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《三体》电视剧的第29集，都看过了没有啊？
* N* _* z' }2 j. e这一集堪称神作，近乎完美展现了原著第一部里的高潮情节——古筝行动。  《三体》电视剧海报 | 腾讯视频 # u. @& w2 x, k/ o. u% p
这是全球军方的一场联合行动，利用剧中人物汪淼研发的纳米材料“飞刃”，在巴拿马运河最窄处拉起数十条纳米细线，如同古筝上的琴弦。 ) X0 A) U( E$ S- p, Y% A/ Z n4 A
当地球叛军ETO的大本营——“审判日”号巨轮驶过时，强度极高的细线将巨轮切割成了40多张薄片，一举消灭了船上的ETO成员，同时截获了三体人的重要信息。  被“古筝”切成数十张薄片的“审判日”号巨轮 | 《三体》电视剧 * y6 z7 X* M- W3 n
电视剧《三体》复现了这一情节，巨轮像豆腐一样被悄无声息地切开后又像一叠扑克牌那样向前摊开的场面，令人拍案叫绝。
: b1 k$ E/ v! X+ t+ N7 a6 S& [尽管《三体》是一个科幻故事，但对于如此令人印象深刻的古筝行动，不少读者难免会有一丝好奇：现实世界中真的有细丝能切割巨大的轮船吗？
4 q$ {! W( I- g+ g古筝行动，现实中可行吗？
; i3 G- | O/ R6 C7 G$ b8 H" C在我们的日常生活中，细线切开物体的例子比比皆是。 ) E! m+ I2 s- o6 A4 Y3 i
一根铁丝能轻松切开豆腐，切蛋器的钢丝能将鸡蛋切片，还有风筝线割伤人的身体甚至汽车车身的新闻…… 8 ^1 i$ p5 \' L6 b
似乎细线状的物体，就是为切割而生的。  切蛋器的原理和古筝行动类似 3 z: x" M, S; J+ F$ n/ M z/ [6 g
细线能切割物体，一个重要原因是能够在物体表面产生巨大的压强。 ! W8 V3 E" f( k" W
压强是物体在单位面积上受到的压力，在压力相同的情况下，细线和物体的接触面积很小，巨大的压强使物体变形甚至割裂。
# L4 \0 M# L6 ]$ ~1 L压强的单位是帕斯卡，简称为帕（Pa）。  钉子可以钉进木板，保龄球瓶却不行，就是因为压强不同｜可汗学院
7 x9 L! m0 T& p0 u而对于被细线切割的物体，要评判它容不容易被细线切断，一个重要的指标就是硬度（hardness）。 ! L4 F0 `+ k: a/ {* F2 g
按照材料力学的定义，硬度是材料在一定条件下抵抗硬物压入其表面的能力，压入表面的形式包括变形、划痕、切削等等。
% b, F) ^4 y; B5 J5 d以豆腐、蛋糕为例，用手一捏就会变形，硬度很低，找一根铁丝就很容易切开；而钢铁的硬度很高，用细线切开绝非易事。
& ~( u/ E* v; N: d0 m衡量材料硬度的标准有很多种，比如说大家熟悉的莫氏硬度（Mohs scale），是根据矿物相互刻划的划痕来定义的。不过，莫氏硬度并不能反映材料的绝对硬度，不利于定量分析。 O! _: S" S, O/ |& o- N0 x/ q+ a* O( h
一种较多采用的硬度标准是布氏硬度（Brinell scale），测量方法用硬质合金球压头在材料上施加力使其产生永久压痕变形，实验施加的力除以压痕的表面积就是布氏硬度的值。  测量布氏硬度的示意图 | Wiki
( t9 v. l) |& ^' X* L同样是力除以面积，布氏硬度的单位和压强正好相同，都是Pa。 1 V- A9 j m7 M; e9 i
钢铁的布氏硬度一般在200 MPa左右，1 MPa等于100万 Pa。这个压强有多大呢？大概相当于800头大象同时站在你的一只脚上。施加如此大的压强才能造成形变，可见钢铁的硬度有多高。  钢铁的布氏硬度很高，以MPa为量级 | Dreamstime
0 t' q$ z6 b& q* a. Y! b: z& C7 d虽然细线与材料接触面积小，但是要突破钢铁的布氏硬度进而实现切割，对力学性能的要求还是过于严苛。
$ H0 @- W0 k- d3 l v1 P3 b在小说的设定中，切割巨轮的细线粗细大约相当于头发丝的十分之一，直径大概是10微米左右。对巨轮的拦截长度不妨计为20米。简单估算后可知，要达到200 MPa的压强，每根细线在垂直方向上所受的力高达40000牛顿。  垂直方向上受力40000牛顿，相当于细线上踩了一头大象 | 图虫创意 # O P# W2 O% y b; o6 K0 `
不仅需要几十米的长度，还要在侧面受到极大的压力，切割过程中还有磨损与发热，这是直径只有10微米的线状材料难以承受的。
# O1 `. Q' j! g, s* D' U8 O在未来很长一段时间内，人类可能都无法找到合适的材料，制备出如此强大的细线。 3 x1 d f b# g% J
机械工程中的“线切割”
: W% P( d3 k+ C" s虽然古筝行动在现实中暂时还很难实现，但是在实际的工程技术中，用线状工具切割材料的场景并不少见。 ; g8 y/ r! [* h1 b( l
线锯（wire saw）就是一种专门用金属线或缆绳切割大块固体材料的工具。典型的金刚石切割线，结构是利用烧结、电镀或钎焊等方式将金刚石磨粒固定在高强度钢线上，与待切割物体进行高速磨削运动，从而达到切割的目的。从宝石、水晶到花岗岩、钢筋混凝土，金刚石切割线几乎可以切割任何硬度小于金刚石的材料。  线锯切割花岗岩 | optimaindia.com
' @0 Y5 _5 ]; {' i0 g) O9 @; o机械制造业中还有一种叫做“线切割”的加工技术，全名是电火花线切割加工（Wire Cut Electrical Discharge Machining）。加工方法是用一根移动的金属线充当电极，在电极与工件之间施加脉冲电压进而产生火花放电，放电产生的瞬时高温将工件表面熔化或汽化，通过控制电压即可将工件切割成预想的尺寸和形状。  线切割技术用电火花熔化材料 | sl-machining
' d( v0 {3 |! O6 E. U虽然表面上同样是用线状物体切割材料，线锯和线切割的原理和古筝计划中细丝切割轮船完全不同。
( z1 w2 q8 M( W' E2 J3 D线锯切割主要依靠材料之间的高速摩擦，而线切割与其说是“切”，不如说是“烧”，是用火花放电的高温来对材料进行加工，金属丝甚至没有和材料发生接触。
4 U& g" I- _: E与之对比，古筝行动中的细线单纯用硬压的方式切割轮船，只能说是小说的剧情需要。 9 O' x# D/ x2 g$ c) j a
无坚不摧的“水刀” & X* S4 _; L4 ?0 W
让我们刨根问底一下，如果我就想通过极高的压强直接暴力击穿和切割钢铁，在现有技术条件下能否实现呢？
W! T) J# c0 z! S7 C% W能！大名鼎鼎的“水刀”就是。 * V, S- I' C" @+ m7 o
水刀即高压水射流切割技术（Water Jet Cutting），水流经过增压后从口径极小的喷嘴中喷出，形成射速可达1000米/秒（约3倍音速）的“水箭”，凭借超高的压强切割接触的物体。  水刀切割手表 | Interesting Engineering
, N" s3 r5 P% @) i( R! F: s/ C7 r上文提到钢铁的布氏硬度大约是200MPa，而水刀的压强最高能超过400MPa，已经远远超过大多数材料能够承受的极限。 + \! a" A' q" \( {; K
不仅如此，水刀的水流中还会混入磨料颗粒，从而获得锯条的特性，进一步增加切割能力，几乎可以切割任何硬质材料。  y2 X2 |" D5 v& u: _' o
1 O6 ^2 p4 d+ K; L$ o/ n$ I. k. C" l 水刀切割8英寸（约20厘米）厚不锈钢块 | SchGo Engineered Products, Inc.
2 a {$ k+ f1 K" N然而，即使是削铁如泥的水刀，和古筝行动中细线的切割能力相比，还是差得很远。
* I6 G- K M( I+ j7 X水刀的水流在喷出喷嘴后会发散，还会受到空气阻力的影响，因此能量随距离快速衰减，切割厚度最多达到10-20厘米的量级，对于切割巨轮那么庞大的物体完全无能为力。 - s2 E& \3 s/ U! V/ r
更不用说水刀工作起来声势浩大，像古筝行动那样悄无声息割船于无形，也是不可能做到的。 . {$ u& y3 ?' _9 |3 Q1 q9 [
割船不是目的，太空电梯冲呀！ ( X; Q7 B! _+ v6 j$ i: {' M6 f5 t
恐怕真的要像《三体》的科幻设定那样，等人类发明出力学性能超强的材料，即“飞刃”，才有可能完成古筝行动这样的“邪招”——既不动声色杀全船人于无形，又最大限度确保不知道存在哪里的三体人信息不被破坏。  这样的场景，暂时还只能是科幻 | 《三体》电视剧
- d* W; I) W* ^: v, |% V2 y如果人类真的能够发明出力学性能如此强大的材料，那么它将拥有极其广大的应用场景，绝不只是切割一艘巨轮这么简单，更会为人类文明带来跨越式的发展。
6 _7 \( R6 _! O在《三体》的故事线里，正是因为汪淼解决了“飞刃”的量产问题，这种无比坚韧的纳米材料才在续作里应用于太空电梯的制造，使得200年后的人类得以大规模进入太空，组建起了由2000艘星际战舰构成的庞大太空舰队，信心满满地正面迎战三体文明发来的先遣探测器。  《流浪地球2》里的太空电梯，用的也是汪淼的“飞刃”吧…… | 《流浪地球2》预告片 8 y& A+ j# F2 L7 H+ b
只可惜，如此令人艳羡的太空技术飞跃，三体文明看在眼中，其实并不在乎…… （不能再多说了，要不就剧透到第二部了。） 2 j" v: B H3 x$ b% x3 [" ]+ d6 a6 y
好在，现实世界里人类并没有面临三体危机，也不需要用古筝行动去切割巨轮，但像太空电梯那样能够大规模低成本迈进太空带来的好处却是实实在在的。
( ~8 i [( }6 \# B$ t现实世界的“汪淼”们加油！
+ q- o; Z# |2 o6 {! C( W5 o* \/ a% S7 U毕竟，我们的征途是星辰大海。 9 A9 }- F8 ]6 V% @4 _* A
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发表于 2023-2-20 14:17:13
