本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
剑在专家拔剑时悄无声息地离开剑鞘。它发出的唯一声音是划破空气时的呼啸声。这可能是你听到的最后一个声音。
当我不写作科学文章时，我的业余爱好之一是剑术。 具体来说，我正在户山流拔刀道门下，在纽约的Sang Kim 老师处学习，这是一种非常强调使用被称为katana（武士刀）的日本刀进行劈砍和对练的流派。 我也尝试过追随列支敦纳著作的德国长剑传统，在纽约历史击剑协会学习，并且渴望学习更多。
https://www.youtube.com/watch?v=jhrAItZrO6U
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（那是 Sang Kim 老师在劈砍。 很棒，对吧？）
为什么要研究剑？几个世纪以来，剑的故事一直吸引着人们——例如，亚瑟王传说中的Excalibur（石中剑），《罗兰之歌》中的Durandal（杜兰达尔），以及正宗和村正的著名（和臭名昭著的）刀刃。 即使是现在，剑仍然不断地出现在流行文化中，例如视频游戏系列《光环》中的人工智能 Cortana，她的名字来源于《罗兰之歌》中的一把传奇之剑 Curtana，或者动作片《杀死比尔》中的服部半藏之剑。
在这个新的系列文章中，我希望通过展示剑如何帮助人们学习科学来增加剑的魅力。 我将从剑挥舞时发出的声音开始。
为什么要关心剑发出的声音？ 我可以随意地说，它们帮助盲剑客座头市听到他的敌人
https://www.youtube.com/watch?v=F1HgAuU1TZs&t=12m17s
更严肃地说，我会说剑发出的声音可以揭示它是否能切穿目标。 我们流派的关键目标是实现正确的刃筋 (hasuji)，或“刀刃线”。 刀刃的角度应与剑的切割路径相同。 如果剑在挥舞时刀刃晃动或倾斜错误，则可能无法切穿目标。
你不需要砍击固体目标就能知道你的刃筋是否正确——剑在挥舞时发出的声音，日语中称为太刀风 (tachikaze)，或“剑风”，可以作为一种标志。 如果刃筋正确，太刀风听起来会像尖锐的呼啸声。 如果刃筋不正确，太刀风听起来会像平淡的呼呼声，或者根本没有太刀风。 理想情况下，你应该从切割开始时就听到太刀风，那时需要力量来开始切入目标。
好的刃筋听起来像这样。
坏的刃筋，如果你能听到它，可能听起来像这样。
为什么剑的挥舞方式会导致不同的声音？ 为了找出答案，我咨询了航空声学专家 Ken Brentner，他是宾夕法尼亚州立大学航空航天工程学教授，研究飞机发出的声音。 毕竟，剑在这方面可能类似于飞机机翼。
当涉及到螺旋桨、旋翼或剑等叶片时，Brentner 解释说，它们产生两种主要类型的噪声——“厚度噪声”和“载荷噪声”。
当空气基本上必须让开迎面而来的叶片，然后在叶片移开后重新占据其原始空间时，就会发生厚度噪声。 当叶片接近音速时，厚度噪声会变得非常大。
载荷噪声是在叶片直接作用于周围空气时产生的，产生力，使空气加速、减速或改变方向。 载荷噪声可能源于稳定的空气动力学效应，例如机翼上的升力，或不稳定的空气动力学效应，例如湍流。 来自不稳定载荷的噪声是叶片以相对低速移动时声音的主要来源，“并且我相信这是剑的主要噪声来源，” Brentner 说。
当刃筋良好时听到的呼啸太刀风的秘密可能与所谓的风鸣声 (Aeolian tones) 有关，Brentner 说。 这些声音以埃俄罗斯 (Aeolus) 的名字命名，埃俄罗斯是希腊的风之统治者。
为了解释这一点，当空气流过圆柱体时，空气涡流会以非常规则的频率从圆柱体的顶部和底部交替脱落。 这种模式被相当隆重地称为卡门涡街 (von Karman vortex street)。
“我相信这就是当你听到刀刃直线移动时的呼啸声时发生的情况，” Brentner 说。 “你听到的是一种音调，就像你可能听到风吹过电话线时一样。 它之所以是音调，是因为不稳定的载荷噪声非常规则——只在少数几个特定频率上。” 由于武士刀的背部没有逐渐变细，“它会有一个非常相似的涡街，就像圆柱体一样。”
然而，当刃筋不好时，“我相信流过刀刃的气流会以更加混乱的方式分离——如果它是一个翼型，我们会说它失速了，” Brentner 说。 “因此，它具有更大的湍流区域，该区域由各种尺寸随机的涡流或湍流涡旋组成。” 这种湍流“会产生更响亮的呼呼声，很像当气流足够快到可以听到声音时，从冷却管道中发出的声音。”
在下图所示中，你可以看到深失速产生的湍流涡旋，这可能近似于人们从坏的刃筋听到的声音，以及钝尾缘产生的交替涡旋，这可能近似于人们从好的刃筋听到的声音。
剑的厚度和刀刃的几何形状也是剑在挥舞时是否容易产生太刀风的关键因素。 有趣的是，太刀风背后最大的因素是剑是否在其背面有一条称为樋 (bo-hi) 的凹槽——有这条凹槽的剑比没有这条凹槽的剑声音更大。 初学者练习使用的钝剑，即居合刀 (iaito)，通常都有樋，因此学生可以听到他们何时掌握了正确的或错误的刃筋。
为什么樋会导致更大的太刀风？ Brentner 说，当空气流过这条凹槽时，它会脱落涡流。 “这可能与钝尾缘脱落涡流一样是一个重要的噪声源，两者甚至可能耦合产生更强的不稳定载荷，从而产生更大的声音，”他解释说。
我希望你发现剑可以产生的涡流很有趣！ 更多关于剑的科学的文章即将推出。