仅用15分钟，当年北大青年教师破解纺织厂断纱难题

图源：Unsplash / Bergstrand Consultancy

导读：

科学本身产生于观察，工农业等实践一方面为人类提供了丰富物质，更具推动作用的是，在实践中观察现象为人类提供了认识自然和物理规律丰富的机会。连接科学规律与工农业实践，正是技术科学的核心价值。

作为运用技术科学的一个案例，北京大学教授陈耀松、西北工业大学教授陈效鹏在本文回顾了60年代解决“静电纺纱”工艺难题过程中，准确运用了静电学和流体力学基本原理，从而解决了技术问题。

两位作者表示：我国正在全面推进“科技强国”战略，而技术科学正是破解“基础研究与产业应用”脱节的关键抓手，尤其期待广大科技工作者能够参与其中且得心应手。

在文章《<理论力学>名称的由来》中[1]，陈立群教授指出，“理论力学”最早的源头是牛顿所称的“理性力学”，即用严格的命题和证明所表述的力学。牛顿在其1687年的著作《自然哲学之数学原理》中，把力学分为“理性力学”和“实用力学”。1884年，法国工程师、力学教育家德佩鲁斯在《力学教程》序言中明确了理性力学包括静力学、运动学和动力学三部分，并进一步讨论了理性力学与应用力学的区别。他认为，力学的论证是理性的存在，即只是人们大脑中的设想，而并不是自然界的描述；要应用于自然界等，需要评估基本假设不能严格满足时导致的误差等，这些研究属于应用力学。

虽然后来“理性力学”的叫法被“一般力学”、“理论力学”等所取代，但我认为“理性”二字却指出了力学、数学等自然科学理论的一个重要特点，即它们都存在于人的大脑中，是大脑“理性”的产物。人们常说“数、理、化”，而“数”以人脑为基础，按人脑能接受的逻辑推理进行研究，研究的目标之一是扩大这推理的内涵。数和数的逻辑推理既是人类大脑能够接受的概念和思维模式，也是人类认识世界的最高形式。以数以及数之间的关系表示的物理定律是人们认知中的世界，但它不等于人们观察到的现实世界，两者之间通常有一点差别，犹如工程设计中的“公差”。

自然科学所研究的是人们认知中的抽象化的世界，工程技术所解决的是现实世界中的生产实践问题，而将两者相结合的，正是技术科学。它既基于自然科学原理，又直接服务于工程实践。作为技术科学的一个应用案例，下面我将回顾之前解决“静电纺纱”断线问题的经历。

1966年2月，文革前夕，上海纺织局为解决静电纺纱的断线问题，专程来北京邀请专家到上棉九厂“会诊”。当时主要请了清华电机系“一老一少”两位教授，其次是纺织研究所的研究员。至于我，他们以输送气流中“群纱乱舞”需要整治为由，把学流体力学的我也捎上了。我当然高兴，一年前儿子一出生便送到老家，求我大嫂帮忙抚养。这次以技术顾问的名义出差来上海，可以顺便看望我家“大少爷”。

出发前，我听同行说过“气流纺纱”。现在用静电，如何纺纱法？其实我都未见过，怎么“顾问”得了？不管它，好在有清华的专家顶着。当年出差靠火车，北京到上海20小时。提前一天上车，第二天清早到上海。上海纺织局的领导很重视，在市委大楼接待。这个大楼在外滩，门前有两只“大狮子”，曾经是汇丰银行所在地，我对外面很熟悉，里面从未进过。一番客套后就吃午饭了。听说上午相见时，纺织学院钱院长也来了。哈，这不是我教研组钱敏他老爸？当时我没有向他问声好，下午一定要补上！可下午我们直接去国棉九厂，没再见到钱院长。后来回北京见到钱敏，我第一句话是：“我见到你爸了。”钱敏当即说：“你见到我爸了！那我问你我爸戴不戴眼镜？”这下把我考住了。我确实见到他爸，局长可以作证，只是上午我还不知道哪一位是钱敏他爸。这个有没有戴眼镜的问题真比“哥德巴赫猜想”还难，我答不上来。

言归正传，到上海的当天下午，我们就进现场观看“静电纺纱”实物，与如今从百度查到的完全一样。静电纺纱的工作原理是[2]﹕棉条经刺辊开松为单纤维，利用气流把单纤维吸走，通过输棉管送入静电场。在高压静电场的作用下﹐由于极化和电离作用使纤维两端呈现相反的电荷﹐产生静电力。静电力沿纤维线径的分力使纤维伸直﹐并沿线径分力较大的一方移动；垂直于线径方向的分力使纤维转动按电力线方向排列﹐并向电场中心移动﹐凝聚成自由端须条；纤维因感应生电便沿电力线方向运动。凝聚在电场中心线上的自由端须条经过加拈器加拈成纱﹐然后由引纱罗拉引出直接卷绕成为筒子。（见图1）

图1 静电纺纱原理

当年见到的纺纱设备几乎与此（图1）完全相同，只是电场罩壳两端不是半球，是平的（见图2）。工作时，纤维由气流送入。在罩内主纤维束周围的气流涡动带着纤维“乱舞”。靠近罩壳壁面便是大大小小的短纤维小球，场景犹如北京春天的杨花！

据研究人员说：“这些小球很不稳定，它不断长大，大到一定程度就被气流掀起附在主纤维束上。纤维束在高速捻转，小球拧不动，就集中捻前端的纤维，以致断纱。现在平均每小时要断一次，如果能改善到两个半小时断一次，这个设计就有实用价值”。我是学流体力学的，他们希望我能设法使气流不要“乱舞”，让纤维由电场平稳地引入主纤维束。

图2 1966年上海纺织局纺纱设备示意图

流速超过一定值，必然“乱舞（湍流）”。这是上帝规定的，谁也不得违。这与外行说不清楚，我还是从电场想办法。流体运动中有一类“位势流”，它的数学形式就是“调和方程”，它与“静电场”的数学形式完全一样：ΔФ= 0（在流体中Ф代表速度势，在电学中它代表电势）。如何改变电场，对熟悉改变流场（指位势流）的人来说没有困难。而实践上改变电场环境远比改变流场环境要容易（读者不妨找张履谦院士在《清华校友通讯》上写的回忆录，看他如何用易拉罐作“天线”）。当时我就建议，在原有高压电极周围加一圈低压电极。

图3 改造后的纺纱设备示意图

加上低压电极之后（见图3），罩内的飞丝没有了，纱线再也不断了。本来试验的工作是观察断纱的时间间隔，它要是不断，就不容许中途停下来做别的。只要纱不断，我就得陪着，却一直等不到它断。后来回北京之后，也没有再听到断纱的消息。

为了突出电场改变的影响，我在此再画两张示意图作比较（图4左:原先结构；图4右:改后结构）。

图4 电场改变的影响示意图

虚线代表纺纱罩壳，它用有机玻璃制作，不影响电磁场行为。电力线与等电位线垂直。相联的导体是等电位的。用导电体很容易改变电位场。在这一实例中，增加高压部分用一般锡纸即可。

总之，依靠数理形式相同，我以熟悉的流体“动向”调整电力线方向，解决了静电纺纱的断纱问题。总共只用了一刻钟！

某些看似复杂的工程问题，如果能够联想到适用的自然科学理论，就能够快速解决。把理论与实际相结合，这正是技术科学工作者应学习和具备的能力。正如钱学森先生在《论技术科学》中指出的那样：“如果我们要把自然科学的理论应用到工程技术上去，这不是一个简单的推演工作，而是一个非常困难、需要高度创造性的工作。”“一个技术科学工作者的知识面必然是很广阔的，不但知识广，而且他还必须要能够灵活地把理论和实际结合起来。”

此次解决静电纺纱断纱问题的经历，不禁让我想起冯·卡门的一个故事，众多介绍冯·卡门的书籍中都有记录：一天，一位工厂主的机器一开动就强烈振动，眼看着机器可能会损坏，他便向冯·卡门求助。冯·卡门到工厂检查了几分钟后就对工厂主说：“小事一桩，你把齿轮旋转90度就好了。”工厂主照做后，机器果真不再振动，开心的他在看到冯·卡门开出的账单后却傻眼了，生气地说：“你就说了一句话，怎么要这么多钱！”冯·卡门倒也干脆：“你把齿轮转回去，我就撕掉账单。”工厂主顿时无言以对。这两次解决问题的过程确有异曲同工之妙！

以上“静电纺纱”的问题也可以进一步扩大到一大类静电作用与力学相耦合的问题。20世纪60-70年代以来，人们对于电介质行为、电场作用力已经有了全面的认识，从而可以完整地建立起Navier-Stokes-Maxwell静电流体动力学方程体系（注：笔者主要从事流体力学研究，在此仅仅对所了解的流体力学方面的工作进行介绍。）：

方程(1a-c)是电学方程，（1d-e）是流体力学方程。其中 (1c)包含了第一部分的电-力耦合，电荷输运需要同时考虑电场作用、电荷扩散和介质运动：

方程(1e)中包含了第二部分电-力耦合，电场力可以驱动流体：

其中，f 表达式第一、二项为库仑力和介质极化作用力，第三项为电致伸缩作用（电介质材料在电场作用下发生弹性形变）。

采用这套理论，除了可以进一步解释千奇百怪的物理现象，比如液滴的库伦破碎、电场作用流动的稳定性（电伯纳德对流）等，还可以引导我们更好地利用相关现象。基于静电作用-流体运动耦合，人们开发了众多技术，显著支撑了现代工农业生产：

1. 电流体强化传热：通过电场作用，促进传热媒质流动，从而提高传热效率；

2. 电流体驱动泵：利用直流或者交流电场，驱动管道壁面电荷运动，从而驱动管道流体流动。

3. 电场作用下提升液桥稳定性：利用平行于圆柱液面的电场作用，抑制“液桥”天然的失稳趋势（Rayleigh-Plateau稳定性），促进材料制备品质等。

4. 电场作用下的液滴的库伦破碎（质谱仪技术）：带电液滴随着尺度的减小（比如蒸发），其中的电荷斥力会积聚增加，从而导致液滴破碎，发射出更加细微的带电液滴（见图5）。通过现代技术，测量这些飞沫颗粒的电荷质量比，可以推测液体/溶质分子的成分。

图5 液滴的库伦破碎

5. 静电纺丝（Elecstrospinning）和静电喷雾（Electrospray）：不同于“静电纺纱”，静电纺丝和静电喷雾利用了液体表面的电场拖曳作用，使自由液体加速和收窄形成细射流，这个过程中通常伴随明显的液面锥状化形成，即Taylor锥（见图6）。对于非牛顿流体而言，通常最终发展成微米级的纤维，而低粘度的牛顿流体会破碎成小液滴——这些在材料制备、药物、农业等领域具有广泛的应用。

图6 液面锥状化形成

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