第六章液體和氣體的性質(zhì) 6.17波浪和旋風(fēng)
有許多日常物理現(xiàn)象，都是不能用物理學(xué)上的簡(jiǎn)單的原理來解釋的。甚至象有風(fēng)的日子里在海洋上常�？吹降牟ɡ爽F(xiàn)象，也不可能在中學(xué)校的物理教科書里詳細(xì)解釋明白。輪船在航行的時(shí)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(fēng)的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)飄得那樣急呢？海岸上的細(xì)沙為什么會(huì)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(huì)成一團(tuán)一團(tuán)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。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(diǎn)來，因?yàn)樵趯W(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(jìn)的，那末在我們面前就是一種最簡(jiǎn)單的液體運(yùn)動(dòng)形式平靜的流動(dòng)或者象物理學(xué)家所說的“片流”運(yùn)動(dòng)。
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(dòng)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(yùn)動(dòng)，也叫湍流運(yùn)動(dòng)。譬如自來水管里的水就是這樣流動(dòng)的（細(xì)的水管除外，細(xì)管里的水是片流的）。一種液體在一定粗細(xì)的管子里的流動(dòng)速度達(dá)到一定大小的時(shí)候，也就是達(dá)到所謂臨界速度的時(shí)候①，總會(huì)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(shí)候從管壁向管軸行進(jìn)的渦流可以看得非常清楚。
渦流的這種特點(diǎn)，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(huì)使所有液體接觸冷卻壁比沒有渦流的液體快。應(yīng)當(dāng)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(gè)組織之間所以能夠那樣快地交換熱和物質(zhì)，也就是因?yàn)檠谘芾锏牧鲃?dòng)不是片流而是渦流的緣故。
上面對(duì)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(jìn)的。在精確測(cè)量河流速度的時(shí)候，儀器會(huì)出現(xiàn)一種脈動(dòng)現(xiàn)象，特別是在靠近河底的地方：脈動(dòng)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(jìn)，象平時(shí)想象的那樣，同時(shí)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?yàn)樵诳拷拥椎牡胤搅鲃?dòng)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(huì)帶動(dòng)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(huì)是平滑的了。這樣說來，在被水沖過的物體的表面附近是會(huì)出現(xiàn)渦流的。關(guān)于這一點(diǎn)，可以拿順著流水放的繩索會(huì)曲折成蛇形這一個(gè)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(huì)這樣呢？在繩的某一段附近出現(xiàn)渦流的時(shí)候，這一段繩就會(huì)被渦流帶過去；可是過一會(huì)，另一個(gè)渦流又使這一段繩發(fā)生相反的運(yùn)動(dòng)。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(fēng)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(dāng)空氣沿著水面運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，在形成旋風(fēng)的地方，由于空氣壓力已經(jīng)降低，水也就會(huì)升高起來，引起波浪。在沙漠里和沙丘的斜坡上會(huì)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(huì)在風(fēng)里飄揚(yáng)（圖81）：旗在這里遇到的情況正同繩在流水里遇到的一樣。風(fēng)信旗的硬片在風(fēng)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(tuán)一團(tuán)的，也是同樣的原因：爐子里的氣體流過煙囪的時(shí)候也是作著渦流運(yùn)動(dòng)的。在煙離開煙囪以后，因?yàn)閼T性關(guān)系，這種運(yùn)動(dòng)還要繼續(xù)一些時(shí)候（圖82）。
空氣的渦流運(yùn)動(dòng)對(duì)于飛行也有很大的意義。飛機(jī)的翼有特別的形狀，機(jī)翼下面由制成機(jī)翼的材料把空氣稀薄的部分填充了，而機(jī)翼上面的渦流作用卻被加強(qiáng)了。結(jié)果機(jī)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(shí)候，也有類似的現(xiàn)象。
在風(fēng)吹過屋頂?shù)臅r(shí)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(gè)空氣稀薄的區(qū)域，屋頂下的空氣為了要平衡這個(gè)壓力，就向上壓，把屋頂掀了起來。結(jié)果就使人們常�？吹揭环N可悲的現(xiàn)象：有些輕的釘?shù)貌焕蔚奈蓓敱伙L(fēng)刮了去。由于同樣原因，大的窗玻璃在刮風(fēng)的時(shí)候也會(huì)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(dòng)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(jiǎn)單些。
當(dāng)溫度和濕度都不同的兩個(gè)氣團(tuán)彼此貼著流過的時(shí)候，每一個(gè)氣團(tuán)里都會(huì)發(fā)生渦流。云的各種各樣的形狀大半也是這個(gè)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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