本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
劍在專家拔劍時悄無聲息地離開劍鞘。它發出的唯一聲音是劃破空氣時的呼嘯聲。這可能是你聽到的最後一個聲音。
當我不寫作科學文章時，我的業餘愛好之一是劍術。 具體來說，我正在戶山流拔刀道門下，在紐約的Sang Kim 老師處學習，這是一種非常強調使用被稱為katana（武士刀）的日本刀進行劈砍和對練的流派。 我也嘗試過追隨列支敦納著作的德國長劍傳統，在紐約歷史擊劍協會學習，並且渴望學習更多。
https://www.youtube.com/watch?v=jhrAItZrO6U
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（那是 Sang Kim 老師在劈砍。 很棒，對吧？）
為什麼要研究劍？幾個世紀以來，劍的故事一直吸引著人們——例如，亞瑟王傳說中的Excalibur（石中劍），《羅蘭之歌》中的Durandal（杜蘭達爾），以及正宗和村正的著名（和臭名昭著的）刀刃。 即使是現在，劍仍然不斷地出現在流行文化中，例如影片遊戲系列《光環》中的人工智慧 Cortana，她的名字來源於《羅蘭之歌》中的一把傳奇之劍 Curtana，或者動作片《殺死比爾》中的服部半藏之劍。
在這個新的系列文章中，我希望透過展示劍如何幫助人們學習科學來增加劍的魅力。 我將從劍揮舞時發出的聲音開始。
為什麼要關心劍發出的聲音？ 我可以隨意地說，它們幫助盲劍客座頭市聽到他的敵人
https://www.youtube.com/watch?v=F1HgAuU1TZs&t=12m17s
更嚴肅地說，我會說劍發出的聲音可以揭示它是否能切穿目標。 我們流派的關鍵目標是實現正確的刃筋 (hasuji)，或“刀刃線”。 刀刃的角度應與劍的切割路徑相同。 如果劍在揮舞時刀刃晃動或傾斜錯誤，則可能無法切穿目標。
你不需要砍擊固體目標就能知道你的刃筋是否正確——劍在揮舞時發出的聲音，日語中稱為太刀風 (tachikaze)，或“劍風”，可以作為一種標誌。 如果刃筋正確，太刀風聽起來會像尖銳的呼嘯聲。 如果刃筋不正確，太刀風聽起來會像平淡的呼呼聲，或者根本沒有太刀風。 理想情況下，你應該從切割開始時就聽到太刀風，那時需要力量來開始切入目標。
好的刃筋聽起來像這樣。
壞的刃筋，如果你能聽到它，可能聽起來像這樣。
為什麼劍的揮舞方式會導致不同的聲音？ 為了找出答案，我諮詢了航空聲學專家 Ken Brentner，他是賓夕法尼亞州立大學航空航天工程學教授，研究飛機發出的聲音。 畢竟，劍在這方面可能類似於飛機機翼。
當涉及到螺旋槳、旋翼或劍等葉片時，Brentner 解釋說，它們產生兩種主要型別的噪聲——“厚度噪聲”和“載荷噪聲”。
當空氣基本上必須讓開迎面而來的葉片，然後在葉片移開後重新佔據其原始空間時，就會發生厚度噪聲。 當葉片接近音速時，厚度噪聲會變得非常大。
載荷噪聲是在葉片直接作用於周圍空氣時產生的，產生力，使空氣加速、減速或改變方向。 載荷噪聲可能源於穩定的空氣動力學效應，例如機翼上的升力，或不穩定的空氣動力學效應，例如湍流。 來自不穩定載荷的噪聲是葉片以相對低速移動時聲音的主要來源，“並且我相信這是劍的主要噪聲來源，” Brentner 說。
當刃筋良好時聽到的呼嘯太刀風的秘密可能與所謂的風鳴聲 (Aeolian tones) 有關，Brentner 說。 這些聲音以埃俄羅斯 (Aeolus) 的名字命名，埃俄羅斯是希臘的風之統治者。
為了解釋這一點，當空氣流過圓柱體時，空氣渦流會以非常規則的頻率從圓柱體的頂部和底部交替脫落。 這種模式被相當隆重地稱為卡門渦街 (von Karman vortex street)。
“我相信這就是當你聽到刀刃直線移動時的呼嘯聲時發生的情況，” Brentner 說。 “你聽到的是一種音調，就像你可能聽到風吹過電話線時一樣。 它之所以是音調，是因為不穩定的載荷噪聲非常規則——只在少數幾個特定頻率上。” 由於武士刀的背部沒有逐漸變細，“它會有一個非常相似的渦街，就像圓柱體一樣。”
然而，當刃筋不好時，“我相信流過刀刃的氣流會以更加混亂的方式分離——如果它是一個翼型，我們會說它失速了，” Brentner 說。 “因此，它具有更大的湍流區域，該區域由各種尺寸隨機的渦流或湍流渦旋組成。” 這種湍流“會產生更響亮的呼呼聲，很像當氣流足夠快到可以聽到聲音時，從冷卻管道中發出的聲音。”
在下圖所示中，你可以看到深失速產生的湍流渦旋，這可能近似於人們從壞的刃筋聽到的聲音，以及鈍尾緣產生的交替渦旋，這可能近似於人們從好的刃筋聽到的聲音。
劍的厚度和刀刃的幾何形狀也是劍在揮舞時是否容易產生太刀風的關鍵因素。 有趣的是，太刀風背後最大的因素是劍是否在其背面有一條稱為樋 (bo-hi) 的凹槽——有這條凹槽的劍比沒有這條凹槽的劍聲音更大。 初學者練習使用的鈍劍，即居合刀 (iaito)，通常都有樋，因此學生可以聽到他們何時掌握了正確的或錯誤的刃筋。
為什麼樋會導致更大的太刀風？ Brentner 說，當空氣流過這條凹槽時，它會脫落渦流。 “這可能與鈍尾緣脫落渦流一樣是一個重要的噪聲源，兩者甚至可能耦合產生更強的不穩定載荷，從而產生更大的聲音，”他解釋說。
我希望你發現劍可以產生的渦流很有趣！ 更多關於劍的科學的文章即將推出。