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思维的格子·41|摩擦与黏性:托着你的,也是阻力

1883 年前后,一位英国工程师在火车车轴的轴承顶上留了一个给油的孔。机器一转,油没有往里走,反倒往外冒,堵上去的木塞也被一点点顶了出来。

“两个表面被一层油完完全全、一刻不停地隔开了;维持这层油的,是轴自己的转动。”
——奥斯本·雷诺

向谦备忘录,启发小进步,我是徐向谦。

一个被顶出来的木塞

先把一样东西摆到眼前。

火车车厢的重量,最后都压在车轴上。车轴要转,又要扛住这份重,中间得有个东西从上面托着它。十九世纪的火车上,这个东西很简单:一块弯成半圆的铜,扣在转动的车轴上面。中文管它叫轴瓦,样子也确实像一片扣下来的瓦。

车厢压着瓦,瓦压着轴,轴在瓦底下转。两块金属贴着磨,就得加油。

十九世纪八十年代初,英国机械工程师学会请工程师比彻姆·托尔做一组试验:这样的轴承,怎么加油,摩擦最小。他照着车轴的样子搭了一台机器:一根轴由机器带着转,上面扣一片铜瓦,瓦上压着很重的东西,顶上留着一个加油的小孔。

几种常见的加油法,量出来的摩擦都忽大忽小,同样的条件重复几回,数对不上,连个准数也给不出。只有一种不一样:在轴底下放一池油,让轴的下半截整个泡在里面,转起来自己把油带上去。

这一回,摩擦小得多,也稳得多。可瓦顶上那个加油的小孔出了怪事:油没有往里走,反倒从孔里往外冒。

他拿一个木塞把孔堵上。机器再转,木塞被一点一点顶了出来。

后来他不堵了,在孔上接了一只压力表。表上的压力,比整片瓦平均受的压力还要高。再把瓦上各处的压力加在一起——正好顶得住压在上面的全部重量。

也就是说,那根轴根本没有贴着铜在转。轴和瓦之间隔着一层油,上面压下来的全部重量,都是那层油顶着的。

1883 年,托尔的第一份报告发表。三年后,英国物理学家奥斯本·雷诺把其中的道理算清楚了,论文题目里就写着托尔先生的试验。

顶住那根轴的,是油的稠

一层薄薄的油,凭什么顶得住压在上面的那么重的东西?

答案落在一样平常听上去像缺点的性质上:黏性。黏性,说的是液体里一层要滑过另一层有多费劲。蜂蜜比清水稠,流得慢,就是这份费劲。说白了,它是液体自己身上带的一份阻力。

轴转的时候,贴着轴的那一层油跟着它走,又拖着外面一层,一层拖一层,被一路拖进轴和瓦之间那道缝里。瓦压着轴,这道缝越往里越窄。就像一群人被推进一条越走越窄的巷子:后面的还在往里推,前面的出不去。压力就这么起来了,把瓦往上顶。

这里面每一步都靠那份费劲。油要是一层滑过一层毫不费力,轴转它不跟着转,拖不进去,也就挤不出压力。油越稠、轴转得越快,这股往上顶的劲越大;压得越重,油层就越薄。 雷诺那篇论文里,还专门量了橄榄油有多稠——题目的后半截,写的就是这件事。

所以顶住那根轴的,不是油有多滑,是油有多稠。托着你的,也是阻力。

摩擦是同一件事的另一面。你往前迈一步,推你往前走的,是地面给鞋底的那份摩擦;到了冰面上,同样的一步,人只会原地打滑。手握得住工具,绳结系得牢,靠的也是它。世上没有不带摩擦的表面,只有阻力大一点、小一点的表面。

阻力有一个最低点

既然这样,油是不是越稠越好?也不是。

1902 年,德国工程师理查德·斯特里贝克把润滑轴承的摩擦画成了一条曲线。后来讲这条曲线的人,通常把它的横向写成三样东西凑成的一个数:油的黏性,乘上转速,再除以压着的重量。

从油层厚的那一头往回走:摩擦主要来自油太稠、拖着走,油稀一点、转慢一点,摩擦跟着小一点。小到某一处,是整条线的最低点。

过了那一点,事情就变了。油层薄到托不住,两块金属表面上那些微微高出来的点开始碰上,摩擦往上走,磨损也跟着来了。一直走到尽头,就是金属贴着金属,轴承咬死。

托尔在报告里写过一段话,比这条曲线早了将近二十年。他说那些不用油浴的试验,结果大体上乱得很,几句话就能说完:摩擦的大小,取决于油有多少、分得匀不匀,可以落在油浴的结果和咬死之间的任何一处。

最低点的左边,摩擦不光大,还没个准。

阻力少过那个最低点,你得到的不是更顺,是硬碰硬。

一根谁都能拉的绳子

换到人这边,有一个例子很贴。

丰田汽车的工程师大野耐一,在装配线上每个工位的头顶挂了一根绳子。工人碰上自己解决不了的问题,就拉它,整条线马上停下,一组人围过来一起解决。

这等于在一条线最顺的地方,亲手加了一道阻力——拉一下,就像从水里一下子进了水泥。大批量生产的老路子,是让线一直走,有毛病的车先放过去,攒到线尾再返工;毛病走得越远,改起来越贵。刚开始试的时候,线停个不停。等各组把问题一个个追到根上,出错才一路往下掉。

几位研究汽车工业的学者后来写书讲到丰田的高冈工厂,有这样一句:在高冈,每个工人都能让线停下来,可线几乎从来不停——问题提前解决了,同一个问题不出第二回。同一本书里写到的通用汽车工厂,只有高层管理者能为安全以外的原因停线,线却因为机器和送料的毛病,时常停下。

能停的,几乎不停;难停的,反倒常停。那根绳子,就是那层油。

阻力是好东西,那就多垫几层?

你心里可能已经冒出另一句:

「照这么说,阻力是好东西。那我给自己多设几道关、多垫几层,总归稳当些?」

也不是。那条线的另一头同样是真的:油太稠,轴拖着走,费的力气一点不少。要找的不是多,也不是少,是那个最低点。

麻烦在于,这个最低点会挪。压得越重、转得越慢,要托住那根轴所需的那份稠就越多。同一层油,平时刚刚好;一到压得最重、转得最慢的时候,就托不住了。 发动机里的轴承,磨得最凶的往往是起步和熄火那一阵:转得慢,油层还没立起来,或者已经塌下去了。

人这边也一样。平时一句口头招呼就交接得清楚的事,赶上最忙的那一周,就得多写一页纸。

能跑起来就算过

我三十二岁才开始学写程序,从苹果的 Swift 入门。起步很慢,卡住我的多半不是写不出来,是术语——教程里的一句话,常常有好几个词不认得,每个都得停下来查,一查又带出新的词。

后来我给自己找了个省事的办法:不认得的词先跳过去,照着教程一行一行敲,程序能跑起来就算过。

那一阵确实快。可一到要自己改一处——换个写法,添个功能——我就寸步难行:改了这里,坏了那里,报错的提示一句也看不懂,因为那里面全是我跳过去的词。

我那时以为,术语是挡在我和代码之间的那一层,绕过去就顺了。后来才明白,它正是垫在我和代码之间、让我改得动它的那一层。 把它减掉,我没有变快,是直接跟代码硬碰硬。

减之前,先看它托着什么

两个小动作,今天就能试。

第一个:嫌一个环节慢、想删掉它之前,先问一句:它拿掉以后,哪两样硬东西会直接碰上? 一道确认、一次例会、一份交接说明、一门手艺里那些绕口的术语,都可能是那层油。比方说,两个人之间那条“发出去之前先给对方看一眼”的老规矩,平时显得多余;删了它,省下的是一点工夫,碰上的是两个人的想法直接顶在一起。答得出是哪两样,先别急着删;答不出来,再删不迟。

第二个:一次只减一层;减完,等一回最重、最急的时候再看。 平时顺,不算数——那层油平时本来就觉不出来。要看的是事情压得最重、走得最慢的那几天:返工有没有变多,同一个错有没有反复出,两头的人有没有开始顶。一旦有了,就退回上一步。你刚刚越过的,就是那个最低点。

停下来看,它不在

回到托尔那个孔。

那个孔本来是往里送油的。那一天,油从里面往外走,还把塞子顶了出来——那是那层油自己露了一回面。

雷诺写这件事的那句话,后半句很容易读过去:维持这层油的,是轴自己的转动。

它不是一样摆在那儿的东西,是转出来的。把轴承停下拆开,只看得见薄薄一层残油;轴转起来,它又把摩擦压得那么小,小到几乎觉不出。停下来看,它不在;转起来摸,也摸不着它。

你嫌慢、想删的那些环节里,大概也有一两样是这个样子:平时看不见,也摸不着,要等它被拿掉以后,你才头一回听见两样硬东西碰在一起的声音。

格外的话

那条曲线的形状,中文里早有四个字:过犹不及。两头都不好,中间有个最好——这一层在中文里接得住,古人早说过,用不着一条曲线来教。

可这四个字有一处要打折。过犹不及把“过”和“不及”摆在两头,听上去一样糟。那条曲线上,两头并不一样:稀过了头,是两块硬东西碰上,伤的是表面;稠过了头,是拖着走,费的是力气。力气这回费了,下回还能省;磨掉的那一层表面,长不回来。所以拿不准的时候,我宁可稠一点。

有一条反驳,放在人身上格外有力:一件事被拖得太久,人会走,心会凉,走了的人一样回不来——稠过了头,也会伤。我没有更好的答案,只有一个分辨的办法:看多出来的那一截,是让你慢了,还是让你伤了。 慢了,可以再调;伤了,先停下来。

最后一层,是我自己多想的一步。

托着你的那一层,干得最好的时候,正是你最觉不出它的时候。 油层完整,摩擦就小得几乎可以不算;一样东西看上去什么也没干,它就最先被当成多余的。讲摩擦的人爱收在一句话上:减少阻力,往往比加大力气容易。这话我同意,只加一个前提——减之前,先分清哪一份是挡在你前面的,哪一份是垫在你底下的。

换个模型,再想一遍。

多一个模型,多一双眼睛。

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向谦备忘录,愿你每篇都有收获,我们下篇见。