浮著小球的水面,他觀察到那些小球並沒有撞向船頭,而是單純的被向兩側推開[5]。

同樣地,羅素主張船尾的形狀應該做成擺線形以配合回填的水波。由於這種水波的長度是移動波長度的三分之二,所以船尾的長度應該是船頭的三分之二。而船舶的全長可以藉著在中間加進一段平行船身來調整。例如,一艘船以 10 節(每秒 17 英尺)速度行進時所產生的移動波長度是 53 英尺,所以設計一艘以這個速度航行的 100 英尺長的船應該有 53 英尺的正弦形船頭、12 英尺直的中段,以及 35 英尺的擺線形船尾(圖 2)。


圖 2. 依照波浪線理論所訂出船身幾何形狀的三個關鍵元素,圖/物理雙月刊提供。
  • 波浪線理論:船頭形狀必須是正弦的才能與船隻前沿所產生的移動波相匹配;船身後段/船尾必須是擺線形才能與尾隨的替代波相符;船身中段,由於假設沒有波浪,所以必須是直的而且與船身中線平行。船首與船尾的長度各自依據移動波與替代波的長度決定,而船身中段的長度則視船隻的全長來調整。

在這裡我們必須開始注意有甚麼是波浪線理論所沒有顧到的。波浪線理論並沒有提供一個方法來估計「興波阻力」(wave-making resistance,即船隻行進時,推動水面形成波浪所損耗能量對應的阻力);羅素單純的、錯誤的假設依據波浪線設計的船身的興波阻力為零。同時波浪線理論並無物理基礎;儘管羅素宣稱他做了好幾千次的實驗,但能用來闡明興波阻力機制的數據卻很少。

羅素堅持的正弦曲線以及擺線只能說是一種幾何描述性概念,而不太算是一個物理理論。最終,與羅素斷言相反,他的波浪線並無法為每一艘船隻提供保證成功的範本。船舶設計始終必須在速度、穩定性、強度與其他一堆因素之間尋求妥協。就波浪線來說,船身為了支撐其重量必需足夠吃水,往往就表示必須修正羅素原來想像的吃水線。

應用在蒸汽船的情況⋯⋯

羅素由 BAAS 贊助的研究成果發表之後,他的波動線船身設計理論就獲得蒸汽動力船造船者的擁護,而蒸汽動力船舶在那時候已經快速地在英吉利海峽、北海、愛爾蘭海等等貿易航線上取代風帆動力船舶了。在那些水域航行的貿易船隻必須相當快速的完成短程輸運;造船者看到比較尖的船身都認為那是產生速度的理想形狀,以致向內凹進去的吃水線設計在 1845 年之後大為流行。

雖然波浪線設計的汽船一般來說可以令那些船長們滿意,但僅僅使用波浪線公式並無法保證一艘船舶的成功。舉例來說,蘇格蘭的造船者詹姆士・納皮爾(James Napier)依據羅素理論所建造的幾艘在愛爾蘭海航行的汽船,就都通通不及格,這使得納皮爾的每一條船都大虧其錢。

皇家海軍第一艘裝甲戰艦 HMS 勇士號,圖/ by geni@wikipedia commons。

雖然 1895 年時羅素已經是倫敦一位著名的造船者,但是他沒有標到建造皇家海軍第一艘裝甲戰艦「HMS 勇士號」(HMS Warrior)。不過他說服了海軍調查員保德溫・華克(Baldwin Walker)在建造新艦時採用波浪線概念。勇士號的首席造船技師埃撒克・瓦特斯(Isaac Watts)跟隨華克的決定,為戰艦製作了產生波浪線的向內凹陷的吃水線,但是船頭剩下的部分則仍舊依照傳統設計。而且瓦特斯也斷然拒絕了後來羅素要求分享一半勇士號設計功勞的嘗試。

羅素的確運用波浪線建造了他最著名的船——在 1859 年開始營運的「SS大東方號」(SS Great Eastern,圖3)。這船長 600 英尺、排水量 27,000 噸,在那個時代是最大的一艘船,準備從英國載客到澳大利亞。然而儘管是這麼大的船、還加上先進的船身外型,大東方號卻從來沒有去過南半球,她只數次橫渡大西洋,也沒有賺到利潤[6]。

圖 3. 「SS大東方號」(SS Great Eastern),約翰・史考特・羅素最著名的波浪線船。圖/澳大利亞維多利亞州立圖書館(State Library Victoria)同意刊登。

儘管如此,大東方號的乘客之一,朱爾・凡爾納(Jules Verne)由於對大東方號的波浪線船身印象非常深刻,因此給了他靈感在他的著名小說《海底兩萬里》或譯《海底歷險記》(Twenty Thousand Leagues Under the Seas)裡寫了一段。在小說裡他這樣描述他的虛構潛水艇「鸚鵡螺號」(Nautilus):「有線條…足夠長而且她的船尾夠寬,能讓回填的水輕易的流出,而且讓潛艇的行進毫無障礙。」[7]。

如果用在風帆的情況?

雖然波浪線理論原來本是為了蒸汽動力船而發展的,卻在帆船上發揮了最大的功用,特別是在 1800 年中期到末期的快速帆船(clipper)和遊艇(yacht)上。快速帆船是被建造來快速輸運旅客和易腐爛貨物的;遊艇則是被造來贏得比賽中。這些船隻的設計與建造的每一方面都可以說是以快為本。

快速帆船最初是 1840 年代由一位任職於紐約史密斯與戴蒙(Smith and Dimon)造船廠的年青人約翰・葛瑞菲斯(John Griffiths)所發展出的。葛瑞菲斯想設計一款新型的船舶,以便在當時和中國之間快速擴大的茶葉貿易上撈到好處。他精通那時最新的船舶設計理論,也研讀了羅素各種波浪線理論的報告[8]。他最先設計的幾艘快速帆船:1845 年的「彩虹號」(Rainbow)和 1846 年的「海魅女號」(Sea Witch),就是受到羅素向內凹陷吃水線的啟發;這個設計使得往返美國-中國的航程幾乎縮短了近乎兩個月[9]。圖 4(a)所示為海魅女號船頭的波浪線。葛瑞菲斯設計的快速帆船是名列最快船隻之列:1849 年由海魅女號所創下的由紐約到香港的紀錄,一直到 2003 年才被打破!

圖 4.(a)快速帆船「海魅女號」與(b)賽艇「美國號」(America)的船身設計圖。在第一批造出的快速帆船之中,海魅女號在 1849 年創下了往返紐約-香港只花 74 天的紀錄!1851 年,當時吃水線幾乎完全遵守波浪線理論所設計的賽艇美國號,完勝「美國杯」(America’s Cup)帆船賽。

葛瑞菲斯在快速帆船的成功,刺激了一股在紐約與波士頓採用向內凹陷吃水線造船的熱潮。快速帆船造船者羅伯・馬凱(Robert McKay)在一次造訪倫敦時簡潔的向羅素表示:「我有個秘密,就是我在建造我所有的船時都採用了波浪的原理。我最早是在大英協會(British Association)的出版品裡發現了波浪線的說明。[10]」

波浪線成了遊艇社群的一個更加招牌的設備。羅素幫英國鐵路工程師羅伯・史蒂芬森(Robert Stephenson)建造了一艘波浪線遊艇「泰坦尼亞號」(Titania),就是這一艘船讓史蒂文森得以加入那個貴氣十足的「皇家遊艇連」(Royal Yacht Squadron,簡稱RYS)。1851 年的時候,皇家遊艇連的會員邀請他們的同級對手「紐約遊艇俱樂部」(New York Yacht Club,簡稱 NYYC)的伙伴們到英格蘭懷特島的考斯(Cowes, the Isle of Wight)比賽「一百畿尼杯」(Hundred Guinea Cup/£100 Cup)遊艇賽——這是皇家遊艇連舉辦的比賽裡的最高殊榮。(譯者注:畿尼(Guinea)是英國幣值單位,一畿尼等於一英鎊,一百畿尼杯的獎盃價值一百畿尼,大約是今天的十萬英鎊。)

1/4畿尼,圖/wikipedia commons

皇家遊艇連的好手們不知道,來自紐約由喬治・史悌爾(George Steers)所領導的隊伍,已經準備好了他們自己的波浪線遊艇來參賽。史悌爾曾經是葛瑞菲斯的造船伙伴,並而且向葛瑞菲司學會了波浪線理論;他完全遵照了波浪線理論建造了他的「美國號」(America)縱帆船(見圖 4(b))。

  • 美國杯帆船賽原名「一百畿尼杯」(Hundred Guinea Cup),就因為美國號超凡的表現,後來改名為美國杯帆船賽。(改編自 C・G・戴維斯(C. G. Davis)所著《美國快速帆船海魅女號:1846 紐約製造》,1935 船舶製造廠出版(U.S. Clipper Ship Sea Witch: Built at New York, 1846, Ship Studio, 1935)與參考資料[8]。

在 1851 年的 8 月 22 日,美國號在懷特島的帆船大賽裡穩穩的擊敗了由 14 條船所組成的英國船隊。美國號的勝利造成了大轟動,數日之後倫敦日報(London Journal)登載了一幅漫畫,圖中維多利亞女王問道:「那一艘遊艇得到第二名?」她得到唯一的回答是:「啊,女王陛下,這個比賽是沒有第二名的。」一個星期之後,在另一場比賽裡,美國號對上了羅素自己的傑作泰坦尼亞號。再一次,美國號輕鬆獲勝[11]。羅素很有風度的承認對方的勝利並聲稱史悌爾對於波浪線的運用更勝他一籌。

倫敦日報(London Journal),圖/by William Parks@wikipedia commons。

波浪線贏得了國際的名聲而且在美國號大勝之後被廣為模仿[12]。1860 年的時候羅素被任命為「皇家船舶設計學院」(Royal Institution of Naval Architects)的校長。然而並非所有的帆船玩家都相信波浪線理論。一位在麻省理工學院訓練出的工程師,美國人那森諾・賀瑞修夫(Nathanael Herreshoff)明確的摒棄了波浪線以及所有其他所謂的「科學 理論」,在船身設計上只認同出自自身經驗的自家產品。他工程上的直覺被證明幾乎都是對的;自 1893 年到 1920 年,他設計並建造了連續五屆美國杯的衛冕者,這裡面包括了他 1903 年的傑作「信任號」(Reliance)。這幾條船沒有一艘有向內凹陷的吃水線特徵[13]。

對於許多研究船舶設計的科學家與工程師,賀瑞修夫的非凡演出其實也不是那麼令人驚訝。早在十多年前那些人之中有幾個就已經開始發掘波浪線理論的缺點,而並沒有花太久時間就看到那個理論出現了破綻。

波浪線的終結

在那些質疑波浪線理論的諸多科學家與工程師之中,有一位名叫威廉・藍金(William Rankine)。他自 1857 年開始,執行了一個為期十年的船舶阻力研究之後,得到了一個結論,就是船舶行進所遭遇的阻力最重要的來源是散流在整個船身周邊的「摩擦渦流」(frictional eddies);注意,摩擦渦流的作用不只是在船頭與船尾,而在整個船身。但是,藍金用來計算阻力的理論,雖然後來證明大都是對的,用在處理日常的造船工作時就嫌太複雜了[14]。

又有一位大名威廉・傅如德,曾經一起參與建造大東方號,亦熟悉羅素,也加入了船舶阻力的研究。1865 年的時候,他決定要比較一下羅素的尖型波浪線和另一種比較圓的,他說他的想法源自「水鳥的眼光」。他建造了兩組大小不同的模型船,一組是有波浪線的「渡鴉」(Raven),另一組船尾是鈍形的「天鵝」(Swan),然後把這兩種模型船拖在一艘小的工作船後面。實驗結果發現,在高速時天鵝表現出的阻力比渡鴉要小,傅如德也開始確信阻力可以依照比例隨著船隻大小予以預測。

BAAS 協會反對使用縮小版模型的行為來預測全尺寸船隻結果的作法,圖/by F.Lang@wikipedia commons。

1868 年,BAAS 委託了更多船舶阻力的研究案,而藍金和傅如德都參了一腳。在正式的報告裡,協會反對使用縮小版模型的行為來預測全尺寸船隻結果的作法。但是傅如德基於他所做天鵝與渡鴉的實驗結果,並不認同協會的看法。運用了得自皇家海軍(Royal Navy)的資金,傅如德在位於托基(Torquay)、他家附近建造了一個模型測試儲水池,並且在 1871 年開始實驗。經過十年研究,傅如德和他兒子羅伯(Robert)發展出了船舶阻力的比例定律[15]以老爸名字命名。

經過超過一個世紀的理論與實驗的證實之下,傅如德的定律架構裡說明了船舶所受的總阻力來自兩個可視為獨立的因素:

(一)壓力,就是在整個船體全長產生能量耗散波浪系統的壓力
(二)摩擦,就是由水施予船體表面的黏滯阻力。
波浪線理論只有船頭與船尾會產生波浪的前提,被一個更基本的理解所取代。這說明行船時產生的波浪,就是整個船體向其周圍的水所輸送的能量。

到了 1890 年代,蒸汽動力已經超過風帆成為商船推進的主要方式。船主們開始對增進煤及後來的油的效率投資更多的投資。在同一時期,全世界也在紛紛建造傅如德於托基做的實驗所用的縮小版模型測試儲水池,而模型測試的結果都確認了傅如德所建構的定律。船舶設計所涉及的科學很快也成為了在那些實驗設施裡工作的工程師與科學家的研究領域(圖5)。縮小版模型的實驗是相對容易與以及低成本,與傅如德的比例定律相結合後,模型測試對造船者以及海軍而言是有成本效益的方式,如此他們能發展有效率的船體形狀,同時降低燃料開支。

圖 5. 一個現代的模型測試儲水池、一座用來研究小型模型船流體力學的現代牽引水槽。由於那些流體力學服贗定義明確的比例定律,小型模型可以用來估計遠洋航行船隻的速率與動力。圖/史帝文理工學院的戴維森實驗室(Davidson Laboratory, Stevens Institute of Technology)同意刊出。

模型測試也逐漸顯露其他影響船隻速度與動力的因素,包括船身摩擦與流入螺旋槳的水流的形態。這些新考量質疑了所有幾何推導出的吃水線有效性。1906 年一篇刊登在暢銷的《工程學》期刊(Engineering)的論文認為:「早期船舶設計者絞盡腦汁要尋找一個『最小阻力』形狀的問題,除了在這個層次之外是仍未獲得解決的。這個層次就是科學的造船者已經知道,沒有哪『一種』船身的形狀能在『所有』的狀況之下都是最容易駕駛的;所謂『最小阻力』的船身形狀則是對應於不同的速率、長度以及其他船身狀物體的變數,有所不同。而約翰・史考特・羅素先生著名的《最小擾動與可能的最小阻力的波浪線形狀》只是演繹自…他所假設的公理[16]。」

該論文明言,這個主題「只能在測試水槽的輔助之下得到闡明」。確實,在 1893 年由美國造船技師大衛・泰勒(David Taylor)所著的、有影響力的著作《船舶的阻力與螺旋推進器》(Resistance of Ships and Screw Propulsion)中,幾乎完全只專注於模型測試結果,而對羅素的波浪線理論一個字都沒提到。

故事還沒完⋯⋯

雖然羅素的波浪線概念無法存留超過 19 世紀,但是 18 世紀明確的理想——最小阻力的幾何固體——活了下來。儘管被指出並無物理基礎,這種固體可能存在的想法仍繼續支配著一些甚至是 20 世紀的工程師。

在最有名的例子,1934 年美國航空工程師大衛・戴維斯(David Davis)申請了一種低阻力機翼設計專利,設計原理完全只基於擺線形狀的幾何考量。回顧羅素的論點——擺線形是最佳化船尾的形狀,戴維斯的專利宣稱他的「最有利機翼形狀」是「發展自一個公式,該公式是基於一個在流體中同時具有旋轉與平移運動的旋轉翼所產生的馬格努斯效應(Magnus effect)[17]」。

最小阻力的幾何固體理念仍持續影響20 世紀的工程師,圖/by Bluesnap@pixabay。

在這裡把馬格努斯效應扯進來其實是有點曖昧的,因為馬格努斯現象只與自旋的物體相干,而戴維斯的機翼並不旋轉。但是即便如此,戴維斯的機翼仍然受到了「統一飛機公司」(Consolidated Aircraft Corp)的注意,這家公司當時正在發展一種新式的長程轟炸機——就是後來的 B-24。當統一公司測試了戴維斯的機翼之後,發現流經機翼大部分表面的氣流都是非湍流的穩定流線,因此大幅降低了阻力。於是飛機公司就採用「老戴機翼」接續製造後來被視為大成功的 B-24。好幾年之後,大家才瞭解到這個低阻力背後的物理是所謂的「層流機翼」(laminar-flow airfoils),工程師們也就在那個時候才瞭解到戴維斯的擺線碰巧落在幾種層流機翼形狀的其中之一。看來戴維斯發表的機翼比較像是碰巧踩到狗屎般的好運而非出自刻意的設計[18]。

約翰・史考特・羅素與他在造船界半世紀長的主導似乎也頗為相似。然而,即使證據顯示他幾何構想的基礎,事實上只是建築在沙灘上的一段時間之後,他那個「最小阻力形狀」依然風姿不綽。部分魅力可能因為他的理論看來就是那麼簡單。但是另一個隱藏在波浪線和其他幾何導出形狀持久不墜背後的因素,應該是羅素作品的視覺美。這世界事實上沒有多少事物能比那些過去歲月中的快速帆船與賽艇優雅的船身還要漂亮。

  • 本文的另一個更長的版本原本出版於《技術與文化》期刊(Technology and Culture)57, 414 (2016).

參考資料

  1. A. Lambert, Int. J. Hist. Eng. Technol. 81, 60 (2011).
  2. B. Marsden, in Technological Development Between Economy and Administration in Great Britain and Germany (19th/20th c.), E. V. Heyen, ed., Nomos (2008), p. 67.
  3. T. Wright, “Ship hydrodynamics 1710–1880,” PhD thesis, U. Manchester (1983), p. 98.
  4. G. S. Emmerson, John Scott Russell: A Great Victorian Engineer and Naval Architect, John Murray (1977).
  5. J. S. Russell, The Modern System of Naval Architecture, vols. 1–3, Day and Son (1864–65).
  6. D. Griffiths, A. Lambert, F. Walker, Brunel’s Ships, Chatham (1999).
  7. J. Verne, Twenty Thousand Leagues Under the Seas, W. Butcher, trans., Oxford U. Press (1998), p. 82.
  8. J. W. Griffiths, Treatise on Marine and Naval Architecture, or Theory and Practice Blended in Ship Building, 2nd ed., Pudny and Russell (1852).
  9. H. I. Chapelle, The Search for Speed Under Sail, 1700–1855, Bonanza Books (1967).
  10. The Literary Gazette and Journal of Archaeology, Science, and Art for the Year 1857, L. Reeve & Co (1857), p. 980.
  11. J. Rousmaniere, The Low Black Schooner: Yacht America, 1851–1945, Mystic Seaport Museum (1986).
  12. D. Kemp, Yacht Architecture—A Treatise on the Laws Which Govern the Resistance of Bodies Moving in Water; Propulsion by Steam and Sail; Yacht Designing; and Yacht Building, 3rd ed., Horace Cox (1897).
  13. C. Pastore, Temple to the Wind: The Story of America’s Greatest Naval Architect and His Masterpiece, “Reliance,” Lyons Press(2005).
  14. O. Darrigol, Worlds of Flow: A History of Hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl, Oxford U. Press (2005).
  15. D. K. Brown, The Way of the Ship in the Midst of the Sea: The Life and Work of William Froude, Periscope (2006).
  16. Engineering 81, 541 (1906).
  17. D. R. Davis, “Fluid foil,” US Patent 1,942,688 (9 January 1934).
  18. W. G. Vincenti, What Engineers Know and How They Know It: Analytical Studies from Aeronautical History, Johns Hopkins U. Press (1990).
  • 本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於 Physics Today, July/2017 雜誌內(Physics Today 70, 7, 52 (2017); http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3627);原文作者:拉瑞・佛瑞若(Larrie Ferreiro)是一位船舶設計師與歷史學者。他任教於位在美國紐澤西州后伯肯(Hoboken, New Jersey)的史帝文理工學院(Stevens Institute of Technology)的系統與企業學院(School of Systems and Enterprises)及亞歷山大・波拉臘(Alexander Pollara)是一位就讀於史帝文理工學院航海安全中心(Maritime Security Center)的博士研究生 。中文譯稿:林中一教授,國立中興大學物理系。
  • Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Larrie Ferreiro and Alexander Pollara, and are published on Physics Today 70, 7, 52 (2017); http://dx.doi.org/10.1063/PT.3.3627). The article in Mandarin is translated by Prof. Chung-Yi Lin, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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血玉石、罌粟花與地下走私——這是「中緬泰」邊境百姓的日常

研之有物│中央研究院_96
・2021/09/13 ・6266字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|姜雯
  • 美術設計|林洵安

孤軍以外的邊境研究

1949 年,一群國民黨軍隊從雲南撤退至緬甸、泰北,成為英勇反共的「孤軍」。但在異域孤軍的故事外,有更多平凡百姓為求謀生,穿梭遊走在雲南、緬甸、泰國的邊境國界,他們的聲音鮮少被聽見。「研之有物」專訪中研院人文社會科學研究中心張雯勤研究員,多年來她循著這些「雲南移民」的足跡穿梭中泰緬城鎮,探究邊境人們獨特的生命故事與面對困境的能動性。

邊境百姓的日常:玉石、毒品與地下走私

在網路上幾乎找不到張雯勤的照片,她的研究也多以英文書寫。「用英文可以讓國際看見這些故事,另一個因素是保護我自己。」

何以需要這樣的保護?

張雯勤做的是「邊境研究」,她長年從事的人類學田野場域,北起中國雲南,向下延伸至緬北,再一路至泰北──這是一片廣闊、複雜且危機重重的邊境地域。

這裡有 1949 年以後從雲南撤退至此的國民黨孤軍村落,也有隨著政治情勢、經濟生計頻繁遷徙的平民百姓,盤根錯節的武裝叛軍勢力,數百年往返滇緬的馬幫貿易,玉石、毒品、物資的地下走私。

張雯勤踏入田野至今已有 27 年。她的研究從泰北孤軍,延伸到雲南移民的遷徙、跨境貿易,以及對於人類學更重要的主題——邊境百姓的日常生活。過去,學界焦點集中在邊區的國家政治治理,但作為人類學家,「日常」有其獨特深刻的意義。

邊境研究在社會學科裡相對冷門,張雯勤透露,剛開始投稿國際期刊,編輯曾誤以為她是男性。

「他們沒有問我性別,認為寫走私的就是男性吧,在論文刊出首頁用『His Mailing address…』來標註我的聯絡方式。」

如同這樣的性別刻板印象,投入邊境研究也是一個不斷突破刻板印象的歷程。

孤軍以外消聲的生命故事

1992 年,張雯勤隻身在泰北旅行,偶然到了泰緬邊境的一個村子,那裡正是臺灣媒體經常報導的泰北難民村之一。

這段歷史得追溯到 1950 年初。當時,一批一千多人的國軍殘餘部隊,在雲南節節敗退後進入緬甸撣邦,抵達與泰國為鄰的大其力。經過集結、招兵買馬,1951 年這批重整的軍隊在撣邦勐撒成立了「雲南反共救國軍」。其後的故事即是一般人所熟知的「異域孤軍」戰史——經歷兩次撤台,部分軍隊落腳泰北邊境,當地人稱作「國民黨村」。

然而,在被歌泣的男性化、黨國化歷史背後,隱藏著邊區遊移政治與無數難民的生活史。

最初,張雯勤帶著既定印象從孤軍將領訪談,研究這些「雲南移民」。但在村子住了大半年,她發現日常接觸的並不是將官,反倒都是大爹、大媽、大嬸、大叔這樣的平常百姓。「臺灣報導裡全是忠貞愛國、異域求生的孤軍,這些普通人完全沒聲音,但他們的生命故事非常豐富。」

於是,張雯勤用了兩年,走訪二十四個邊境村落,此後又一路延展到緬甸,展開二十多年以平民為視角的邊境研究。

右上圖,瑞麗、洋人街、臘戌等是中緬邊境城鎮,跨境貿易和移動頻繁。右下圖,1950 年初國民黨部隊從雲南敗退後,進入緬甸撣邦、抵達大其力,後來在撣邦勐撒成立了「雲南反共救國軍」。1992 年,張雯勤從清邁偶然到了泰北的 Tha Ton,自此展開她的邊境田野研究。圖/研之有物

越界流動,是歷史上的邊境常態

自古以來,從雲南、緬甸至泰北即常有大批人口來來回回遷移,多元族群交織著不同政治勢力,在這塊廣衾的土地上脈動著爭戰、交易營生、多元文化的習作與交流。1949 年因國共內戰及往後二十多年中國政治運動,造成大規模跨境遷徙。

在 1961 年「二撤」之前,留在緬甸的國民黨軍隊主要有五支,其中三軍和五軍最終沒有撤回臺灣,集結於泰北。1970、80年代,他們協助泰國政府剿滅泰共,爾後取得泰國國籍定居當地。

然而在這些「國民黨村」裡,軍人只是一部分,大部分其實是跟著軍隊逃難的眷屬及一般難民。邊境村落或周遭,包含有雲南漢人、雲南穆斯林、阿卡族、佤族、儸黑、傈僳人等各式族群,彼此用不同語言交流。「我很佩服這些大媽,買賣東西的時候,遇到阿卡人,就講阿卡話,遇到百夷人,就講百夷話。」張雯勤說。

平民耕地、做小生意謀生,撤退至緬泰的國民黨軍隊也亦商亦軍,軍隊找商隊馱運物資,商人仰賴武裝保護。對於難民來說,同樣如此,軍隊既保護也剝削他們。於此同時,帶兵的軍官也利用騾馬往返泰緬馱運「黑金」——大煙(生鴉片)。

刀片上是老闆的,刀片下是我們自己的

從我們社會的眼光來看,毒品似乎萬惡不赦,但回歸到當地生活脈絡,這只是平民百姓的一種生計。許多人歷經顛沛流離,沒有身分、沒有錢,最重要的目標皆為了「努力活下來」。毒品、走私因而成為邊境的生存日常。

「他們的童年記憶裡,從小就生活在大片大片的罌粟花田。爺爺躺在蚊帳裡抽煙,但不是每個人都能抽大煙,只有老人家有權利,年輕人頂多是工作累了,抽個幾口。」

現實中備嘗艱辛的生活,經過記憶轉化後的敘事卻呈現出一種近乎迷人的日常:罌粟花很美,年輕人為雇主做工「刮煙」,一邊刮一邊唱歌。罌粟一顆一顆,用刀子劃下去,汁液才會跑出來。劃也不是亂劃,有一定技巧。劃完以後,白色的汁液流出,不能馬上去刮,隔天凝結成暗褐色,才能用一把彎彎的刀刮下來,在刀片上慢慢累積,就成了生鴉片。

「他們說,刀片上是老闆的,刀片下就是我們自己的。」因為汁液大部分留在刀片上,少量落在刀片下,一點點攢起來可以賣錢,這也是一種酬勞的給付方式。

盛開的罌粟花田,景色至美。罌粟是鎮靜劑的原料,提煉後可製成鴉片、海洛因、嗎啡,泰國、緬甸、寮國過去為產地,曾被稱為金三角地帶。圖/張雯勤

毒品議題龐大而複雜,牽涉跨國政治、經濟與利益集團的輸送角力,甚至不乏國家政府涉入其中;但從底層百姓的角度,罌粟田是人們熟悉的生活記憶,採大煙是從小到大的日常勞作。

對張雯勤來說,這也正是邊境研究的重要關懷,在傳統國家中心的分析視角外,看見每個真實的個別生命。她擅於採用敘事書寫方式,爬梳自 1949 年以後,雲南移民從中國西南逃難到緬甸,部份移民又從緬甸遷居他國的歷史,以及他們從事的耕作和跨境商貿。

這些人的生命和動亂時代交織在一起,相對邊緣不被看見,他們怎麼面對生命處境,掙扎、奮鬥、存活下來?我要做的,就是用說故事的方式書寫出來。

民間「影子經濟」:馬幫到摩托車車隊

除了戰事逃難,經濟營生也讓跨境成為邊界常態。雲南多高山,長途經濟活動必須依靠騾馬。由於在山上形單影隻不安全,容易遇到強盜劫匪,商人便集結起來形成了馬幫,這是自古中國西南獨特的商隊組織。

張雯勤提到,1962 年尼溫軍政府上台,隨後實行國有化經濟體制,嚴厲禁止人民自由行動與私有交易,造成緬甸經濟迅速崩解,大量民生用品必須仰賴泰國走私;而進行地下貿易的主要族群,即為定居兩地的雲南移民。

「雲南移民在泰緬邊區的馬幫貿易,雖然奠基於大漢中心主義『走夷方』的文化傳統心態,然而實踐過程呈現不同社群間互助、衝突與協商,突顯邊區特有的地理政治、經濟與文化主體性,以及這個經濟活動內涵的複雜規範和知識。」張雯勤分析。

雲南、緬北多高山,自古商隊便常以騾馬進行長程跨境貿易。在歷史上,雲南人一直往來高地東南亞一帶。這個區域在太平時期提供長程貿易的機會,家鄉動亂之際,更成為避難處所。因緣於他們的流動性,幾個世紀以來,雲南人在高地東南亞已建立許多移民社群與跨境網絡。圖/張雯勤
過往馬幫商隊騾馬身上的騾鈴。圖/研之有物

時代改變,跨境貿易的方式也在改變。

1980 年代,汽車運輸漸漸取代原有馬幫,往來中緬與泰緬邊區,2000 年到 2014 年更出現「摩托車車隊」,穿梭於上緬甸與雲南邊城瑞麗。過去,馬幫由頭人帶領,策劃路線與行走時間,在特定地點向叛軍或官方上稅;交通工具改變了,當代商隊同樣繼承這些「地下貿易規則」。

以緬北摩托車車隊來說,一個車隊約五至二十人,大家先坐車到雲南瑞麗,到認識的摩托車商店買車。通常一個騎士騎一輛、帶兩輛(拆解成零件),厲害的能帶上四輛!

回緬甸不能走正規大路,要趁夜翻山越嶺,路況好的時候,六小時就能抵達緬北臘戌,一路上過村則需要付費給警察。清晨五、六點,臘戌的摩托車市集擠滿了人。除了賣車的,還有販賣偽造車牌的攤位,貴一點用鐵片做,便宜陽春版則是塑膠材質製成。

「我的摩托車車隊研究主軸,一方面引用地下經濟與日常政治理論,分析這個走私行業的運作規則與組織網絡。另一方面,我將它與過去中國西南與高地東南亞之間的長程馬幫貿易,進行比較對照,兩者在結構運作上高度相似,都是根基於地方知識與社會網絡的助因。」張雯勤談到。

她進一步分析:「我因此主張,當今中緬摩托車走私並非隨意運作,而是延續了歷史上長途馬幫貿易的組織精神;但不同的是,當代摩托車走私打破了馬幫貿易的性別專斷(只有男性從事),同時吸納兩性。」

臘戌的摩托車市集。市集裡除了販賣走私摩托車,還有販賣偽造車牌的攤位。圖/張雯勤
緬甸市集販售的「自製車牌」。圖/研之有物

中緬泰的邊境貿易存在已久,民間百姓經常跨境往返。雖然 1950 到 1980 年代中緬邊界關閉,但私下邊境貿易仍然存在,交易的物資包括許多日常用品:農產、醃豬肉、野生動物、熱水瓶、藥材、豬油、鹽巴、被單、枕頭套、膠鞋、布料、熱水瓶、腳踏車,以及貴重的玉石、紅寶、柚木等。

一位玉石商人曾如此形容緬甸:「賣米不合法,賣鹽不合法,賣什麼都不合法,那還可以做什麼?只能走私啊。」這些國家法律不認可的交易,一般被稱為「非法走私」;然而張雯勤認為,用「影子經濟」(shadow economy)或「非正式經濟」(informal economy),更能理解在國家治理視角之外,邊民們為了生存,遊走穿梭邊境的自主貿易。

無論國界是否封鎖、政治角力如何劇烈,平民百姓手無寸鐵,唯能在檯面下運用常民強韌的生存力量,對抗突破國家政體的限制。

大起大落的血淚玉石夢

在跨境貿易經濟鏈裡,普通人民、不同的叛軍武裝團體、政府官員、軍隊等,都共同參與這個地下商業活動。執法者也是違法者,合法與非法關係錯綜交織。

緬甸最著名的玉石貿易,亦是如此。緬甸玉石開挖已有數百年,過去挖玉石叫「挖洞子」。依照傳統,找到未被開採之處,插個樹枝示意為有主之地,就能以簡單的器具挖掘。

玉石產於克欽邦,是叛軍的勢力範圍,在尼溫主政的社會主義時期(1962-1988),雖然政府禁止私人開採,人民依舊冒險盜採。但緬軍和叛軍經常開打,挖掘玉石非常危險。到了 1990 年代初,緬軍和叛軍和談後,由政府接手管轄玉石場,商人必須向政府標地開挖,挖到玉石後上稅,再經過公盤買賣。不過,地下交易走私仍未消失。

窮人沒錢參與標案,常常聚在玉石場,一等商家把廢棄石頭倒出便蜂擁而上,幸運的或許就能找到被錯過的玉石。但採石如同賭命,由石頭堆起的「山」極不穩固,經常崩塌,傷亡慘重。張雯勤回憶看過的「山崩」影片,滿心不忍地感嘆:「在那麼不安全的社會,你得要用生命去營生。」

在玉石貿易網絡研究上,張雯勤打破既有華人關係研究的迷思,這些迷思強調華商成功源於人際關係的信任、忠誠、和諧。但她切入日常政治與法律層面,指出商貿網絡中組織性層次及規範,並藉由這個研究,提出跨越國家疆界、法律,從地區特性、歷史情境去追踪民間跨境能動性。

緬甸翡翠玉石聞名世界,貴重的翡翠藏在石頭內,剖開石頭前,都懷有一絲發財夢。但玉石礦場不時傳出崩塌新聞,無數人魂斷礦區,導演趙德胤拍攝的電影《挖玉石的人》、《翡翠之城》,便真實呈現當地人冒險挖石的血淚情境。圖/張雯勤

沉默卻堅韌的邊境女人們

性別關係是張雯勤的另一主要課題。「女性移民經常被忽略,尤其是具有軍事背景的雲南移民團體,多數報導、研究只集中在軍事與走私活動,婦女如何在不斷遷移的過程中,扮演日常生活實際供養者與文化意義延續者,卻被視而不見。」

論文中,張雯勤以一位段大嬸的生命故事,爬梳冷戰時期在紛亂的泰緬邊區,女性如何因應複雜的政治軍事生態。她們一方面穩定了家中的經濟,又成功支助男性出外打仗或跑馬幫過程所需的定點補充。論文處理了馬店與雜貨店的經營──這是雲南移民婦女在長程馬幫貿易上,不被看見的經濟角色。

2010 年,張雯勤到泰北邊境的村子田調,剛巧就住進了段大嬸媳婦開的民宿。幾日的停留,張雯勤與段大嬸一起剝著大蒜,聽著她的生命故事。

段大嬸是雲南漢人,少時與家人隨國民黨軍隊輾轉逃往緬甸、泰國。她結過兩次婚,都是部隊軍人,也都早早離世,留她一人流離遷徙,獨力撫養孩子。沒了丈夫,一個女人在邊境村落要靠自己謀生立足,艱辛可想而知。還好段大嬸很有生意頭腦,她買騾馬馱運貨物到少數民族村販賣,後來又開起了馬店和雜貨店,接待往返泰緬的馬幫商隊。

但邊境的生活永遠充滿挑戰,一遇戰事,門來不及鎖就得逃命。有一次戰事又突然爆發,當時下著傾盆大雨,段大嬸抓了雨衣就逃,沿路頭上是盤旋的飛機,身旁是落下的子彈。幾天後,當她再返家才發現鋪子裡的東西全被軍人拿走了。但別說財物,在那樣混亂的時代裡,平民百姓只能在縫隙裡拚命求生,活下來已是大幸。

邊境村子如同段大嬸這樣的女人很多。男人無論做了什麼、數年未歸,只要回家,女人還是必須接納他們。傳統性別的限制與突破,就如同邊境日常的曖昧與多重性。

因為環境險惡,性別限制得以被打破,女性在輾轉遷徙中獲得更多自由與賦權空間,但並不代表她們能完全擺脫傳統框架。

張雯勤指著地圖,說明段大嬸的流離遷徙路線,她解釋:「段大嬸的故事呈現了雲南移民婦女過去不被看見的經濟能動性,尤其是在泰緬邊區長程貿易中的重要角色,這是以往在馬幫經濟文化研究從來沒有被討論的。」圖/研之有物

投入田野近三十年,張雯勤以人類學為根基,結合歷史學的深度,進行跨國界多點的田野研究。她從邊境百姓的遷徙著手,透過「非正式」的邊境貿易,梳理跨境流動的曖昧與多重性。

她的研究瓦解了「合法」與「非法」之間的界限,突破由國家法律先行的刻板印象,並提出「跨境民間」的概念,來理解這個區域不曾中斷的民間跨界與流動。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook
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