09.29 幾則經典的力學的錯誤解釋

一些類似於十萬個為什麼之類的科普讀物,使用物理學定律解釋生活中的現象,而物理學教科書中也使用生活現象作為物理定律的應用。這正是物理學的威力所在。但是,如果對現象使用錯誤的解釋,反而容易損害科學精神。下面舉出幾個常見的物理學經典錯誤解釋。

1. 抽水馬桶的水流形成的漩渦,在北半球逆時針旋轉,在南半球順時針旋轉。

當我們使用洗臉池或者抽水馬桶後放水時,水流通常要形成漩渦從排水孔流出。為什麼會形成漩渦呢?熱心的物理學家這樣告訴我們:由於地球本身的自轉,使得在其表面流動的液體和氣體(或稱為流體),受到“科里奧利力”的作用。科里奧利是19世紀法國數學家,他發現在旋轉球體上移動的物體,會偏離其運動軌跡。

這很容易理解,把等角速度旋轉的物體本身看成是一個非慣性系,那麼其中運動的物體受到慣性力的作用;特別是,一個慣性力垂直於矢弳方向,是因為沿矢弳方向移動時候,其線速度會發生改變,也就是產生了加速度,這就是受力方向。在地球北半球,科里奧利力造成流體逆時針旋轉,在南半球則順時針旋轉。


幾則經典的力學的錯誤解釋


物理學家對科里奧利力或科里奧利效應的理解絕對準確,但使用科里奧利效應來解釋抽水馬桶水的漩渦則大錯特錯。科里奧利效應在解釋洋流、大氣環流之類大規模運動的流體時是成立的。但是,對抽水馬桶的水流,科里奧利效應則幾乎毫無影響。馬桶旋轉水流的2端,由於地球自轉造成的影響幾乎是完全相等的,即使有略微不同,也安全無法造成強烈的水流。

那麼,馬桶時如何造成水流旋轉呢?仔細觀察即可發現,答案是馬桶邊緣的出水孔。馬桶設計人員使水從邊緣沿著切線方向噴出,這樣造成水流的強烈旋轉。但是,洗臉池和浴缸並沒有側向水流,為什麼也會產生深深的漩渦呢?答案也不是科里奧利效應。原因在於,水在流向排水孔時,不能把孔完全蓋住,否則,空氣跑不出來,水也流不下去。

因此,水流必須“排隊等候”流入排水孔。漩渦就是水流排隊的方式。通常,對於某個馬桶,漩渦方向是固定的。這因為排水孔中心並不嚴格處於馬桶或者浴缸的中心,這樣,初始的隨機偏轉效應會累積,最後形成固定的旋轉方向。

不相信嗎?多做幾個實驗吧。

2. 飛機在天上飛是由於“伯努利原理”造成的機翼升力。

伯努利也是一位數學家和物理學家,他在1738年發現,當流體的流速提高,表面的靜壓力會降低。這個現象稱為“伯努利原理”,而幾乎所有的物理學教材和科普文章,都使用這個原理,討論機翼升力的產生。為了解釋這個原理,通常,他們首先會讓你拿出2片紙,並用力在紙的中間吹氣,瞧,2張紙像粘在一起了!


幾則經典的力學的錯誤解釋


機翼的上表面是拱起的,而下表面是平坦甚至凹進去。當氣流通過機翼表面,機翼上方空氣流速較快,而下面空氣流速較慢。根據“伯努利原理”,下面氣流造成的靜壓力大於上方氣流的壓力,於是,機翼受到一個向上的作用力,飛機就飛了起來。

遺憾的是,這是完全錯誤的。而使用“伯努利原理”解釋飛機的升空也是“白努力”。

伯努利效應可以解釋一部分升力的來源,但這是非常小的一部分。如果飛機僅僅根據“伯努利原理”飛行,機翼形狀必須非常“拱起”,或者,必須要飛得非常快才行。

飛機的升力主要由另外2個效應提供。一個是康達效應;另一個是氣流衝擊效應。

康達效應指的是,氣流流經機翼曲面時,氣流會緊貼機翼表面(這當然也有一點伯努利效應的含義)。這樣,機翼的形狀有效地改變了氣流的方向,使離開機翼的氣流相對飛機作向下的高速運動。機翼推開氣流,但這個運動受力的反作用力作用於機翼上,相當於氣流也在推開機翼,這個力使得機翼向上舉起。

另一個重要的效應是氣流衝擊效應。當一塊平板的方向不是與氣流運動方向嚴格垂直,那麼,平板會受到氣流的衝擊。飛機的機翼與其自身有一定傾角(4度左右),特別是,當飛機起飛時,要把機頭高高抬起,形成更大的傾角,這樣在低速時,也可以獲得較大的氣流衝擊效應,以便使幾十噸的飛機起飛。但是,機翼的傾角並不是完全用於提供升力,更多的是為了維持飛機本身的氣動佈局,以保證飛機在飛行時侯的氣動平衡。

飛機是一個非常複雜的氣動力學系統,設計師必須保證飛機在x,y,z幾個方向上受力平衡。這就是飛機為什麼需要機翼、尾翼、垂直尾翼的原因(那種像飛碟一樣的無尾翼飛機設計起來是非常麻煩的);此外,為了操控飛機,機翼上都開有活動襟翼,因此要仔細分析飛機的受力很不容易。這也是飛機設計原型為什麼要進行風洞試驗的原因。

下次從新鄭薛店機場登機時,不要忘了觀察一下機翼的形狀。

3. 騎自行車“大撒把”是由於陀螺效應。

這是一個典型的錯誤解釋。

自行車只有2個輪子,卻為什麼可以保持平衡呢?甚至,高手在騎車的時候,可以雙手離開車把,任由車子向前走而不擔心摔倒(但要擔心前面呼嘯而來的汽車)。物理學家拿出一個陀螺,放在地上轉一下,並開始用鞭子使勁抽打它,隨著陀螺越轉越快,陀螺也像不倒翁一樣,雖然只有一個尖著地,卻左右搖擺而不肯倒下。這就是陀螺效應:旋轉的物體有保持其旋轉方向(旋轉軸的方向)的慣性。


幾則經典的力學的錯誤解釋


雖然有一個旋轉方向,已經很穩定了。而自行車有2個輪子,顯然自行車輪子在高速旋轉的時候,會使自行車更穩定。因此,騎車人撒開車把也不會倒下。

但遺憾的是,這並非一個合理的解釋。

陀螺效應在保持自行車穩定中也許起到不可忽略的效果,但是,如果自行車單單憑陀螺效應保持穩定,那麼,初學者也應該在高速騎車時不會倒下。但是,2個陀螺似乎並不足以支撐騎車人重達幾十公斤的身體的傾斜。剛學習騎車往往會摔得很慘。從另一個方面看,騎獨輪車的雜技演員由於車速很低,甚至車輪完全停止轉動,則基本無法依靠陀螺效應保持平衡。

自行車的平衡首先來自於騎車人腰部的肌肉。熟練的騎車人,其身體形成自動的條件反射,當自行車稍微傾斜倒下時,人的身體會感受到,腰部肌肉會自動動作,把身體拉向另一側,形成的反向力矩促使車身抬起。我們學習騎自行車,也就是訓練身體的肌肉完成這種條件反射,而一旦學會,這個控制迴路就保持在小腦中,隨時可以啟用,許多年也不會忘記。

但是高速騎車時,會感覺車子比剛剛起步的時候穩定,這又是為什麼呢?

自行車本身的平衡機制,來自於前叉後傾。我們可以觀察到,幾乎每輛自行車的車把軸,都不是與地面完全垂直,而是後傾的。由於前輪是固定在車把的前叉上,因此又叫前叉後傾。前叉後傾,使車輛轉彎時產生的離心力其所形成的力矩方向,與車輪偏轉方向相反,迫使車輪偏轉後自動恢復到原來的中間位置上。這樣,車子就有了自動回正的穩定性。車速越快,所造成的恢復力矩越大,騎車人就越感到穩定。這就是高速騎車時,會感覺車子比剛剛起步的時候穩定的原因。

一般而言,車子前叉越後傾,車子越穩定,但轉動車把越費勁;而後傾角度小,轉把較容易,但車子的穩定性不夠。但如果自行車完全沒有前*後傾,那麼,騎自行車會是一件很痛苦的事情。

自行車其實是相當複雜的力學體系,而汽車的前輪定位更加複雜。有主銷內傾、主銷後傾、前輪外傾和前輪前束,這保證開車的時候車子儘可能穩定,但又減少輪胎的磨損。

因此,我們看到,在解釋實際的物理現象時侯,切不可濫用物理學定律。由此我想到,物理學家儘管在黑板和實驗室往往很成功,但面臨具體的工程領域,需要大量簡單但系統的建構時,就顯得力不從心了。因為物理學研究的是抽象模型,這些模型常常是幾個變量作用的簡單系統,要定量研究清楚,一個需要數學,還有就是需要洞察力;但實際的系統,常常非常複雜,發明這些系統,除了需要洞察力,更多的是類似於設計師一類的建構能力。這就是為什麼愛迪生完全沒有物理學知識,卻可以做出許多重要發明;為什麼許多發明儘管被認為是物理學的應用,但其實於物理學無關。

舉個例子:蒸汽機儘管是物理學的一個應用,但如果僅僅認為,瓦特是看到水壺的蒸汽把蓋子掀開,認識到膨脹的氣體可以做功,就發明了蒸汽機,這就太簡單了。

實際的情況時,如果不能想出活塞、曲軸、連桿等裝置把直線運動轉化成圓周運動;不能把進氣和排氣閥的開啟和關閉,用某套機構跟曲軸聯繫起來;不能設計出合理減速比的傳動系統,那麼蒸汽機還只是一個物理學的教案,而不能成為現實。

來自四川大學藍色星空站


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