第六章液體和氣體的性質(zhì) 6.17波浪和旋風

　　有許多日常物理現(xiàn)象，都是不能用物理學(xué)上的簡單的原理來解釋的。甚至象有風的日子里在海洋上常常看到的波浪現(xiàn)象，也不可能在中學(xué)校的物理教科書里詳細解釋明白。輪船在航行的時候，從船頭散向平靜的水里的波浪是怎樣引起的呢？旗在刮風的時候為什么會飄得那樣急呢？海岸上的細沙為什么會排列得象波浪一樣呢？從工廠的煙囪里冒出來的煙為什么會成一團一團的呢？

　　要明白這些以及其他和這類似的現(xiàn)象，必須懂得液體和氣體的所謂渦流運動的特點。在這里讓我們略微多講一些渦流現(xiàn)象，并且指出它們的主要特點來，因為在學(xué)校教科書里這種現(xiàn)象幾乎是不講的。

　　設(shè)想在管子里流著一種液體。假使液體里的所有微粒在管子里都是順著一些平行線前進的，那末在我們面前就是一種最簡單的液體運動形式平靜的流動或者象物理學(xué)家所說的“片流”運動。

　　可是這并不是最常見的現(xiàn)象。相反的，液體在管子里的不平靜的流動卻是最常見的現(xiàn)象，有許多渦流要從管壁流向管軸。這就是所謂渦流運動，也叫湍流運動。譬如自來水管里的水就是這樣流動的（細的水管除外，細管里的水是片流的）。一種液體在一定粗細的管子里的流動速度達到一定大小的時候，也就是達到所謂臨界速度的時候①，總會有渦流發(fā)生的。

　　如果我們讓一種透明的液體流過一根玻璃管，在液體里放一些非常輕的粉末，例如石松子粉，我們就可以用眼睛看到在管子里流著的液體的渦流了。這時候從管壁向管軸行進的渦流可以看得非常清楚。

　　渦流的這種特點，在制造冷藏器和冷卻器的技術(shù)上都要利用。在管壁冷卻著的管子里，有渦流的液體一定會使所有液體接觸冷卻壁比沒有渦流的液體快。應(yīng)當記住，液體本身是不大容易傳熱的，如果不去攪拌它們，它們冷卻或增加溫度都非常慢。血液和它所流過的各個組織之間所以能夠那樣快地交換熱和物質(zhì)，也就是因為血在血管里的流動不是片流而是渦流的緣故。

　　上面對管子所說的一切，同樣能適用在露天的溝道和河床上：在溝和河里，水也是渦流前進的。在精確測量河流速度的時候，儀器會出現(xiàn)一種脈動現(xiàn)象，特別是在靠近河底的地方：脈動現(xiàn)象表明著水流在經(jīng)常改變方向，也就是在起著渦流。河水不但沿著河床前進，象平時想象的那樣，同時還要從河岸流向河中央。因此說在河的深處水的溫度一年四季都是相同的（總是+4℃），這種說法是不正確的：因為在靠近河底的地方流動著的水的溫度，總是在被攪和著，跟河面上的一樣（湖里的情況不是這樣）。

　　在河底附近形成的渦流會帶動輕沙，使河底出現(xiàn)沙“波”。同樣的沙波也可以在波浪所能淹到的海邊沙岸上看到（圖78）。如果靠近水底的水流是平靜的，那末海底的沙面就會是平滑的了。這樣說來，在被水沖過的物體的表面附近是會出現(xiàn)渦流的。關(guān)于這一點，可以拿順著流水放的繩索會曲折成蛇形這一個例子來說明（把繩的一頭系住，另一頭讓它自由漂在流水里）。為什么會這樣呢？在繩的某一段附近出現(xiàn)渦流的時候，這一段繩就會被渦流帶過去；可是過一會，另一個渦流又使這一段繩發(fā)生相反的運動。結(jié)果，繩就曲折成蛇形了。

　　現(xiàn)在我們要從液體轉(zhuǎn)到氣體，從水轉(zhuǎn)到空氣了。誰沒有見到過旋風從地面上卷起塵土、稻草等東西呢？這就是說沿著地面出現(xiàn)了空氣的渦流。當空氣沿著水面運動的時候，在形成旋風的地方，由于空氣壓力已經(jīng)降低，水也就會升高起來，引起波浪。在沙漠里和沙丘的斜坡上會產(chǎn)生沙波，也是由于同樣的原因（圖80）。

　　現(xiàn)在就很容易明白，旗為什么會在風里飄揚（圖81）：旗在這里遇到的情況正同繩在流水里遇到的一樣。風信旗的硬片在風里不能保持固定的方向，卻要隨著渦流總是搖擺不停。從工廠的煙囪里冒出的煙是一團一團的，也是同樣的原因：爐子里的氣體流過煙囪的時候也是作著渦流運動的。在煙離開煙囪以后，因為慣性關(guān)系，這種運動還要繼續(xù)一些時候（圖82）。

　　空氣的渦流運動對于飛行也有很大的意義。飛機的翼有特別的形狀，機翼下面由制成機翼的材料把空氣稀薄的部分填充了，而機翼上面的渦流作用卻被加強了。結(jié)果機翼從下面得到了支托力，而從上面得到了吸引力（圖83）。鳥類展開翅膀飛翔的時候，也有類似的現(xiàn)象。

　　在風吹過屋頂?shù)臅r候是起著怎樣的作用的呢？空氣的渦流在屋頂上面造成了一個空氣稀薄的區(qū)域，屋頂下的空氣為了要平衡這個壓力，就向上壓，把屋頂掀了起來。結(jié)果就使人們常常看到一種可悲的現(xiàn)象：有些輕的釘?shù)貌焕蔚奈蓓敱伙L刮了去。由于同樣原因，大的窗玻璃在刮風的時候也會從里往外被壓碎（不是從外往里被壓碎）。不過這些現(xiàn)象也可以用流動著的空氣里壓力減小的道理來解釋（參看第128頁所講的“柏努利原理”），比較簡單些。

　　當溫度和濕度都不同的兩個氣團彼此貼著流過的時候，每一個氣團里都會發(fā)生渦流。云的各種各樣的形狀大半也是這個原因造成的。

　　我們看，同渦流有關(guān)的現(xiàn)象的范圍竟有這么廣。

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