站在佛罗里达州奥兰多市 76 英尺的高处，望着 Wet’nWild 水上乐园的 Blue Niagara 滑梯，有些游客因此打了退堂鼓。强大的水泵将滑梯顶部的倾泻而下的水搅打成汹涌的泡沫，淹没了七层楼下游客的声音。“冲啊！”游乐设施的操作员催促道，又一个人类鱼雷向泡沫屈服，以每秒约 40 英尺的速度加速，穿过滑梯 300 英尺的环形管道。
“是的，那是个疯狂的。”工程师 Marvin Hlynka 笑着说。Hlynka 为加拿大不列颠哥伦比亚省列治文的 WhiteWater West Industries 公司工作，该公司设计了 Blue Niagara 和其他极限滑梯。他的工作是利用科学找出让游客们吓破胆的新方法，但他的方程式和计算机程序能帮到他的程度是有限的。在滑梯设计的另一个宇宙中，牛顿模型并非总是有效，混乱潜伏在每一个急转弯处。“就预测一滴水或一个人在任何给定时间会出现在滑梯的哪个位置而言，你是做不到的，”Hlynka 说。“这是不可能的。”
水流经通道的路径主要取决于其体积和通道的形状、坡度和表面的粗糙度。然而，随着水速的加快，它开始产生涡流——锯齿状、旋转的洋流——这使得流动变得更加不可预测。平稳流动的溪流产生涡流的速度取决于水的粘度、通道的直径和其他因素，但没有人完全理解是什么触发了所有的湍流。正如物理学家维尔纳·海森堡所说：“当我遇见上帝时，我会问他两个问题：为什么是相对论？为什么是湍流？我真的相信他会有第一个问题的答案。”
湍流水，就像雷暴和其他混沌系统一样，对微小的扰动极其敏感。最微小的污染物——一粒灰尘，一根草——都可能扰乱滑梯的水流，引发更大的不规则性，进而产生旋转的涡流，如此循环往复。牛顿原理预测，系统初始的微小变化会导致最终同样微小的变化。混沌系统则不然。“一开始有一些微小的扰动，然后它们以不可预测的方式越来越大，”斯坦福大学湍流研究中心主任 Parviz Moin 说。“你听说过中国的一只蝴蝶扇动翅膀如何改变加州的んですね？某种意义上，这就是滑梯内部发生的事情。”
由于没有方程可以预测这些变化，滑梯设计师在打开水泵时无法确定泡沫水会如何表现。然而，他们依靠水流和重力将游客安全地运送到溅水池。“如果你在建造过山车或类似的‘硬’游乐设施，你会将游客固定住，让他们无法移动，”Hlynka 说。“在水滑梯上，完全没有这种控制。”
其他变量进一步使方程式复杂化。例如，不同的泳衣在与滑梯摩擦时会产生不同的摩擦量，这会影响湍流的特性以及游客的速度。穿一条棉质短裤去玩 Blue Niagara，你可能会觉得很普通。穿一条氨纶迷你泳裤去玩，你可能需要一些时间来恢复——特别是如果你恰好穿了比基尼上衣，因为据说快速滑梯会撕掉比基尼上衣。
Hlynka 应对这种不确定性的唯一保障是实际测试。他根据过去的经验进行详细设计，然后使用一群热心的志愿者充当小白鼠来验证滑梯的安全性。“经验有帮助，”Hlynka 补充说。“经过二十多年的经验，你知道，如果一个人穿着普通的泳衣，以 9% 到 10% 的坡度在玻璃纤维滑梯上滑行，不会有任何问题。”
为了确保安全，Hlynka 和他的团队倾向于过度设计他们的滑梯的安全特性。他们的开放式滑槽侧面向上弯曲，高度在 2.5 到 5 英尺之间。这确保了即使遇到强大湍流的游客也不会被甩出滑梯。根据消费者产品安全委员会的数据，自 1995 年以来，美国共有八人在水滑梯上死亡——与同一时期死于过山车的人数相比，少了一半。
滑梯设计师还有一些可预测的物理原理可以利用。例如，在 WhiteWater West 公司新款的高速 32 滑梯中，游客以超过 30 英尺/秒的速度穿过一系列缓和的弯道。每个人的速度和细微的旋转产生的力大约是 3 g，在他们滑行时将他们压在玻璃纤维滑槽上。“你滑得越快，g 力就越能将你固定在墙上，锁定你的位置，”Hlynka 说。“这几乎就像一个安全带。”
然而，即使是精心设计的滑梯，有时也会让工程师的计划泡汤。几年前，明尼阿波利斯的一款 WhiteWater 滑梯非常受欢迎，以至于公园老板想在另一个地方（俄亥俄州）建造一个一模一样的。新滑梯是原始滑梯的精确复制品，其测量值精确到四分之一英寸。Hlynka 和他的同事们认为这个设计将是轻而易举的。他们错了。“我们一切都准备好了，我们看到水从一个特定地方涌出来。我们说，‘那是什么鬼东西？’”Hlynka 回忆道。“水流的路径与明尼阿波利斯滑梯完全不同——它应该向右转，却向左拐了。”最后，团队不得不设计一套新的塑料挡水板来处理意外的溢出。Hlynka 仍然不确定是什么混沌的不一致性导致了问题。“可能是某个城市比另一个城市更脏之类的小事，”他说。
新的计算机模型可能有助于尽量减少此类事故。Parviz Moin 和他的斯坦福团队通过将湍流分解成可管理的小块来应对它，使用计算机程序在紧密间隔的点上确定流体的速度和压力。这近似了整体流动，就像像素化图像近似真实场景一样。然而，每一个“流动事件”都取决于之前的事件，因此详细模拟整个序列可能需要最快的超级计算机花费数百年时间。
在此期间，Hlynka 将继续沉浸在他科学的近似性之中。“我喜欢把滑梯设计师比作教堂建造者，”他说。“在中世纪，他们创造了这些美丽的建筑，基本上是因为他们知道如何建造。他们无法用计算或公式来表达他们的设计，但他们最终还是做对了。他们受到视觉比例和材料行为方式的指引。”可以说，建造一个滑梯需要比尺子更多的东西。
