第六章液体和气体的性质 6.17波浪和旋风

第六章液体和气体的性质 6.17波浪和旋风

　　有许多日常物理现象，都是不能用物理学上的简单的原理来解释的。甚至象有风的日子里在海洋上常常看到的波浪现象，也不可能在中学校的物理教科书里详细解释明白。轮船在航行的时候，从船头散向平静的水里的波浪是怎样引起的呢？旗在刮风的时候为什么会飘得那样急呢？海岸上的细沙为什么会排列得象波浪一样呢？从工厂的烟囱里冒出来的烟为什么会成一团一团的呢？

　　要明白这些以及其他和这类似的现象，必须懂得液体和气体的所谓涡流运动的特点。在这里让我们略微多讲一些涡流现象，并且指出它们的主要特点来，因为在学校教科书里这种现象几乎是不讲的。

　　设想在管子里流着一种液体。假使液体里的所有微粒在管子里都是顺着一些平行线前进的，那末在我们面前就是一种最简单的液体运动形式平静的流动或者象物理学家所说的“片流”运动。

　　可是这并不是最常见的现象。相反的，液体在管子里的不平静的流动却是最常见的现象，有许多涡流要从管壁流向管轴。这就是所谓涡流运动，也叫湍流运动。譬如自来水管里的水就是这样流动的（细的水管除外，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，也就是达到所谓临界速度的时候①，总会有涡流发生的。

　　如果我们让一种透明的液体流过一根玻璃管，在液体里放一些非常轻的粉末，例如石松子粉，我们就可以用眼睛看到在管子里流着的液体的涡流了。这时候从管壁向管轴行进的涡流可以看得非常清楚。

　　涡流的这种特点，在制造冷藏器和冷却器的技术上都要利用。在管壁冷却着的管子里，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。应当记住，液体本身是不大容易传热的，如果不去搅拌它们，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沟道和河床上：在沟和河里，水也是涡流前进的。在精确测量河流速度的时候，仪器会出现一种脉动现象，特别是在靠近河底的地方：脉动现象表明着水流在经常改变方向，也就是在起着涡流。河水不但沿着河床前进，象平时想象的那样，同时还要从河岸流向河中央。因此说在河的深处水的温度一年四季都是相同的（总是+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（湖里的情况不是这样）。

　　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（图78）。如果靠近水底的水流是平静的，那末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一个例子来说明（把绳的一头系住，另一头让它自由漂在流水里）。为什么会这样呢？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，另一个涡流又使这一段绳发生相反的运动。结果，绳就曲折成蛇形了。

　　现在我们要从液体转到气体，从水转到空气了。谁没有见到过旋风从地面上卷起尘土、稻草等东西呢？这就是说沿着地面出现了空气的涡流。当空气沿着水面运动的时候，在形成旋风的地方，由于空气压力已经降低，水也就会升高起来，引起波浪。在沙漠里和沙丘的斜坡上会产生沙波，也是由于同样的原因（图80）。

　　现在就很容易明白，旗为什么会在风里飘扬（图81）：旗在这里遇到的情况正同绳在流水里遇到的一样。风信旗的硬片在风里不能保持固定的方向，却要随着涡流总是摇摆不停。从工厂的烟囱里冒出的烟是一团一团的，也是同样的原因：炉子里的气体流过烟囱的时候也是作着涡流运动的。在烟离开烟囱以后，因为惯性关系，这种运动还要继续一些时候（图82）。

　　空气的涡流运动对于飞行也有很大的意义。飞机的翼有特别的形状，机翼下面由制成机翼的材料把空气稀薄的部分填充了，而机翼上面的涡流作用却被加强了。结果机翼从下面得到了支托力，而从上面得到了吸引力（图83）。鸟类展开翅膀飞翔的时候，也有类似的现象。

　　在风吹过屋顶的时候是起着怎样的作用的呢？空气的涡流在屋顶上面造成了一个空气稀薄的区域，屋顶下的空气为了要平衡这个压力，就向上压，把屋顶掀了起来。结果就使人们常常看到一种可悲的现象：有些轻的钉得不牢的屋顶被风刮了去。由于同样原因，大的窗玻璃在刮风的时候也会从里往外被压碎（不是从外往里被压碎）。不过这些现象也可以用流动着的空气里压力减小的道理来解释（参看第128页所讲的“柏努利原理”），比较简单些。

　　当温度和湿度都不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。云的各种各样的形状大半也是这个原因造成的。

　　我们看，同涡流有关的现象的范围竟有这么广。

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