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笔下文学 www.bxwxx.com,我们的1654无错无删减全文免费阅读!

考虑空气升力的优化设计,转而考虑对雷达的隐藏能力。所以就出现了机翼和机身下面是一整个平面的结果。

    在某些情况下,伯努利效应会带来危害。两条船在水上并列行驶时,中间的水流相对流速快,外侧的水压会使两船靠拢。如果一条船很小时,压力会使小船撞到大船上。

    在游泳池或河中游泳,离开水以后身体上总是湿漉漉的,也就是有些水会粘滞在身体上。某些特殊材料,比如经过纳米表面加工后,可完全不粘水。通常的物体总是或多或少会粘水。同样,空气也有类似特性,不过不易被观察。观看体育运动时,会发现一些有趣的结果。比如足球,有香蕉球、落叶球,还有一种路线飘忽的球。乒乓球有弧圈球,侧旋球等。这些球的轨迹和我们的通常预计的有很大差异。这是怎么回事呢?

    球在前进的同时带有旋转,而球表面粘滞了一层空气,这层空气随着球共同旋转,与迎面而来的气流相互作用,就产生了类似于机翼的情况。如图4.3所示,球本身向左飞行,从球上空观察,描述球旋转方以及球不同方位气流按照球前进方向为基准。那么旋转方向是右旋。飞行气流与球左侧的旋转粘滞气流方向一致,流速加快,而与右侧的旋转粘滞气流方向相反,流速降低。那么球的右侧压力大于左侧,球飞行轨迹与无旋转的球飞行轨迹相比就向左偏移。同理,左旋球向右偏移,上旋球向下偏移,下旋球向上偏移。打乒乓球就可以验证结果。一般情况下,左右旋和上下旋会结合在一起。比如左上旋,或右下旋。那么球的偏移轨迹也是对应偏移轨迹的结合。偏离程度与两种旋转的程度相关。同样,足球中的香蕉球、落叶球原理也是这样。香蕉球相当左旋或右旋球,落叶球相当上旋球。这种因旋转到导致轨迹偏移的现象以德国人马格努斯的名字命名。特殊情况:足球中有一种球在空中的轨迹居然是忽左忽右。这种球完全不旋转,在空中应当是标准的抛物线。但球场中总有些小风,这些风方向不定,不同位置的风向可能相反。完全不旋转的球在空中就受这些小风的影响,可左可右,并且速度快,很容易干扰守门员的判断。这种情况和滑膛枪的子弹类似,在超出100米后,子弹不知道飞到哪里去了。所有滑膛枪时代的战术是以量取胜,大量射手排成阵列同时射击。双方均采用此方法,战术情景类似排队枪毙。在进入线膛枪时代,进行远距离射击,还需要观察手,给出风速和方向,以便校准射击。

    观察:

    伯努利原理的另类应用。在赛车场上,为了增加轮胎与车道的摩擦力,以增强赛车控制能力和速度,赛车的外形制作是让赛车与地面之间气流速度快,气压小,赛车上方流速慢,气压大,这样增加了赛车的抓地能力。

    足球射门集锦中总有一些香蕉球出现,观察球员在触球时的动作和球飞行轨迹之间的关系。

    巴西有个球员儒尼尼奥擅长踢飘忽球,仔细观察电视慢镜头回放中的忽左忽右轨迹以及球本身。

    网球、高尔夫球、台球、排球都有旋转形成轨迹偏移情况,最突出的还是乒乓球,球拍制造旋转的能力超强,当然主要还是球员技术。在自己熟悉的球类运动中实践旋转的制造,是否能总结出制造旋转的规律?操场和球不是必须品,玻璃珠及类似物品也可以尝试。

    球表面粘滞流体,带来马格努斯效应,也降低球的旋转。观察高尔夫球,其表面有大量小坑,这个可以大幅度增加高尔夫球的飞行距离和旋转时间。小坑里的空气,旋转飞行时一直保持着内,在飞行中外部气流与坑沿上的空气膜作用,对球的飞行和旋转的摩擦作用远小于光滑球面的结果。同时气流可更顺利抵达球的背后,球的迎面和背后的压力差别小,球可以飞的更高更远。在博物馆里面寻找古代的类似玩具,是否表面有同样结构?

    自然中的风筝:在大风中,蜘蛛被吹上千米高空,而它吐出的丝长长地拖着后面。由于蜘蛛轻小,风很轻易就将蜘蛛带到几百公里以外的地方。当海中火山喷发形成一个新的岛屿时,首先到来的就是蜘蛛及其他类似体型的昆虫,植物的种子虽然来了,但还没有适合的条件发芽生长。而最早在这里生存下去动物就是蜘蛛,为什么?

    秋天大雁南飞,经常是人字形或一字形。难道大雁有检阅队伍的爱好?早期解释是大雁如此可以节省不少体力,这种说法可能过于乐观。结合这些群体生活的迁徙鸟类行为,后来的解释大致是综合因素,大雁这样飞行便于确定队伍中各自的位置,至于节省体力尚待进一步分析。大约可估计,节省体力存在,但不如通常认为的那么多。不过鸟类长途跋涉后,体重减轻可达30%以上,节省一点体力就意味着生存可能性更大。另外鸟类飞行无法和飞机相同,翅膀还要产生向前的动力。电视慢镜头可以显示鸟类扇动翅膀的动作,和昆虫的方式不同(鸟类挥动翅膀,从鸟翼前缘向后方生出旋涡状的气流,和飞机螺旋桨后方产生的气流非常类似。例外:蜂鸟,体型非常小,飞行方式是鸟类和昆虫的结合)。

    除了进行有组织飞行外,降低体力消耗主要是降低飞行时空气对身体的阻力。通常所说的流线型,就是指那些有效降低空气或水阻力的外观结构。以空中为例,飞行时什么因素影响阻力?鸟表面粘滞着一些空气,这些粘滞空气和翅膀两侧气流作用带来阻力及升力。空气迎面冲来,相当于临时压缩,压力增加。而背后部分则空气补充滞后,相当于临时膨胀,压力减小。那么正面和背后的空气压力差也成为阻力的来源。除了提升升力的飞羽外,那些覆羽将整个轮廓构造为流线型,使得正面空气更易流到背后,压力差减小。实际上,慢速飞行时粘滞阻力是主要因素,快速飞行时压力差阻力是主要因素。观察空中飞行者,鸟类基本都是流线型身材。昆虫,比如苍蝇,不必在乎什么身材(3亿年前,地球上充斥着大量大型昆虫,体长近1米的蜻蜓。这些昆虫体型没什么变化,那说明它们的飞行方式和现代鸟类完全不同)。水的密度比空气大得多,流线型依然重要,但粘滞阻力也必须降低。悉尼奥运会,索普穿着鲨鱼皮泳衣夺得3枚金牌,使得鲨鱼皮泳衣名震泳界。后来被认为是不正当竞争,又禁止使用。而鲨鱼皮表面粗糙,可当砂纸,进行光滑打磨。正是这些粗糙褶皱,起到了高尔夫球表面的效果,大幅度降低了粘滞阻力。

    人类制造了大量空中和水中的机械。为了增加效率,流线型的外壳是必不可少(例外:直升飞机,飞行速度慢,为了增加巡航速度,外型基本还是流线型,存在大量外挂装置)。不过空气密度小,当发动机力量足够时,外型的要求可适当降低。水的密度大,所以船只的外形构造是提高速度的最重要因素。潜水艇的形状和海豚、鲨鱼很类似,为了模拟这些快速动物的弹性皮肤,潜水艇外部还特意覆盖厚厚的橡胶层。但无论怎么做,都是形似而不是神似,毕竟不能任意扭曲身体。

    观察:

    坐轮船时,观察尾部的扰流,那些小旋涡一个接一个。飞机翅膀、大雁翅膀后面都存在,但眼睛无法观察空气中的旋涡,除非卷进尘土或雾滴。但水中很容易观察。

    飞机降落减速时,翅膀上的减速板升起,破坏了伯努利效应,增加了前后压力差,有效减速。军用飞机甚至还放个降落伞进行减速,当然伞是拖着后方而不是上方。

    赛艇,虽然是水上机械。但在使用中,整个艇身基本都在水面上,就尾部贴在水面,提高前进动力。阻力来自空中,动力来自水里,所以速度奇快。但操作不当,赛艇会飞到空中而出事故。

    集体跑步时,形成一个长长的人链。第一个领跑的人,阻力最大,后面的就省力。为什么?田径比赛的长跑项目,那些冠军基本都不领跑,最后冲刺。除非实力超群,无可匹敌。

    如右图,三角形向左移动,气流产生的阻力是向右方。如果移动速度相同,这两个三角形,那个受到的阻力小些呢?观察水滴在空中下落时的形状(水滴速度越快越好),有条件的情况下,用照相机拍摄水滴形状。对比水滴形状与三角形。

    梅乐芝经理的科普文章(五)

    第5节热

    夏天感到热,冬天感到冷,通常我们以自己的冷热感觉作为对环境的判断。但这种判断并不准确,甚至会出现判断相反的情况。比如同样的井水,夏天酷热时节,这水真是沁人心脾啊,冬天一双冻僵的手则觉得真是春天般的温暖。所以精确衡量冷热需引入温度的概念。我们生活的环境最容易接触的就是水,以水的结冰点定义为0度,沸腾点为100度(在海平面的高度)。这就是瑞典人摄耳修斯对温度的划分。荷兰人华伦海特制定了另外一种划分方法,把一定浓度的盐水结冰温度定为0度,把纯水结冰温度定为32度,水沸腾的温度定为212度。通常我们称为摄氏温度或华氏温度。我国采用摄氏温度划分,以下叙述中温度全部采用摄氏温度。

    温度定义好以后,对于宇宙任意物体的冷热效果,都用其温度来表达。原则上温度没有设上限,可以任意高(实际上,光速给出了对应温度的上限),但有下限,最低到零下273.15度,记为-273.15c。这个令人意外。太阳内部温度上百万度,某些恒星表面1万度以上,太阳表面温度5500c。地球表面最热的地方是火山口,可达1000c以上,在南极洲,最冷的地方可达-89c。大多数地球的生命可以存活的温度范围大致从0c到50c。少数可以生活中极限环境中。冻原的细菌可以在-150c生存,海底热泉附近的细菌可以在400c生存。多数哺乳动物的体温和我们接近,维持在37c左右。我们的体温基本恒定,如果体温过高或过低,都会危及生命。

    温度高低不同我们感觉热冷不同,但并不是温度决定一切。在炉子上烧开水,烧开小锅水和大锅水的时间不同。身体暴露在0c的空中,人体还可以坚持很长时间,但人体泡在0c的水中,很快就要丧生。造成以上差异的就是热量。

    首先,热量可以传递。烧开水时,无论是燃气还是电炉丝,其温度都在800c以上,开水温度才100c,所以热量是由燃气通过锅传至水。气温0c,我们体温37c,那么热量就由身体传到空气。热量的变化带来了温度的变化。我们定义热量,单位用卡。如同定义长度,单位用米一样。1卡就是1克水升高1摄氏度所需的热量。大锅水比小锅水量大,升高一度需要的热量多,而炉子提供的热量固定,所以烧得慢。温度上升或下降是因为热量的进入或丧失。而热量的进入或丧失是因为热量进出的两方温度有差异。

    其次不同物质在温度变化时热量需求是不同的。在所有物质中,同重量物质等温升高水需要的热量最多。换而言之,在重量相同、降温数量相同情况下,水降温时释放的热量最多。加热1克空气使得温度上升1度需要的热量仅是水的六分之一,而且1克空气的体积几乎是1克水的1000倍!身体向空气传热时,体表的空气很快就被加热,同时皮肤丧失热量因而温度下降。两者温度相同时不再进行热量传递。而距离皮肤较远的空气温度又低于皮肤表层空气温度,所以热量又继续向远离皮肤的方向传递。导致皮肤表层空气温度下降,而这又导致皮肤继续向空气散热。身体内部也类似。从肌肉到皮肤,温度逐渐下降。这样从肌肉到空气,形成了温度的连续下降的一个持续状态。比如:肌肉37c,脂肪内层35c,外层30c,皮肤20c,皮肤表层空气15c…远处空气0c。此时身体不断向外散热,维持着温度分布的稳定。如果身体产生的热量大于或等于保持上述温度分布而需要的热量,人体就能生存下去。在这种情况下,刮来一阵风,就破坏了体表空气形成的温度分布,直接让0c空气抵达体表,人体马上散更多的热出来。此时对身体的状况就相当于不刮风空气温度为-20c时的情况下,人体建立的温度分布。冬天气温不变,刮风和不刮风的日子,身体感觉完全不同。动物的皮外毛发密集,固定住大量空气不受风的影响,这样建立起静态的温度分布,最大限度地降低了恶劣气候的影响。人类使用动物毛皮做衣服,用羽绒填充衣服中间,也是同样原理。当人在水中时,比如在北极的冰海中,海水温度比0c还低一点。皮肤接触同样体积的水,重量几乎是同体积空气的1000倍,加热升温一度需要的热量是4000倍。维持同样的温度分布,人体散发的热量远远不够。所以体温会急剧下降。事实上全身卷缩起来,尽力保持腹部和腋窝的温度,可以生存15分钟。否则5分钟就丧生。而同样在北极附近,夏天后的第一场雪落在因纽特人裸露的皮肤上渐渐融化,他们迎来了新年,安然入睡。思考:

    1.四万年前,史前人类有了重大发明,双卷边缝纫技术,这样毛皮制作的衣服不漏风,他们得以进入当时寒冷的欧洲,随后又征服西伯利亚。沙漠中夏天也需要穿类似的衣服,为什么?

    2.大象身体没有毛,而它的近亲,猛犸象(最晚于4000年前灭绝),又称长毛象,浑身长满了毛。犀牛同样没有毛,但其近亲长毛犀牛也是浑身长毛(最晚1万年前灭绝)。估计这些灭绝的近亲应该生活在什么环境中?

    3.有冬泳爱好者,大冬天凿开冰面游泳。估计能游多久?为什么出水后浑身通红?

    4.初夏开始游泳,水温尚低。刚入水身体感觉很冷,一会就适应了。这说明什么?最后可以测量一下体表温度和水温,让没游的人用手指感觉一下即可。

    5.人体的热量来自体内储能。在身体热量供应不足时,会打冷颤,事实是肌肉在释放热量。很多时候喝高度酒来御寒,其实是在饮鸩止渴。这时候吃点高热量的东西是正经事。为什么?

    6.俄罗斯大妈,基本是胖子的代名词。南方人,比如岭南地区人,都显得干瘦。为什么?北极熊、海豹、海象都安然在冰水中生活,它们身体和人体的差异在哪里?

    7.大型鲸鱼经常在两极活动,人类自19世纪开始大量捕鲸。那是工业革命的时代,在石油工业尚未开始时,鲸鱼就是提供润滑油、蜡烛的天然仓库,为什么?

    8.有喜好晒日光浴的,在冰天雪地中全身赤裸晒太阳。可以肯定的是,当天天气无风。如果刮大风,还能坚持几分钟?

    9.肌肉温度低于正常状态,就丧失部分功能。如果温度严重不足,就表现为冻僵效果。人容易冻僵的部分有手脚耳朵鼻子。为什么?

    10.人体吸入空气,会对空气进行加热或散热。扁平鼻子易于散热。高窄鼻子加热快。观察鼻子就知道祖先在那里长期生活。

    11.生活在水边的鸟类,腹部有厚厚的绒毛,中间固定着大量空气。在水中时,这些空气就是隔离层,防止水直接接触到皮肤,起到良好的隔热作用。我们使用羽绒衣,就是将这些绒毛填充在衣服内层,形成隔热层。同样,棉花也是类似作用。

    早穿棉袄午穿纱,围着火炉吃西瓜。这是说新疆一天内的情景呢。桑拿夏天,天还没亮,就热烘烘的,太阳露个头,蒸笼开始上汽。好一个马拉松式的减肥过程,但除了难受,还是那么胖。持续到凌晨,终于困得合眼了。这是长江流域的情景。

    新疆的情况,说明昼夜温差很大。这也是新疆瓜果甜的原因。白天日光强,温度高,植物光合作用,合成大量糖分。晚上气温低,植物消耗低。综合结果糖分积累很高。为什么昼夜温差大呢?太阳出来了,天空晴朗无云,大量热量传到地面。而地面沙子比例很高,和水相比,同样的热量,沙子升高的温度是水的四倍。少量的热量就可以使沙子温度上升很高。地面温度上升了,空气又被地面加热,所以午穿纱。但在阴凉地方或室内,温度并不高。另外一个重要因素,空气中水蒸汽含量低,人出的汗很容易挥发,所以显得干爽。在高原昆明也有类似效果,只是程度要低些。太阳落山了,失去了太阳的热量补充。地面和空气中的热量依然向太空中以辐射的形式散发。虽然温度很高,但实际储存的热量较少,不存在阻碍散热因素,很快就散发完了,温度降低到辐射散热收支平衡的程度。所以晚上冷飕飕的。

    长江流域的情况,说明昼夜温差小。桑拿的起因是空气中水蒸汽含量快达到极限了。这样人体排出汗很难挥发,都附着身体表面。感觉粘乎乎的,很不舒服。夏天时,副热带高气压笼罩着长江流域(参见16页图),气温高,空气对流弱,风少而小。尤其城市中缺乏植被进行辅助降温,导致整天闷热。气温虽然不如新疆高,但人体自身降温措施失效,躲在哪里都没用。空调可以使某密闭空间温度适宜,后果是恶化整个外部环境,并且恶化效果大于密闭空间的适宜效果。至于大多少,要看空调的效率高低了。所以桑拿天气还有一部分的人为贡献。地表泥土为主,含水量大,储存的热量大,散热时空气中的水蒸汽、云都是妨碍散热因素。所以晚上散热效果不佳。在地球同纬度的其他地区,大量都是沙漠。都是副热带高气压和人共同惹的祸,撒哈拉沙漠史前还是草原呢。当然气候是主要因素,环境太脆弱,人只不过小小地推了一把,就让环境万劫不复。同样的情况也出现在新疆东部和甘肃、内蒙西部。

    在热带,气温一直很高,不存在四季情况,只存在雨季和旱季。而雨季和旱季交替依赖季风的风向。而暖湿气流只能来自海洋。西双版纳,旱季是11月到来年4月,雨季是4月到11月。那么对应的季风情况,就是11月到4月,刮东北风,所以旱季。4月到11月,刮西南风,风来自印度洋,所以雨季。而太平洋的气流最远可以抵达青海西宁,大西洋的气流最远抵达新疆伊犁河谷。青海和新疆大部分地区,甘肃中西部,内蒙中西部,没有海洋气流抵达。如果没有喜马拉雅山脉及青藏高原,印度洋的气流估计可以抵达。经常光顾这里的气流主要是西伯利亚寒流,因此降雨量很小。地貌以草原、沙漠为主,水主要来自冰川融化。在内陆河流经的地方形成绿洲和贸易中转站,间或可以进行农业种植。近几十年全球气候快速变暖,导致冰川积累不足,逐年退后,依赖冰川融水的地区水供应日渐窘迫。

    思考:

    1.中国耕地面积,目前集中在华南、长江流域、华北和东北。耕地对水供给的要求较高。而草原要求很低。在历史上,长城是防御草原游牧部落进攻的主要屏障。农业耕作,对降雨量达要求是400毫米,中国的400毫米降水线和长城的路线比较吻合,这个是巧合吗?

    2.昼夜温差小的区域应该有什么要求呢?那些是主要因素?

    3.空气中水蒸汽含量使用湿度来描述,湿度达到100%就说明目前空气中的水蒸气达到最大量了,无法再增加了。湿度和温度密切相关,温度越高,空气中允许存在的水蒸气越多。通常的湿度都是指当前温度下,空气中水蒸气的数量和最大可存在值的比例关系,称为相对湿度(绝对湿度是指水蒸气和空气数量的比例关系)。桑拿天气,湿度接近100%,在自来水管道上,可以看到凝结大量水滴,为什么?另外地球上最干燥的地方在南极,为什么?阿塔卡马沙漠为什么比不过?

    4.早期文明,周围都有大河。埃及有尼罗和,苏美尔有幼发拉底河和底格里斯河,印度有恒河,中国有黄河。为什么?希腊没有大河,但其文明却扩散到地中海和黑海区域。而那些有大河的文明,却没有扩散开?

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