书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第8章 流体的性质(2)

要解释这些以及其他类似的现象,必须懂得液体和气体的涡流的特点。下面介绍一下关于涡流现象及其特点。

设想在管子里流着一种液体,假设液体里的所有微粒在管子里都是顺着一些平行线平静地前进着,这样一种最简单的液体运动—在物理学里叫做“片流”运动。这是一种理想的液体的运动,一般是不易见到的。

液体常见的运动叫做涡流,即液体在管道里并不沿直线流动,而是呈许多旋涡状从管壁流向管轴,这种运动叫做湍流。比如自来水管里的水就是这样流动的(细水管除外,细管里的水是片流的)。一种液体在一定粗细的管子里的流动速度达到一定大小的时候,即达到所谓临界速度的时候,总会有涡流发生。

如果让一种透明液体流过一根玻璃管,在液体里放一种非常轻的粉末如石松子粉,我们就能看到管内的液体发生涡流的情况。这时候可以清楚地看到从管壁向管轴行进的涡流。

涡流的这种特点,被利用在制造冷藏器和冷却器的技术上。在管壁冷却的管子里,有涡流的液体一定会使所有液体接触冷却壁比没有涡流的液体快。还应注意的是,液体本身是热的不良导体,若不去搅拌它们,它们冷却或增加温度都非常慢。血液和它所流过的各个组织之间之所以能够那样快地交换热和物质,也就是因为血在血管里的流动不是片流而是涡流的缘故。

上面对管子所说的一切,同样能适用在露天的水沟和河床上,在它们里面的水也是涡流前进的。在精确测量河流速度时,仪器会出现一种脉动现象,特别是靠近河底的地方,脉动现象表明水流在经常改变方向,即呈现涡流。河水不但沿着河床前进,同时还要从河岸流向河中央。因此说河水深处水的温度一年四季都保持在4℃,这种说法是不正确的。因为在靠近河底的地方流动着的水的温度,总是在被搅和着,跟河面上的一样(湖里的情况就另当别论,由于那里的水是静止的)。

在河底附近形成的涡流会带动轻沙,使河底出现沙“波”。同样的沙波也可以在波浪所能淹到的海边沙岸上看到。如果靠近水底的水流是平静的,那么海底的沙面就会是平滑的了。

这样说来,在被水冲过的物体的表面附近是会出现涡流的。关于这一点,可以拿顺着流水放的绳索会曲折成蛇形这样的例子来说明(把绳的一头系住,另一头让它自由漂在流水里)。这是什么道理呢?原来,在绳的某一段附近出现涡流的时候,这一段绳就会被涡流带过去,可是过一会儿,另一个涡流又使这一段绳发生相反的运动。结果,绳受涡流不断的作用,就弯曲成蛇形了。

上面我们谈了水里的涡流,空气里能否产生涡流呢?大家经常见到旋风从地面上卷起尘土、杂草等轻小物体,这就是沿地面出现了空气涡流的缘故。当空气沿着水面运动时,在出现空气涡流形成旋风的地方,由于空气压力已经降低,水也就会升高起来,形成波浪。在沙漠里和沙丘的斜坡上产生的沙波,也是出于同样的原因。

若你从上面懂得了绳在流水里曲折的情况,也就不难明白旗能在风里飘扬的原因了。同样,由于炉子里的气体流过烟囱时也是做着涡流运动的,所以从工厂里的烟囱冒出来的烟是一团一团的。在烟离开烟囱以后,由于惯性关系,这种运动还要继续一段时间。

空气的涡流运动对于飞行也有很大的作用。飞机的机翼具有特殊的形状(我们已在前面提到了),使机翼上面的涡流作用被加强了,形成了低压区,结果机翼的下面受到向上的托力(机翼上、下两面的压力差)。鸟类展开翅膀飞翔的时候,也有类似的现象。

在多风季节,屋顶容易被狂风掀翻。这是由于空气的涡流在屋顶上方造成了一个空气稀薄的低压区域。屋顶下面的空气为了要平衡这个压力,就向上顶,结果就把房屋的盖子掀起来,酿成了悲剧。由于同样的原因,大的窗玻璃在刮风的时候会从里向外被压碎,这种现象若用流动着的空气里压力减小的道理来解释(伯努利原理),会更简单些。

当温度和湿度都不相同的两个气团彼此贴着流过的时候,每一个气团里都会发生涡流,也大半是由于这个原因,在天空中便出现了奇形怪状、变幻莫测的云。

(三)沉船的位置应该在哪儿?

有一种流行的说法,甚至在海员当中也这样流传着,说是船在海洋里沉没时不会沉到海底,而是不动地悬浮在深海的某些地方。在那里,海水“由于上面各层水的压力的关系而变得密度相当的大了”。

这种说法,甚至连《海底两万里》的作者儒勒·凡尔纳也表示同意。在这本小说的一章里,他描写了一只沉没了的船不动地悬浮在水里;在另一章里,他又提到一些“破船悬浮在水里”。

这种见解是否正确呢?看来似乎有些根据。因为海水的压力在深海里的确可以达到很大的程度。比如,沉在10米深处的物体,每平方厘米所受到的水的压力只有1千克。而在20米深处,这个压力已经是2千克。在100米深处高达10千克。在1千米处竟然是100千克。海洋里有许多地方,深度可达数千米;大洋里的最深处(太平洋中马里亚纳群岛附近的深海),有时竟达11千米以上。不难算出,在这些极深的海洋里水和沉在水里的物体所受到的压力有多大了。深海里的水在偌大的压力之下,能被压得相当密集,即使重物到了那里也不能再往下沉,像秤砣在水银里不能下沉一样。

然而这一类见解其实是一点根据都没有的。实验告诉我们,水同其他一切普通液体一样,也是不容易被压缩的。1平方厘米的水受到1千克压力的时候,它的体积只能缩小1/22000,以后每增加1千克的压力,大致也只能再缩小这么多。假如我们想把水压得这样密实,使铁到了里面也沉不下去,那就得把水的密度增大到原来的8倍。可是要把水的密度增大一倍,也就是说把水的体积缩小一半,就得对每一平方厘米的水上加上11000千克的压力(假定水在这样大的压力下压缩率也是这么大的话)。可是这样大的压力只有在海面下110千米的地方才有。

由此我们可以明白,要使深海里水的密度明显地改变,那是完全不可能的事。在海洋的最深处,水的密度也只是增大了1100/22000,也就是说,比正常海水的密度大1/20或5%。这对各种物体在那里的沉浮条件,几乎没有什么影响。何况浸在这里的固体也要受到这种压力,因而也会变得密实些。

所以沉没的船只会一直沉到海底,应该是确信无疑的了。正如约翰·牟莱所说:“凡是在一杯水里能够沉的一切东西,到了最深的海洋里,也应当一直沉到底。”

(四)液体压力的妙用

有一名聪慧的荷兰少年发现海岸的堤坝上有一个小洞,他灵机一动,用他的手指伸进洞里并紧紧地堵住了它,从而保住了这座城池,使它免遭厄运。这位少年为全城人民立下了丰功伟绩,受到了全城人民的颂扬。人们以为这位少年能堵住整个海洋的水,一定是位臂力过人的大力士。其实作用在男孩手指上的压力仅取决于海水的密度和洞口离海平面的高度,而与整个海洋的大小无关。

你一定测过血压吧,医生在测试时,常把你的手臂放到同你的心脏一样高的位置上,这是为何?显然是有道理的,测量血压同做其他测量相仿,得有个标准。由于血液是从心脏流出的,所以最好以心脏作为基准。为了测从心脏流出的血液的压力,必须要考虑不同人的心脏的位置,即血液的读数要与被测者的身高有关,这样测出的结果,就很难说明问题了。

了解巴拿马运河的人一定对这条运河的船闸感兴趣。尤其是每一艘轮船在通过运河的最后一道船闸时,都必须耐心地等待着水面慢慢地降低。排出了足量的水后,管理人员便操纵机器使闸门慢慢地向海洋打开,然后轮船开始向海面移动,它既不靠拖轮的帮助也不靠本身的动力,那么它是靠什么动力前进的呢?原来闸门的内侧是湖泊供给的淡水,而闸门的外侧是海洋的咸水。当闸门两侧的压力相等时,再把闸门打开,由于咸水的密度较淡水大,因此淡水的水面要高于咸水的水面。在水平面转变为等高的过程中,水面较高的淡水流向海洋,轮船便借水流的作用离开水闸而进入海洋。

与此相类似的现象是巴拿马运河两端的海面有高度差。在干燥季节,这种差别较小,但在雨季,高度差可达30厘米。其中部分原因是由于两个海洋的含盐量不同:太平洋中的含盐量较大西洋为多,因此密度也较大。故运河在太平洋端的海面,应该比大西洋的海面低一些。