书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第7章 流体的性质(1)

一、有孔的降落伞的降落原理

降落伞的中央有孔吗?若真有孔,不是和降落伞的原理相悖吗?说也奇怪,有一些降落伞,尤其是常规伞兵部队的降落伞,它们的中央往往有一个孔。

这是因为,当空气通过无孔的降落伞的外侧边沿时,会散发出一些涡旋。由于散发涡旋的过程是从一侧到另一侧交替进行的,又由于每个涡旋都使气压减小,致使伞起初在一侧受到较低的气压,之后又在另一侧受到较低的气压,这种低压的交替过程使降落伞发生摆动。如果摆动的频率接近降落伞和它的负载的固有频率,就要发生共振,它的摆角可能达到60°。如果在降落伞的中央开孔,就能使空气继续顺着降落伞的中央轴线流动,因而破坏了顶部前涡旋,这样就减少了摆动,可使降落伞平稳地落地。

二、栅栏能防雪吗?

从某些材料上可以看到,为了防止雪飘移到附近的公路、铁轨或人行道上,往往可筑一道防雪栅栏,而不是筑一道挡雪墙。这样做有什么好处呢?

一堵实墙对飞雪会产生强烈的涡旋,同时风在高墙前面几十米或数百米处就开始散开,这样就使飞雪过早地转向,很难把雪收拢在墙附近,这就失去了防雪的作用。而栅栏产生的涡旋比较平缓,另外使风的转向作用也很小。如果在这些栅栏产生的涡旋之中,空气的速度小于使雪悬浮所需要的速度,那么雪就会沉积在这道栅栏的下风处。

三、高尔夫球的表面设计成不光滑的原因

早期的高尔夫球的表面都是光滑的。后来偶尔发现一些有斑痕的球比光滑的球行程远。这引起了人们的注意,因此以后在制作时就在表面制成许多凹斑。难道表面光滑的球所受的空气阻力不应该更小吗?为什么其行程反倒近?原来作用在球上的空气阻力来自两个因素:球前后两边之间的压强差和空气与球面之间的摩擦力。对于光滑的球面来说,球上的空气边界层尚未到达球的后部就分离了。过早的分离使空气产生一些涡旋,因而使球后部的压强小于前部的压强,这种压强差使球减速。对于粗糙的表面它延长了边界层的分离,结果,球后部的压强减小得比较少,由于前后之间的压强差较小,因而压强差所造成的阻力也较小。所以,表面有斑痕的高尔夫球的行程较远。

四、鸟的飞行翅膀的作用

鸟儿有时伸展着翅膀,自由自在地,长时间地在空中盘旋、翱翔。有时又忽上忽下地扑动着它的翅膀很快地向前飞驰着。鸟在空中能获得升力,当然要靠和机翼外形相似的翅膀,这个道理我们将在《飞机的升力是怎样产生的?》这一节中专门讲一下。至于能向前飞行,也许是借助于不断地向后又向下扑动的翅膀而推动鸟前进吧。然而,事实并非如此。从慢动作的电影镜头中可以见到鸟的翅膀在下压的同时是向前而不是向后扑动的,上面的解释就讲不通了。还是古希腊的伊卡洛斯神话给我们提供了最好的启迪。伊卡洛斯飞得太接近太阳了,以至于粘在他两臂上的羽毛完全熔化了,于是他坠海而死。由此我们推测鸟的飞行是否也得靠羽毛呢?拔掉了羽毛的鸟还能向前飞行吗?通过研究发现,当鸟拍动翅膀使自己飞行时,推动力并不是把空气推向后方造成的,而是由于羽毛在空中旋转,这宛如螺旋桨的作用。拔掉了羽毛的鸟也许能飞,但它不可能推动自己向前飞行。

五、风筝

在风和日丽的春天,我国从南到北,从东到西的城乡空旷地带,不时地看到人们竞相地放风筝,男女老幼,人人皆宜,既锻炼了身体,又陶冶了情操。但是,风筝何以能保持在空中?哪种类型更稳定些?为什么有些风筝有尾巴?

所有的风筝,它们的活动基本上与机翼一样,迫使空气分开,因而上部压力比下部压力小,使风筝得到了升力。一些不同的系线方式分散了来自控制线的应力,同时使风筝具有稳定性。图4—1中的后三种系线方式要比第一种稳定性大。系线还能用来调整风筝的接线角,即它相对于风向的角度。在微风中,风筝相对于风向的角度应该较大,以便分散更多的气流,从而得到相应的升力。在较强的风中,风筝相对于风向的角度应该较小,因为这时只需要较少的风转向。

风筝的尾巴除了看起来有趣之外,还有两个作用:第一,空气对它的阻力使风筝稳定,这样可使风筝较少地受阵风的影响;第二,这种阻力帮助调整风筝对盛行风的合适的迎风角。

六、飞机是怎样获得升力的?

“飞机是怎样获得升力的?”这是一个众人皆知的老物理问题,而标准答案总要涉及伯努利原理。但这个原理是唯一的主要的因素吗?

标准论据的关键是在机翼上方和下方运动的两股气流必须在相同的时间内越过机翼,机翼上方的空气通过的行程较长,于是气流运动就快些。根据伯努利原理,机翼下方的空气压强较大,因此产生了升力。事实上,气流通过机翼上方和下方的时间是不相同的。那么,机翼的升力应如何说明才好?

在各种资料和文献中,对能否运用伯努利原理来计算这个升力的问题讲得不总是很清楚的。伯努利原理是气流中沿流线方向能量守恒(这里指的是压强和动能)的一种论述。因为机翼周围的气流受到机翼附着力和黏滞性的影响,两者都对空气做功,即外力对气流做功。因此,伯努利原理本来是不能直接应用的。然而,如果考虑到附着力和黏滞性是由通过机翼的无旋气流加上空气的环流(在贴近机翼的下方向前,在上方向后)所产生的,那么伯努利原理就可以应用了。这是由于一旦我们加上了空气环流就不再需要包括外力对气流所做的功的缘故。

在库塔和焦可斯基关于升力的研究中,使用了这种叠加的环流。在机翼的上方,环流的速度叠加到经机翼的无旋气流速度上,便得到一个较快的速度,在机翼的下方,环流速度与无旋气流速度反向,因而速度较慢。应用伯努利原理,机翼上方的压强小于下方,这样便产生了指向机翼上方的压强差,即对机翼产生了升力。从无旋气流和空气环流叠加的观点,可以微妙地解释机翼的升力问题。

按库塔和焦可斯基的理论,作用于机翼上的实际升力是通过确定气流中的动量变化来计算的,这种动量变化是由叠加的环流引起气流偏转所致。根据牛顿第三定律,使气流向下偏转所需要的力等于作用在机翼上的升力。

1925年,一艘与众不同的船靠两根竖直而旋转的大圆柱体作动力横渡了大西洋。想想看,这两根旋转的圆柱体是怎样驱动船只前进的?

在一种较为时新的应用中,美国国家航空和宇宙航行局又运用相同的原理,在一架飞机的机翼上加了一个水平方向旋转的圆柱体。这类圆柱体又是怎样给飞机提供升力的?

当风吹过圆柱体时,根据和机翼的升力相仿的道理,由于空气环流和通过圆柱体的无旋气流叠加的结果,圆柱体便受到发生偏转的水平力(马格纳斯效应)作用,当船的取向适当时,就可使船在水中航行了。

七、能漂浮起来的球

(一)悬浮在气流中的球

我们让真空吸尘器中的空气反向流动,然后使一只水球在喷出来的气流中保持平衡,而且非常稳定,即便把空气射流调整到某一适当角度,仍可以使球停留在一个固定的位置上。即使重重地敲击一下也不能使球离开空气射流。球为何会如此稳定呢?要说明这个问题是比较麻烦的事。由于空气射流通过水球时,使空气射流发生偏转,偏转的气流带动着水球转动。根据和机翼的升力相仿的道理,偏转气流经过旋转的水球时既受到球的附着作用又受到黏滞作用,这样在旋转着的球的带动下,又形成与球旋转方向相同的空气环流。偏转气流和空气环流互相叠加的结果,使空气环流与偏转气流的流向相反的球的下方减少了气流的动能,即两个速度彼此相反因而得到较小的速率;空气环流与偏转气流同向的球的上方则增加了气流的动能,因而增大了气流的速率。根据伯努利原理,由于偏转气流和空气环流对球的作用结果,便产生了压强差,即球的下方压强大于球的上方压强,使球得以反抗重力而不下落。这种使旋转的球产生偏转的力的现象称为马格纳斯效应。这种现象也易于作出错误解释,就是把升力只看做是空气射流中的压强减小而造成的,并没有考虑空气环流的作用,这样的结论同样是对伯努利原理的错误应用。事实上,空气射流中的压强恰好等于大气压强。

(二)气流在管中的作用

有一种玩具叫做“吹一口气的走动游戏”,也是应用了悬浮这一诀窍。向一根细支管内吹气,便可以使一个小球处于悬浮平衡状态。再用力吹一口长长的气,球就被吹起,直到进入管子的顶端,并由此很快地穿过U形管回到原来的位置。这种游戏是以吹一口气可以使球沿这条路线循环多少次来记分的。是什么力使悬浮的小球保持稳定?又是什么力促使小球进入管子的顶端?在这里小球是靠作用在它底面上的气流压力悬浮起来的,并且根据伯努利原理而保持稳定。至于小球受什么力的作用能进入管子的顶端,这是由于当气流由支管吹入玩具中后就会带动管子内部的空气,因而引起从上端开孔流到下端开孔的气流。球能越过上端开孔纯粹是由于球被气流吸进管子中去的缘故。

(三)鸟为何排成“V”形队列飞行?

候鸟在漫长的迁徒征途中长时间地飞行时,常排成各种规则的队形,同步地扑动着它们的翅膀结伴而行。譬如说,以“V”形队列飞行,这种习性有什么道理吗?从空气动力学的角度来看,当一只鸟的两翼向下压时,迫使鸟翼外的气流上升,这上升的气流尾随于鸟后。排成V字形队列,可使前一只鸟后面的另一只鸟从尾随的上升气流中得到好处。于是,除领头的一只鸟以外,其他的鸟都可以利用前一只鸟留下的上升气流的升力而节约能量,以利长途持续地飞行。

(四)悬浮在水流中的球

现在再介绍一种球在水射流中平衡的例子。这样的装置在公园里或风景区的喷泉中经常见到。球在水射流中偶尔可以稳住几秒钟,但通常是左右摇晃和上下跳动的。有时球会跳出射流外,但在球下落过程中,又重新回到射流中。想想看,这是什么原因?

在这里水的冲力可以托住球,也可使球暂时保持稳定。但是水流本身是不稳定的。在不稳水流的冲击下,致使球经常离开中心,而水流的冲力迫使它按某一方向旋转。黏附在球表面上的那部分水被带着旋转,例如旋转半周后被甩掉。当水离开时,水对球有反作用力,将球反推回水中,因而使球保持在水射流中。即使球离开了水射流,一些水在下半周仍然会被甩掉,结果又使球回到水射流中。

(五)水流力气之大

打开水龙头,让水倾注在浮在一杯水中的鸡蛋上。当水流的速度超过某一临界值,会蛋就会升起,仿佛向下的水流会吸引鸡蛋似的,这又是什么原因呢?

如果水流的速率超过某一临界值时,在鸡蛋上方形成湍流。这样蛋上方的水流便产生了涡旋,会使这儿的压强小于蛋下方的压强,于是出现了向上的压力。当这压力差足以克服鸡蛋的重量时,鸡蛋便被吸了起来。这个有趣的实验,你最好动手验证一下。

(六)水流的吸引力

拿一把轻巧的汤匙,放入水流中,其突的曲面朝上,汤匙似乎被水流粘住了。你可以试图把汤匙调整到适当的角度,使它有离开水流的趋势。但是汤匙仍然拒绝离开水流。按理说,下落的水流理应把汤匙推开而不是吸引它。出现这种现象是什么道理呢?这种现象可以这样说明,靠近汤匙的水流边界层由于产生狭窄的涡流而使压强降低。汤匙的另一面是大气压强,压强差指向水流,于是汤匙顶着水流而被托着,这种现象称为康达效应。

(七)旗帜的拍动现象

旗帜迎风招展,随风拍动是很壮观的。为什么风,甚至是风速不变的风,吹动旗帜会使它产生拍动?假如旗帜完全光滑并且能在风中完全展开时,如果在旗的一侧出现一个微小的扰动,这是完全可能发生的事。那么,它就迫使空气稍向外移以便越过这个波纹,气流越过波纹时必须加速,流动较快的空气其压强就小。于是,在旗的两侧便出现不同的气压,气流越过波纹的那一侧气压小,而另一侧气压正常,因此导致波纹增大。波纹还在旗上沿风的方向移动,最后就产生了旗帜的拍动现象。

八、风的形成

在高空飞行的飞机上俯视沙漠上的沙丘时,人们可以见到“一些使人难以理解的又窄又长的沙丘带,它们几乎呈直线大致南北走向地穿越沙漠”,仿佛是经过精心设计的一些互相平行的街道。沙丘带现象实际上是世界上每个大沙漠所具有的特征,它们大致都是南北走向的,其间距约为1~3千米。

撒落在湖面上的树叶和海面上的海藻,虽然规模较小,但也都聚集成一行一行的,行间距离约100~200米,长度可达500米。

在上述的这些例子中,行或带的走向是由什么因素决定的?要是由风来决定的话,那么行或带的走向是与风向平行的还是垂直的?它们之间的间距又是由什么决定的?

沙丘街的成因是由于在空气中形成了水平方向的涡旋行(旋转轴在水平方向并且与风向相同的一行行涡旋)所造成的。在相邻两行之间气流上升的区域,沙粒就聚集成沙丘街。在相邻两行之间气流下降的区域,就没有沙丘。因为世界上所有的沙漠上空,风向以南风或北风为主,所以沙丘街都是南北走向的。

在海面上也有许多类似的排列,这是由于在贴近海面的水层中有许多类似的涡旋行。在相邻的两行之间水流下降的区域,海藻等物质就会聚集起来。而在相邻两行之间水流上升的区域,相应的物质就不出现。尽管人们确实地证明了这些涡旋行与风向和风的强度有关,但涡旋行形成的真正机制目前尚不清楚。

(一)沙丘的移动规律

一般人总以为沙漠上沙丘的移动是漫无规则的。其实不然,风是一个沙丘在沙漠上迁移的典型例子。甚至,在前进了26年以后,沙丘的特性与形态仍然保持着。风究竟是怎样使沙丘移动的?这是由于风把沙丘上迎风面的沙粒吹起来,然后当它吹过下风面时,又让它们落下来,沙子的运输过程虽然很慢,但会导致沙丘结构向下风向移动。

(二)波浪和旋涡的作用

有许多日常物理现象,错综复杂,绝不是用物理学上的简单的原理所能解释清楚的。比如在有风天气里的海洋上的波浪,以及轮船在航行的时候,从船头散向平静的水里的波浪。旗在刮风时为何哗啦哗啦地飘得那么急?海岸边上的细沙为什么排列得像波浪一样呢?从工厂的烟囱里冒出来的烟为什么会成一团一团的呢?