书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第9章 流体的性质(3)

(五)神秘的酒壶

在17、18世纪,有些贵族常用下面所讲的那种有科学意义的玩具来取乐:这是一种壶形杯—在这种杯的上部刻有一些像花纹一样的切口,在杯里装上酒,然后把酒分给身份较低的客人喝,尽情地拿他们开心。从这种杯里喝酒时,可不能把杯子倾斜,因为酒会从许多切口里流出来,结果是一滴也喝不到嘴里,这犹如童话里所说的那样:

我也曾经在那里,

喝那蜂蜜酿的酒,

顺着胡子往下流,

可一滴也没到嘴。

可是只要仔细地分析一下这种壶形杯的构造,它的秘密也就不难找到了(图4—2)。只要用手指按住孔B,再把嘴凑在壶嘴A上吸,那就不必再把杯子倾斜,就可以把酒吸进嘴里。原来酒会经过孔D沿着壶柄里的一条沟和这条沟的延长部分C(这一部分在壶口的边缘里面)来到壶嘴口A,这样就很容易喝到酒了。

抽水马桶在冲洗污物时具有神奇的威力,使用起来特感方便。你可曾知道它是谁发明的?又是怎样工作的?原来它是美国的托马斯·克莱泼(ThomasCrapper)和他的同事们花费了不少精力发明的。他们进行了很多次实验,实验工作在1884年达到了高潮。那时候,克莱泼等人制作了“一个威力巨大的冲洗器,它完全清除掉了平均直径为4.45厘米的10个苹果、直径为11.43厘米的一把扁平调匙,涂有管子工污迹的三个空气罐以及紧贴泥土表面的四张纸。”这真是技术上的一个卓越的功绩!

你也许会不解地问,这种功绩的威力何在?其威力就在于所有的现代抽水马桶都在马桶和连接下水道的管道之间装有一根虹吸管。当水进入马桶时,马桶中和虹吸管输入臂中的水面就升高。最后,水从虹吸管的输入臂流到输出臂,于是虹吸作用便开始了。是虹吸的水流和冲入马桶中水的综合环流清除了污物,并且用水是相当省的,只用一桶水就可解决问题。有的马桶的底部还增加了一个喷水口,它可以从马桶中带走液体,从而增加了虹吸的速度和强度。

(七)摆脱泥流沙中的险境

如果你发现自己或同伴陷入流沙(泥潭)中,你应该怎样办才能摆脱险境?陷入流沙很深的人或动物,眼睛易向外突出,又是怎么回事?

由于流沙的黏滞性随切变力的增加而增大,你对流沙所施的切变力越大,流沙使你陷入的深度越深,因此你如若试图使自己很快脱离陷阱是不可能的。当发现自己陷入泥沙中时,最有效的动作是缓慢地自拔或互拔(拉)别人(物)。缓慢移动的目的是使黏滞性尽可能地减小。拔(拉)出后立即采取仰卧动作并向安全地带滚动。

被陷入流沙的动物的眼睛凸出,是因为流沙的高密度使躯体下部受到了较大的流体静压力所致。

(八)海洋中惊人的狂浪

有许多关于海洋中航行的船只突然遇到难以置信的狂浪的传说。例如,1956年一艘货船离开赫德拉斯时,船长见到有30米高的海浪。1933年,在北太平洋上航行的一艘美国拉玛玻号船上,曾观察到一个估计高达34米的海浪。试想一想,站在34米高的海浪之下驾驶台上会是怎样一幅骇人的景象啊!

为什么这些海浪突然地出现后又突然地消失呢?如果这些海浪是暴风以某种原因造成的,那么这样大的海浪能是单个出现吗?它们是否是由于海底的突然地震造成的?如果是的话,这种地震浪能被海洋中航行的船只检测出来吗?

海洋中的狂浪是由许多海洋波浪以相同的位相偶然相遇合成而产生的,合成波浪的振幅是许多海洋波浪的振幅之和,这就是狂浪之高的原因。但是它们不是在海洋中传播的狂浪,它们会很快地消失,因为参加合成的许多波浪都沿各自的方向以稍有不同的速度离去。

(九)惊险的冲浪运动

当你从影视片中或亲临现场,观看冲浪运动时,无不为那惊险的动作所折服。只要你细心观察,就会发现冲浪者乘的波浪往往是那些碎浪的边缘部分,并且冲浪运动大多是在坡度平缓的海滩水面上进行的,你能说明其中的原因吗?冲浪运动者为了乘波浪而行。就必须以波速而行,在正常的情况下,深水中的波速比波浪里水的质点的速度大。如果波浪是近乎破碎的,那么水速和波速几乎相等,冲浪者为了不落后于波浪,只需稍稍增加一点速度就可以了。这个附加的速度来自冲浪滑行者在波浪边沿部分的不断下降而产生的。因此,人们为了做冲浪运动,必须选择一处坡度平缓的海滩,因为那里的波浪是碎浪或近乎是碎浪。

(十)茶叶在水中的运动规律

你如果有兴趣的话,可以搅拌一杯放有茶叶的水,便会发现茶叶集中在杯子的中央。可别小看这样的现象,明白了这个道理之后还可以解释河流弯曲的原因哩。当茶水绕杯子中心旋转时,由于离杯壁较近的茶水的速度小于离中心轴较近的茶水的速度。因此,根据伯努利原理,便产生指向杯中心的压强差,继而产生指向中心的向心加速度。这个压强差便导致一个附加的水流,称作二次流。它使茶叶积聚在杯子的中央。

下面让我们再来考虑茶水中的两个水面,即上面的顶层和下面的底层。每一水面层,分别离杯中心较远的压强也较大,但是在底层中,由于杯底摩擦力的阻止,底层茶水的旋转速度不如顶层那么快,亦即提供向心加速度所需的压强差较小。在顶层和底层中都有压强差,但是顶层的压强差较大。现在考虑一小部分开始处在顶层外侧的茶水,它不仅绕中心轴旋转,而且因为顶部外侧与底部外侧之间的压强差,它还会沿杯壁降到杯底。为了补充顶层外侧损失的液体,就有液体从底部的中央沿杯中心轴向上流,然后再流到顶部的外侧。当茶水继续旋转的时候,它还从顶部的外侧流到底部的外侧,再流到底部的内侧。位于底部的茶叶被这种二次流俘获,便沉积在杯子的中央部分。

(十一)河道弯曲的原因

天然的小溪或河流,尤其是年代悠久者,几乎总是迂回曲折地前进,长距离的笔直河床是极为罕见的。在某些情况下,弯曲程度是如此之大,以至河道中断形成“U”形残留河道,即所谓牛轭湖。

河道的弯曲也是由于上面所说的二次流造成的。二次流垂直于水流的方向,它的循环是从外侧顶部流到外侧底部,然后到内侧底部,向上流到内侧顶部,最后再流回到外侧顶部。这种二次流冲走外侧河床壁上的泥沙,并把它们沉积在稍向下游的内侧河床壁上。尽管原来的河道可能较直,但是河床中一旦略有弯曲都会被加强,因此河道就逐渐发生弯曲,以致越弯越甚。

(十二)赛车的队形

在普通汽车的拉力赛中,往往一辆赛车紧跟着另一辆赛车(称为牵引车)的后面行驶,这样会有什么好处?前面的赛车是否会受到一些影响?当后面的赛车突然超越前面的赛车时,为什么猛然受到一个加速的推力?

赛车鱼贯而行,跟在后面的一辆赛车,处在前一赛车所产生的涡流低压区内,又因为气流已被前面的赛车夯开,因而受到的空气阻力较小。当跟在后面的赛车超车时,会突然出现一个加速推力。这是由于流过前面一辆赛车一侧的部分空气流,被迫通过两赛车间较窄的空间而加速,致使压强减小。因而在后面尾随的汽车受到指向前方的压强差作用,使其在超车的瞬间加速前进。前面的那辆赛车相应地也受到一个向后的作用力。

(十三)鱼群的队形

大小和形态相同的鱼也会以规则的队形“同步而游”。鱼儿从这种群居的习性中得到了好处,可使它们游动的耐久力显著地增加。可是这种队形和鸟群的V字队形是不同的。这里面的奥妙何在?比如鱼群呈扇形排列时,是充分利用作为向导的鱼所产生的尾流。当鱼在游动时,它留下了一条涡旋的尾流,这些涡旋交替地出现在鱼的轴线的两侧,向鱼的正后方延伸。这些涡旋的旋转使得轴线上的水流方向与这条鱼的游动方向相反。如果另外有一条鱼恰好在这条特定的鱼的正后方,由于它是逆涡流产生的水流方向而游动,势必要多消耗些能量。然而,倘若尾随的这条鱼位于轴线的一侧时,它就会处在向前运动的那部分涡旋之中。我们设想两条鱼游在前面,一条鱼尾随在这两条鱼轴线的延伸线之间,那么这条鱼就位于前两条鱼所产生的那部分向前运动的涡旋中。当然,它消耗的能量必然比游在前面的鱼要少。

由此观之,鱼群结队而游,除了领头的鱼外,其他尾随的许多鱼都是利用了它们前面的鱼产生的涡旋流,从而使能量消耗尽可能地少一些。

(十四)建筑物后面能避风吗?

在严寒的冬季,一般人往往都有躲在建筑物的背面作为避风处以挡风寒。但是对于强烈的狂风,这种做法是很不可取的。因为狂风吹来,在向风的一面,风可算是平稳地流动(所谓层流)。但是在背风的一侧,却突然产生涡旋,而涡旋使风成为阵风,风刮得要比向风的一侧厉害得多。