奇妙的流體

前言

      空氣和水，在我們身邊存在，平常我們卻不太注意。但是它們卻都在我們生活中起著重要的作用。流體力學(xué)中所說的“流體”是以空氣和水為代表的氣體和液體的總稱。在流體中，眼睛看不到的東西占多數(shù)，并且因為可以自由變形難以捕捉，容易被認為是不好理解的東西。

      流體力學(xué)可能被認為是很難的東西，所以首先親近流體是本書的目的。流體當中有時發(fā)生一些與平常的感覺不同、讓人“?。?？”為之吃驚的不可思議的現(xiàn)象?？雌饋硎瞧娈惖默F(xiàn)象，其實里面有著非常自然的道理。把難懂的理論放到一邊，體會“流動”的樂趣，接觸它的不可思議。在這當中，我們想通俗易懂地說明流體之謎。

1，流體是什么。

液體和氣體合稱為流體。和固體不同，可以自由地變形是流體的特征。
做做看

怎樣區(qū)別生雞蛋和熟雞蛋呢？把它們放在桌子上轉(zhuǎn)一下看看。
很簡單就能轉(zhuǎn)起來的是熟雞蛋，生雞蛋不好轉(zhuǎn)。
接著，用手撥動雞蛋使其連續(xù)旋轉(zhuǎn)，然后突然用手指按住雞蛋并立即松開。
熟雞蛋停止旋轉(zhuǎn)，而生雞蛋會又開始旋轉(zhuǎn)。
用途

超高層樓房或塔，會受到由風(fēng)或地震引起的晃動的困擾。為了保持舒適和安全的狀態(tài)，使用了很多抑制震動的方法。
其中之一是像圖示的那樣，采用在建筑物頂部設(shè)置水箱的方法。這就是利用了水可以自由變形的性質(zhì)。
只有固體的建筑物，全體會同時震動。像在“做做看”里熟雞蛋會立刻旋轉(zhuǎn)起來那樣。
但是，水箱里的水在由風(fēng)或地震引起的晃動時，要晚于水箱的晃動，就像在生雞蛋不好轉(zhuǎn)那樣。由于水通過變形想要在原地停留，所以起到了抵消建筑物晃動的作用。像這樣抑制震動的技術(shù)稱為“制振”。
答案
液體和氣體和稱為流體。比如，我們身邊的水和空氣、油等都是流體。和固體不同，可以自由地變形是流體的特征。流動就是指這樣的流體運動的狀態(tài)。
“做做看”里生雞蛋和熟雞蛋的不同，是由于里面的液體或固體引起的。固體不易變形，因此立刻跟隨外殼一起旋轉(zhuǎn)。液體易變形，即使外殼旋轉(zhuǎn)內(nèi)容物也不會立刻跟隨轉(zhuǎn)動（慣性原理）。相反，一旦旋轉(zhuǎn)起來，外殼瞬間停止轉(zhuǎn)動時，內(nèi)容物依然會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，就出現(xiàn)了“做做看”里現(xiàn)象。
“用途”中的建筑物的制振，也是利用了水可以自由變形的性質(zhì).

2，粘性

流體雖然可以自由變形，但如果要使其快速變形則需要很大的力。這樣的性質(zhì)稱為粘性。
做做看

將一只牙簽插入糖飴中（如果沒有糖飴也可使用冷藏之后的蜂蜜），分別慢速移動和快速移動牙簽，觀察結(jié)果，以很快的速度移動牙簽時，牙簽會斷掉。
將兩只牙簽的尖頭部分（約2cm）折下，分別放入裝有色拉油和水的碗中，不要使其碰到碗壁，緩慢轉(zhuǎn)動碗，色拉油上的牙簽隨碗一起轉(zhuǎn)動，而水中的牙簽則不轉(zhuǎn)，但如果將碗中的大部分水倒掉，使牙簽非常接近碗底時，牙簽也會隨碗一起轉(zhuǎn)動。
用途

為了使們能夠緩慢地關(guān)上，通常使用Door closer這種東西。裝在門的上方，大家也許見過。如果想快速關(guān)門，要費很大的力氣。但是慢慢地關(guān)門則不需要多大的力氣。
這個裝置就是利用了流體粘性的性質(zhì)。因為要使流體快速變形需要很大的力。如圖所示，在Door closer里面充滿油，并有一個活塞，當關(guān)門時活塞向右移動，油就會通過一個很細的管道向左邊移動。快速關(guān)門時，通過細管道的油必須迅速變形，這需要非常大的力。所以門會緩緩地關(guān)上。這和上面“做做看”的第一個實驗的原理是一樣的。

答案

流體雖然可以自由變形，但如果要使其快速變形則需要很大的力。相反，緩慢的變形只要很小的力就夠了。像這樣對應(yīng)于變形的速度，力也發(fā)生變化的性質(zhì)稱為粘性。“用途”中的Door closer就利用了這個性質(zhì)。空氣和水的阻力也是由于粘性而產(chǎn)生的。并且，流體沿著物體表面流動是會產(chǎn)生一種叫做粘性摩擦的力。粘性，是流體的非常的重要特征。
在“做做看”的第一個實驗中，牙簽活動使糖飴變形。使其迅速變形需要很大的力氣，所以牙簽就會折斷。
粘性的表現(xiàn)方式因流體種類的不同會發(fā)生很大的變化。“粘”好像是強調(diào)了流體應(yīng)該有很強的黏著力，但是沒有感到黏著的水和空氣也有粘性。除掉特殊的例子，幾乎所有的流體都有粘性。
在“做做看”的第二個實驗中，色拉油和水的粘性不同。色拉油比水的黏著力要大（粘度大），不易變形，所以隨著碗一起轉(zhuǎn)動，牙簽也跟著轉(zhuǎn)。水的粘性弱（粘度?。?，易變形，所以牙簽不轉(zhuǎn)。
讓我們考慮一下“做做看”中最后的實驗，因為流體和固體表面接觸的地方發(fā)生粘性摩擦，碗底部附近受粘性的影響較大，水就和碗一起轉(zhuǎn)，牙簽也就轉(zhuǎn)了。相反，水位高的情況下，由于水面和底部之間的水的變形，即使底部轉(zhuǎn)水面也幾乎不轉(zhuǎn)。

3，壓縮性
流體從周圍受到擠壓時體積變小，這種性質(zhì)稱為壓縮性。讓我們利用壓縮性來做一個游戲看看。
做做看
用一次性筷子和吸管做一個紙團炮，首先把筷子削到可以插進吸管的程度。接著把手紙裁成小塊兒弄成球形并用水濕透，大小是比較緊地塞進吸管為好。將兩個紙團分別塞進吸管的兩端，用筷子快速推其中一個紙團，則另一個紙團就會飛出。
用途
汽油機使用活塞壓縮（減小體積）汽缸內(nèi)的油氣混合氣。這就是利用了氣體受擠壓體積變小的性質(zhì)。
通過活塞壓縮汽缸內(nèi)的油氣混合氣，使壓力和溫度升高，提高能量的利用效率。在汽車發(fā)動機內(nèi)有多個氣缸和活塞，利用其中某個汽缸內(nèi)的燃燒膨脹的能量來驅(qū)動別的活塞壓縮混合氣。
而在“做做看”中，人推動活塞（紙團），壓縮氣體使其壓力增高，在利用壓力這點上是相同的。
答案

從四周擠壓流體時的力，除以面積得到的值稱為壓強。
壓強=壓力/面積
施加壓力則體積縮小的性質(zhì)稱為壓縮性。
壓縮氣體時體積縮小。氣體分子在自由飛行的過程中，相互碰撞或與四壁碰撞。通過壓縮使體積縮小時，分子相互碰撞或與四壁碰撞的機會增加，因此使溫度和壓力上升。
在汽油機里，壓縮混合氣使溫度和壓力上升。
在“做做看”里，被壓縮而壓力變高的空氣使紙團飛出。部之間的水的變形，即使底部轉(zhuǎn)水面也幾乎不轉(zhuǎn)。

5,物體周圍的流動

物體周圍的流動難以觀測，怎樣才能實現(xiàn)觀測呢？讓我們來研究一下。
做做看

將報紙剪成1mm見方的小片，放到水中攪一下。然后用筷子夾紙片試一下，紙片總是會逃掉，很難夾住。
再用勺子試一下，雖然比筷子撈起來要簡單一些，但是稍微不注意就會讓紙片逃掉。
接著，我們用勺子的背面來撈一下試試。這簡直太困難了，很難成功。
用途

在設(shè)計汽車的車體時，要考慮使灰塵和雨滴等難以沾到車體上，灰塵粘到車體上會污染車體，雨滴粘到玻璃上會影響視線。
如圖所示，使靜止的車體周圍的空氣流動，并加入煙（這種線稱為流線）來觀察流動，會觀察到空氣是避開車體流動著的。如果是小的灰塵或雨滴，會隨著氣流移動，不會粘到車體上。和“做做看”中夾小紙片那樣，筷子周圍的水是避開筷子流動的。
但是，如果灰塵或雨滴變大，就會粘到車體上。這是因為在氣流方向急變的地方或流速比較低的地方，粒子難以乘氣流而動。在設(shè)計時，就是要避免這些情況的發(fā)生。
答案
平常，物體周圍的流線只有一支會與物體接觸，其他的都會繞開并沿著物體的表面移動。
如果流體中有小的粒子，那么粒子會乘著氣流運動，所以粒子的大部分會避開物體。但是，如果是比較大的粒子或比較重（密度較大）的粒子，就會從氣流中脫出。
在“做做看”中，很難夾到紙片的原因是因為當筷子或勺子移動時，紙片會隨著周圍的水一起流動，難以與筷子或勺子接觸，如果是比較大的或比較重（密度較大）的物體，就會比較容易捉住。

6.壓力

即使是小的壓強，如果作用面積足夠大，也會產(chǎn)生很大的壓力。
做做看
將一只大的塑料袋放到椅子上，然后再坐上一個人。向塑料袋里吹氣，人可被頂起。
用途

利用空氣的壓力搬運重物的“搬送機”和“做做看”的原理一樣。利用鼓風(fēng)機將空氣送入，產(chǎn)生支持重物的壓力。產(chǎn)生的力與其作用面積成正比，內(nèi)部的壓強即使不是很高，如果把“搬送機”做大，也會產(chǎn)生大的力。
實際使用的“搬送機”有可搬運36噸的大家伙，像這樣的“搬送機”構(gòu)造簡單輕薄，適用于在窄小的場所作業(yè)。
“做做看”同樣，人的呼吸的力量較小，但是可以使用大的塑料袋把人舉起。
答案
壓強是作用力除以作用面積所得到的值。壓強一定，作用面積越大則作用力越大。
一般情況下，我們感覺不到大氣壓有多么大，讓我們來調(diào)查一下大氣壓作用的面積和產(chǎn)生的作用力的關(guān)系。
標準的大氣壓值是一個大氣壓（約1013百帕斯卡），相當于1平方厘米上有大約1千克的作用力，那么1平方米上的作用力就達到約10噸，是非常大的力，但是人體內(nèi)大約也是一個大氣壓，相互平衡，所以感覺不到壓力。
“做做看”中，用呼氣的力把人舉起，例如，邊長0.3米的正方形上站一個60千克的人，重力加速度以9.8米每平方秒計，則
壓強=壓力÷面積

=60×9.8÷(0.3×0.3)
    =6533帕斯卡
    =0.064大氣壓
這只相當于大氣壓的約十五分之一，人呼氣的力已足夠。
“用途”中的“搬運機”通過增大面積確保以較小的力支撐較大的重物。建筑機械以及壓力機等油壓機械也是用同樣原理產(chǎn)生非常大的力。面積越大，得到的力也就越大。

7，水深和壓力
在水中，水越深水壓越大。到底有多大呢?讓我們試一下。
做做看
將報紙疊成3至4層，用水濕透，夾在兩只對扣的碗中間。按住兩只碗將其放入浴缸的水中，試一下將兩只碗分開需要多大的力。
另一個實驗是把它們沉到底，用手掀上面的一只碗，掀不起來。然后使他們向淺處移動，淺到一定程度，碗會掀開。
用途
深海的水壓非常大。照片中的深海調(diào)查船“深海6500”是世界上可以潛的最深的潛水艇（到2004年8月現(xiàn)在為止）。如其名可以潛到水下6500米處，用來調(diào)查海底的地形、構(gòu)造、礦物以及深海生物等。
在6500米深處有650個大氣壓。也就是說1平方厘米要承受約650千克的力，或者是邊長為10厘米的正方形面積（手掌面積大?。┮惺芗s65噸的壓力。要承受如此大的力，深海調(diào)查船的強度設(shè)計要非常注意。在“做做看”中水越深相互結(jié)合的力就越大，深海調(diào)查船所受到的力也是同樣的道理。
答案
在水中某一點處，需要承受這一點之上的水的重力，所以水越深水壓越大。
純水的情況下，深度大約每增加10米就會增加1個大氣壓。比如在“做做看”中碗的直徑為12厘米，沉到深度為50厘米的水底，得到的壓力大約為5.6千克。這個力隨水深增加而加大。并且各個方向受到的壓力相同（帕斯卡原理）。所以不管碗的傾斜狀態(tài)如何，受到的壓力是相同的。
在“做做看”的后一個實驗中，使碗上下移動，在深處壓力大于使上面那只碗掀開的浮力，所以碗不會掀開，在淺處壓力變得小于浮力，碗就掀開了。

9，浮力2

利用浮力的性質(zhì)，不管形狀多么復(fù)雜的物體，也可以求出它的體積。
做做看

把一個裝有水的容器放到電子秤上，重量歸零。
把想測體積的物體用細絲拴上，吊在水中。秤上表示的g (克)數(shù)可以讀成ml ，用來求出體積。
如果是在水中上浮的東西，可以利用金屬絲。把金屬絲放入水中，不要使金屬絲觸底，重量歸零。
接著把金屬絲取出，把物體用細絲拴到金屬絲上，然后放入水中，讀出數(shù)值，求出體積。
用途

船的大小通常用“排水量×××噸”來表示。這是比“全長×××米”重要的數(shù)值，經(jīng)常被使用。排水量是指船（水面以下的部分）排開的水的量。像第8小節(jié)講到的那樣，水的重量和浮力的大小是一致的。排水量通常不以體積表示，而是以排開的水的重量來表示。在“做做看”中，可以從秤的讀出值知道體積也是用的同樣的道理。
也就是說，排開的水的體積決定浮力的大小，這個浮力和船的重量又是一致的。排水量，也是和運輸船或客船的載貨量或客室空間的大小相關(guān)的數(shù)值。
答案

在水中的物體，受到水的浮力作用。這時，也會產(chǎn)生一個和浮力（向上）作用方向相反（向下）、大小相同的作用力。當物體放入水中，秤上增加的數(shù)值就是這個力。
像第8小節(jié)講到的那樣，根據(jù)“阿基米德定理”----“浮力的大小是和它排開的水的重量相等的”。所以，“做做看”中秤表示出的數(shù)值是和物體排開的水的重量一致的。如果物體排開的水的重量為1000g
，1g水的體積是1ml ，那么物體的體積就是1000ml 。雖然是簡單的方法，卻可以算出物體的體積。“用途”中船的排水量也是根據(jù)這個性質(zhì)決定的。

10,漩渦
說起漩渦，有龍卷風(fēng)、臺風(fēng)、渦潮和洗衣機里的水形成的漩渦等。這里，讓我們在塑料瓶子里做一個漩渦吧。
做做看
找一塊塑料布，在中間開一個直徑為5mm左右的小孔，將瓶子里灌上水，把塑料布蓋到瓶口上并用橡皮筋扎緊。在瓶子的底部附近再開一個小孔。
把瓶子倒過來使水排出，則會形成漩渦（自由渦）。
接著，用另外一只瓶子，裝入一半左右的水，用絲線拴住瓶口，把瓶子吊起來。
先用手不斷旋轉(zhuǎn)瓶子，使絲線扭緊，松開手，則瓶子開始自行旋轉(zhuǎn)，最終瓶子里的水也開始一起旋轉(zhuǎn)（強制渦）。
用途
圖中所示的是吸煙專區(qū)里的排煙裝置，4根柱子分別向旁邊柱子的方向吹出空氣，這樣可以促使空氣形成漩渦。最初在外圍被促使輕微旋轉(zhuǎn)的空氣，越向中心前進，旋轉(zhuǎn)變得越強。
花樣滑冰選手作旋轉(zhuǎn)時，雙臂展開則旋轉(zhuǎn)變慢，雙臂折起靠近身體時則旋轉(zhuǎn)加快（角運動量保存法則）?？諝庖彩且粯?，越靠近中心旋轉(zhuǎn)越快。依靠這種旋轉(zhuǎn)，煙霧不會向四周擴散而被排出。
“做做看”的第一個實驗和吸煙專區(qū)的漩渦是同一個原理。這兩個漩渦都是越靠近中心旋轉(zhuǎn)越快。
這樣的漩渦稱為自由渦
離心式分離機中有一種叫做“離心沉降機”，可使混有沙子等固體粒子或不同液體的液態(tài)混合物在短時間分離。
如圖所示，裝入混合液的容器高速旋轉(zhuǎn)，可使固體粒子、比重較大的液體、比重較小的液體分離開來。這里面的重點是旋轉(zhuǎn)要安定、液體和容器一起運動。這樣也就意味著流體可以保持一定的形狀，分離開的不同液體不會混合，使液體的分離變得容易。這和旋轉(zhuǎn)木馬有些相似。
離心沉降機和“做做看”中第二個實驗都是液體和容器一起旋轉(zhuǎn)。離中心越遠旋轉(zhuǎn)越快，這稱為強制渦。

答案
流體以某點為中心旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)稱為渦。“做做看”和“用途”中的流體都是圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的渦。
如圖所示，讓我們在水平面內(nèi)考慮一下漩渦吧。這個渦不管是自由渦還是強制渦都無所謂。重要的是只要圍繞某點旋轉(zhuǎn)就行了。流體粒子受到離心力的作用，被推向外側(cè)，這樣造成的結(jié)果是外側(cè)壓力增高。
擴大圖表示的是流體的一部分的力的平衡。外側(cè)壓力高，內(nèi)側(cè)壓力低，這樣的壓力差形成了向內(nèi)的力。這個力和離心力恰好平衡時，這部分流體既不向外也不向內(nèi)，而是在一定的半徑上持續(xù)著圓的運動。并且，不管有沒有外框都是相同的結(jié)果。
這樣的渦的代表就是出現(xiàn)在“做做看”和“用途”中的自由渦和強制渦兩種。
自由渦是不需要外部能量的供給就可形成的渦，渦的中心和外側(cè)的流體的能量是相等的。外側(cè)的壓力高，運動能量低，旋轉(zhuǎn)速度也就低。反之，中心處壓力低，運動能量高，旋轉(zhuǎn)速度也就高。旋轉(zhuǎn)速度從中心開始跟半徑成反比關(guān)系，越往內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)速越高。
“做做看”中的第一個實驗和“用途”中的吸煙專區(qū)都是自由渦。前者是從孔中流出，后者是從孔中吸入。
強制渦是通過外部的強制旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的渦。“做做看”中的第二個實驗和“用途”中離心式沉降機就是例子。
使容器旋轉(zhuǎn)，最終使流體也和容器一起安定地旋轉(zhuǎn)時，和固體的旋轉(zhuǎn)一樣，旋轉(zhuǎn)速度跟半徑成正比，越往外側(cè)速度越快。
“用途”中離心式沉降機可使固體粒子在短時間內(nèi)分離。和自由渦中流體總是變形不同，強制渦的流體不變形是一個重要的特點，這樣可以順利地實現(xiàn)分離。
并且就水面的形狀而言，自由渦是上凸，強制渦是下凸。這種不同可根據(jù)和半徑是成正比還是反比而算出。自然界中有臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、鳴門的渦潮等漩渦。自然界中的渦基本沒有強制渦，大部分近似于自由渦。只是，完全的自由渦的中心處旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該是無限大，而實際是中心處速度為零。中心處速度為零是強制渦的特點，因此，臺風(fēng)、龍卷風(fēng)、鳴門的渦潮等漩渦的中心處是強制渦。臺風(fēng)眼是屬于強制渦領(lǐng)域，因此進入臺風(fēng)眼越往中心處風(fēng)力越小。
如上所述，外側(cè)是自由渦，內(nèi)側(cè)是強制渦的漩渦稱為組合渦。
“做做看”中的第一個實驗中，中心線上有空氣通過時，基本上是自由渦，途中空氣斷絕的情況下，則變成組合渦。

COLUMN ，攪動可以使茶葉向內(nèi)側(cè)集中的秘密
茶杯中有茶葉沉在杯底時，轉(zhuǎn)圈攪動茶水，可以使茶葉向中心處集中。因為旋轉(zhuǎn)，想來茶葉受到離心力的作用，應(yīng)該向外側(cè)移動，但實際上為什么向內(nèi)側(cè)集中呢？
流體和茶葉旋轉(zhuǎn)時，都受到離心力的作用。流體受離心力的作用被推向外側(cè)，外側(cè)壓力增高，當外側(cè)與內(nèi)側(cè)的壓力差和離心力平衡時，流體既不向外側(cè)也不向內(nèi)側(cè)移動，以相同的半徑持續(xù)旋轉(zhuǎn)。
當攪動茶杯之類容器內(nèi)的流體時，在遠離杯底的上部，因為壓力差和離心力的平衡，流體如上述的那樣，以相同的半徑持續(xù)旋轉(zhuǎn)。
但是，接近杯底的流體，因為底面和流體之間的粘性摩擦，流速變小。另一方面，因為沒有發(fā)生上下方向的流動，底部壓力分布情況和上部幾乎相同。也就是說，壓力差和上部幾乎相同。這樣，在底部附近，與壓力差相比，離心力較小，流體邊旋轉(zhuǎn)邊向中心處集中。然后這種流動又從中心處轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙牧鲃?。茶葉就是順著這種流動向中心處集中。
如上所述，相對于全體的流動（這里指的是旋轉(zhuǎn)流動），成直角方向的流動（這里指的是向中心方向的流動）被稱為二次流動。

11，表面張力1

液體中的分子有相互聚集的性質(zhì)，所以液體表面會產(chǎn)生一種叫做表面張力的力。
做做看

把水滴入5日元的圓孔中做成水膜，只要水滴不下來，就盡量多滴入一些。
然后用5日元的圓孔看一下報紙。水滴呈凸面鏡的狀態(tài)，調(diào)整和報紙之間的距離可以清楚地看到放大的文字。
接著用手指在圓孔上蹭一下，使水變少，只要水膜不破，就盡量減少一些水。
同樣用來看報紙，這次水滴呈凹面鏡的狀態(tài)，可以看到文字變小。
用途

液體的表面受到表面張力的作用，如果在航天飛機中那樣無重力的狀態(tài)下，飄在空中的水滴會呈球形。
圖中表示的是利用這個原理來制造非常小的球形粒子的技術(shù)。首先，有一種叫做高頻振蕩發(fā)生器的裝置產(chǎn)生出非常高溫的狀態(tài)（熱等離子）。然后向里面投入材料（非球形狀態(tài)），使其落下（無重力狀態(tài)）。粒子受高溫變成液態(tài)，受表面張力的作用變成球形。如果大小在10微米以下，基本成完全的球形。
這種技術(shù)用于化學(xué)原料、化妝品原料、合金原料等的制造。
答案

液體中的分子有相互聚集的性質(zhì)，所以液體表面會產(chǎn)生一種向中心集中的力（凝集力）。在航天飛機中那樣無重力的狀態(tài)下，水滴受此力的影響而呈球形。把它換成地球的海面，我們再來考慮一下，如果沒有風(fēng)力的影響，海面上的波浪等受重力的作用變平。如果從地球整體來看，海面就接近球形了。
液滴中的凝集力也像作用于海水的重力一樣，產(chǎn)生向中心的拉力，使液滴呈球形。換一種想法就是，凝集力是使液體的表面張緊收縮的力。因此稱為表面張力。氣球的橡膠膜將里面的空氣向中心擠壓，是因為橡膠膜自身分子間的相互吸引力，把表面張力考慮成薄薄的橡膠膜也許會容易理解一些吧。

    把杯子灌滿水，水面會漲起來，也是因為表面張力的作用。
“做做看”中，水量多的情況下，水面在5日元的圓孔中上下漲起來。因為表面張力的作用，水不會落下來。如果把水面考慮成橡膠膜，那么就可以理解成因為橡膠膜的作用使水受到了支持。
水面變成了如圖所示的形狀，中央部分較厚，像凸透鏡那樣，如果和報紙之間的距離合適，可以看到被放大的文字。如果有小字看不清楚，可以使用這種方法。但是因為圓孔太小，有些不太實用。
接著我們來考慮一下“做做看”中的凹透鏡。和前面的凸透鏡一樣，也是表面張力的作用。上邊的水面的下垂也是受表面張力的作用，可以把上邊的水面看成薄薄的橡膠膜，這樣容易理解一些。
圓孔的表面和水相互吸引，表面易被水沾濕是因為其有親水性（固體分子和水分子之間相互吸引）。比如，硬幣下面沾上水滴也不落下，玻璃杯中倒入一些水，和杯的內(nèi)壁相接處的水面會變高，這也是因為親水性。
“做做看”中水量比圓孔少的情況下，由于親水性的原因，水必然要與圓孔的表面接觸，使得水膜的中央部分不得不變薄，成為凹透鏡。

12，表面張力2

物質(zhì)的種類不同，有易沾水的，有不易沾水的。利用這類性質(zhì)可以做出一些奇妙的事情。
做做看

展開一張紙餐巾，用防水噴罐噴一遍，然后使其干透（注意換氣）。剪成5cm見方的四方形，現(xiàn)在開始做實驗啦。
把一張紙巾放到水面上。紙巾不會濕透，上面放一枚10日元的硬幣，紙巾還是漂在水上。
接著，只放一張紙巾在水面上，從旁邊對著它吹氣，紙巾會從水面上飛起來。
用途

我們身邊的許多物品是經(jīng)過防水加工的。衣服、書包、鞋子、雨傘等為了不易使它們沾水，可以進行防水加工。滑雪服不易沾融化的雪。汽車玻璃的防霧和車體的防塵功能都是利用了防水加工。
固體表面的這種不易沾水的性質(zhì)，一般稱為疏水性。“做做看”中用過的防水噴罐、還有上面講到的這些應(yīng)用實例，都是利用了疏水性。
相反，像上一小節(jié)中的玻璃杯和5日元等易被水沾濕的性質(zhì)稱為親水性。親水性或疏水性是由固體或表面材料的分子結(jié)構(gòu)等決定的（詳細請看卷末介紹的參考圖書）。
答案

“做做看”中的紙巾經(jīng)過防水噴罐的噴灑，有了疏水性。在上面滴一滴水，水因為受到排斥而呈球形。把紙巾放到水面上，因為疏水作用，紙巾和水的接觸面之間會形成一個空氣層。即使放上10日元，因為空氣層的存在，也會浮在水面上。
海獺和水鳥，由體內(nèi)分泌脂類覆蓋在體毛和羽毛上。因為疏水性，當它們浮在水上時，體毛或者羽毛之間會存有空氣，這對產(chǎn)生浮力也有很大的作用。
“做做看”中的紙巾飛離水面也是因為有空氣層的存在。和因為羽毛之間存有空氣，水鳥可以很輕松地飛離水面的原理是一樣的。

13，層流與亂流

流動當中，有不亂的“層流”和亂的“亂流”狀態(tài)。這兩種流動的性質(zhì)有很大的不同。
做做看

點一炷香，讓我們觀察一下。最初煙是呈直線狀整然上升（層流）。
但是到十幾厘米的高度突然變得亂了起來。周圍不管怎么保持無風(fēng)狀態(tài)也不行。
用途

流動中有層流和亂流兩種狀態(tài)。“做做看”中的香的煙霧最初是沒有混亂狀態(tài)的層流，之后變成了亂流。這兩種性質(zhì)可以為技術(shù)所利用。
高爾夫球上有麻坑（dimple），這樣可以利用亂流來減少空氣阻力，增加飛行距離。一般來說，飛行的球體后面會有渦流產(chǎn)生，是產(chǎn)生空氣阻力的主要原因。高爾夫球上的麻坑可以擾亂空氣的流動，積極地制造亂流。這樣亂流容易轉(zhuǎn)到球體的背后，使渦流減少。其結(jié)果是空氣阻力變小。
鯊魚皮的泳裝也同樣利用表面的突起制造亂流，減少水的抵抗。
還有，飛機的主翼中有利用層流的層流翼。被用于阻力較小的滑翔機和最新的噴氣機。
高爾夫球和鯊魚皮的泳裝都是積極地制造亂流，用來減少空氣阻力。但是飛機的主翼使用的是后面不產(chǎn)生渦流的流線型（第26小節(jié)），使用亂流的必要性較小。一般來說，和亂流相比，層流的摩擦抵抗較小。所以層流翼就利用層流來減少阻力。
一般的機翼，最厚的位置在前部的三分之一的范圍內(nèi)，而層流翼卻在中央附近。使層流的領(lǐng)域擴大，摩擦力減小。但是層流翼的表面必須作得十分光滑，這使其只限于一部分的飛機。

答案

流動中有層流和亂流兩種狀態(tài)。兩者本質(zhì)的區(qū)別是是否有速度變動。
速度變動是指隨著時間的變化，速度也變化，變化的方式隨場所而不同。流動，有著潛在的趨向于混亂和不規(guī)則的性質(zhì)。
另一方面，流體有著“粘性”的性質(zhì)，對流體的變形產(chǎn)生抵抗。粘性具有抑制流體中的分子隨意運動的作用。
速度小粘度大的時候，受粘性的影響較強，混亂被抑制，呈層流狀態(tài)。相反，速度大粘度小時，呈亂流。
關(guān)于層流和亂流，有著名的雷諾實驗。1880年，英國的奧斯本·雷諾進行了使水在管子中流動，在其中心注入顏料水的實驗。
流動慢的時候，顏料水不擴散，基本上成一條線狀流動。這時候管子內(nèi)的流動是層流，沒有混亂，整然地流動著。
逐漸加快水的流速，在某一程度，顏料水突然變得混亂，在管子內(nèi)擴散開來。這時的流動是亂流，水總是成混亂狀態(tài)流動的結(jié)果，是顏料水急速地擴散開。
從這個實驗可以看出，不只是粘度對流動有影響，流速也有影響。
“做做看”中的香的煙霧在產(chǎn)生的瞬間沒有亂，呈層流。但是上升到一定距離，流體本身具有的易亂的特性顯現(xiàn)出來，變成了亂流。即使周圍是無風(fēng)狀態(tài)依然會變成亂流。
沿著物體表面的流動也是同樣。流體和物體接觸的瞬間是層流，但是，沿著物體流動的過程中就會變?yōu)閬y流。
一般的機翼，在前三分之一處有機翼的最大厚度。而“用途”中的層流翼的最大厚度在機翼的中央附近。一般情況下，到達最大厚度之前，流體一般保持層流狀態(tài)。層流翼擴大了摩擦阻力較小14，CAVITATION

壓力降低，水的沸點也隨之下降，這種現(xiàn)象稱為CAVITATION（譯者認為僅僅翻譯成“飽和壓力點”也許不太全面），即使室溫也可以使水沸騰。
做做看
準備一根透明的塑料水管子，接到水龍頭上，將接口處固定結(jié)實。
把一雙一次性筷子掰開，用橡皮筋固定住一頭，然后用它來夾住塑料水管。
捏住筷子，使水管變形，然后稍微打開水龍頭，調(diào)整流量，使從水管流出的水流量以剛好充滿管子出口的截面為好。
這時，將水龍頭逐漸放開，增加水的流速到某一程度時，會有氣泡產(chǎn)生，并有“吱啦吱啦”的聲音。水開始沸騰（氣化）了。
用途
船的螺旋槳旋轉(zhuǎn)得越快，則船速越高。但是這種轉(zhuǎn)速也有界限。如果轉(zhuǎn)速過高，和螺旋槳接觸的水的一部分因為壓力過低就會發(fā)生氣化（沸騰）。一旦開始氣化，螺旋槳的推進能力會急劇下降。還不止這些，螺旋槳也會受到傷害，發(fā)生事故。
同在“做做看”里逐漸開大水龍頭，使水達到某一流速時發(fā)生氣泡的現(xiàn)象一樣，螺旋槳達到一定轉(zhuǎn)速水也開始氣化，產(chǎn)生氣泡。
這樣的現(xiàn)象稱為CAVITATION。在船舶的開發(fā)設(shè)計中，為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，已經(jīng)積累了很多研究成果。的層流面積，減少了阻力。

答案

隨著液體的壓力下降，單個分子也變得易于自由活動，也就容易氣化。液體開始氣化的壓力稱為飽和蒸汽壓。比如，20攝氏度的水的飽和蒸汽壓是2338帕斯卡（大約為1個大氣壓的2.3％）。低于這個值則開始發(fā)生氣化。
還有，在富士山上，水的沸點低于100攝氏度也是因為同樣的原理。
在“做做看”中，被壓癟的水管處的流速變高，在此處因為水的運動能量變大，與之相應(yīng)，壓力也就降低（理由請看第18小節(jié)）。開大水龍頭加快水的流速，壓力則下降得更大，最后終于開始氣化?？吹剿儼拙褪且驗樗畾饣a(chǎn)生了氣泡的原因。
船的螺旋槳高于某一轉(zhuǎn)速時，局部的水壓低于飽和蒸汽壓，這是就發(fā)生CAVITATION現(xiàn)象。產(chǎn)生氣泡使螺旋槳的推力下降。除此之外，CAVITATION還產(chǎn)生壞的作用。在壓力低的地方產(chǎn)生了氣泡，當氣泡周圍的壓力變高時，氣泡會發(fā)生液化并消失。這時出現(xiàn)問題了，周圍的液體把氣泡向中心壓縮，當氣泡消失的瞬間，周圍的液體相互沖突，一瞬間壓力變得非常高，這會對周圍的物體產(chǎn)生損害。如果連續(xù)發(fā)生這種情況，物體的表面甚至物體本身會被破壞掉。這稱為壞食。
如上所述，在大部分情況下，CAVITATION對機械產(chǎn)生壞的影響。比如，向高層建筑送水的水泵等接觸液體的機械，在設(shè)計時應(yīng)注意考慮避免發(fā)生CAVITATION。
但是，CAVITATION也不總是起壞作用。比如，無創(chuàng)傷醫(yī)療領(lǐng)域中，可利用其進行有效的結(jié)石治療。
結(jié)石是在官腔中形成的固體成分。如果把焦點對準結(jié)石表面，從體外發(fā)射超聲波，就會在在結(jié)石附近產(chǎn)生很大的壓力變化，導(dǎo)致CAVITATION，使結(jié)石從表面開始粉碎。
15，加速度運動 1

當移動裝著水的杯子時，稍不注意水就會灑出來。但是如果了解了流體的性質(zhì)，可以知道比較完善的運輸方法。
做做看
把塑料的飲料瓶子攔腰截斷，用來做裝水的杯子，當移動杯子時，稍不注意水就會灑出來。
接著，用絲線把這個杯子吊起來，這時裝上水并移動杯子，即使小有晃動水也不會灑出來。
以這兩種運水的方式進行一場賽跑，感覺會更加明顯。
用途
送外賣用的載物臺，這里面有比較巧的設(shè)計。首先，要盡量使載物臺不振動。其次，即使振動也不能發(fā)生食物外形破壞、湯灑出來之類的事情。
這其中的秘密之一便是載物臺是采用吊起來的方式。和“做做看”中的杯子一樣，把容器吊起來，使液體不易灑出來。當流體開始運動、運動的方向改變、運動停止等時候，流體產(chǎn)生加速度運動。受加速度的影響，水面傾斜，如果不采取對策，液體就會灑出來。但是如果吊起來，容器和水會自然地朝合適的方向傾斜。
“做做看”和送外賣用的載物臺中的液體之所以不會輕易灑出，就是因為容器能跟隨水面的變化作相應(yīng)的運動。

答案
如圖1所示，讓我們考慮一下裝著水的容器向左方開始移動時的情況。容器開始向左移動，里面的水因為慣性想要在原地停留。因此，一部分水被推向容器的右側(cè)，右側(cè)的水面則變高。
在第7小節(jié)中已經(jīng)講到，水深的地方壓力高，考慮到容器的底部則是右邊的壓強高，左邊的壓強低。
作為試驗，把飲料瓶里裝上水，蓋上瓶蓋，在平臺上移動一下看看。竅門是開始時速度要慢，漸漸加速移動。如果加速度一定，水面將不會晃動，而是保持一定的傾斜度。稍微練習(xí)一下就能做得很好。加速度越大，水面的傾斜度也越大。
為了正確地調(diào)查加速度和水的關(guān)系，讓我們引入慣性力這種考慮方式。使物體加速運動時，自己也和物體一起運動并且作觀察時，會發(fā)現(xiàn)受到了與加速度方向相反的慣性力的作用。
對于這種情況，當你乘坐電車時感覺會比較明顯。當電車開動時，乘客會受到與行進方向相反的作用力而有順勢倒向一邊的感覺。這就是慣性力。相反，以一定速度運行的電車要停止時，加速度向后，人則受到向前的作用力。
也就是說，慣性力與加速度的方向相反。并且，它的大小是
慣性力的大小
= 質(zhì)量 × 加速度
流體也是同樣，當加速運動時受到反方向的慣性力的作用。和固體不同，流體難以明確地區(qū)分質(zhì)量。因此，取與其加速度相反的量為慣性加速度來考慮問題。如圖2所示，最后“合成的重力加速度”是由“重力加速度”和“慣性加速度”組合而成的。
比如，使容器向左方加速移動，合成的重力加速度是向右傾斜的。水面與其垂直，所以右側(cè)變高。
在“做做看”中，當杯子被用絲線吊起來時，如圖3所示，杯子、絲線和水都受到合成重力加速度的作用。絲線和杯子會順著合成重力加速度的方向，與水面保持垂直，水就不易灑出來了。