在19世纪的沙皇俄国,发生了一起惨案。事情是这样的。
当时沙皇政府的一位将军,要从圣彼得堡到西伯利亚视察。沿途一个驻军的司令得到了这个消息,认为是巴结这个将军的好机会。了解到将军到达驻地附近车站的当天,他一大早就把士兵集合起来,命令他们在铁轨两旁列队远迎。士兵们持枪站在铁轨两旁,期待着将军的光临。一小时,两小时·······半天过去了,仍不见专列的踪迹。士兵们又累又饿,都快站不住了,忽然,从远处传来了汽笛声,不一会儿就看见火车头冒的烟。司令官高喊立正,士兵们强打起精神立正。火车尖叫着驶来,毫无减速的意思,风驰电掣的驶过士兵的列队之间。就在这时,好像有一双无形的大手,猛推着紧靠铁轨站立的士兵们,使他们向列车扑去,眨眼之间,那个喷着白烟的钢铁怪物是过去了。铁轨上血肉模糊,士兵们哭叫连天,司令官当时就吓昏了。谁是那双看不见的手?
无独有偶,在惨案发生后的30多年的一天,发生闻名世界的船舰相撞事故。
1911年9月20日,当时数一数二的远洋巨轮“奥林匹克”号,正在浩瀚无边的大海上航行着。很凑巧,离这座“漂浮城市”大约100M的海面上,有一艘比它小得多的皇家海军铁甲巡逻舰“霍克”号,几乎是沿着和它平行的路线高速行驶着,似乎要和奥林匹克这个庞然大物比个高低。忽然,“霍克”号像中了魔一样,突然掉转船头向左拐,向“奥林匹克”号直冲而去。在这个千钧一发之际,舵手无论怎么样也无济于事,水手们的一个个束手无策,只好眼睁睁的看着自己的船头扎进“奥林匹克”号,把它的船舷轩撞出了一个大洞,幸运的事,两只轮船尽管都受了伤,但没有沉没在大海中。
据说那次倒霉的相撞,耽搁了“泰坦尼克”号的最后收工,使它在1912年4月14日和冰山发生了死亡之吻,导致了1523名乘客和船员在第二天随着泰克尼克号一同葬入海底。
“霍克”为什么会失去控制?是谁在推着它呢?
寻找无形的的巨手
你肯定记得在小时候玩过的吹纸条游戏。
取一片小纸条,双手捏着纸条的一段,仅靠自己嘴唇的下方,使它自然下垂,在纸条的上方沿水平方向吹气,纸条就会飘起来。
取两片小纸条,两手分别捏着纸条的两端,让它们保持适当的距离。使它们自然下重,用嘴用力在两纸条间吹,纸条不仅不会分开,而且还会向中间合拢。
两个吹纸条游戏中,却出现了和人们预想相反的结果。
人们通常认为,一片垂下的纸条,在吹气时只能使纸条更加下垂;两片垂下的纸条,在中间吹气时,两片纸条应该分开。
为什么会出现游戏中的结果呢?
这是流动着的空气的特性。气体在流速不同的地方,压强不同,流速大的地方,压强较小;在流速小的地方,压强较大。
当我们用力在一纸条的前面吹气时,在纸条的前方,就有一股流速较大的气流紧贴直面流动,纸条前方的气体压强较小,在纸条的后方,空气的压强和当时的大气压强是相同的。两者相比,后者比前者大,具有一个压强差,从而产生一个压力差,这个压力差的方向直指纸条的前方。在这个压力差的作用下,纸条就会飘起来。
当我们用力在两片纸条之间吹气时,两纸条间气体的流速较大,压强较小。两纸条外气体的压强较大,使两片纸条都受到一个指向纸条间隙的力,两纸条就会向中间合拢。
现在,大家把游戏中的纸条和人们吹出气流的方向转过900,纸条竖直方向的侧向运动,就会转换成水平方向的侧向运动,我们就可以找到那双看不见的巨手了。
在“铁轨惨案”中,列车高速行驶的时候,要带动列车周围的空气高速运动,离列车越近的空气流速越大,离列车越远的空气流速越小,当列车从站在靠近铁路的士兵面前行驶时,士兵们都是面向列车站立,他们前面流动的速度大,压强小,身后的气流速度小,压强大。这个压强差,产生一个压力差,把站立的士兵推到了车轮下面。
到这里为止,那双看不见得巨手似乎找到了吧,那就是高速气流!但是,制造这起惨案的仅仅是高速气流这个无形杀手吗?显然不是,这个案件如果让大家来裁决的话,我想大家一定会和我一样,把那个既愚昧无知又逢迎拍马屁的司令列为同案犯。
对于“船舰相撞”事件,原因也很明白了,当两艘船平行向前行驶时,他们速度很大,相距又很近,中间的水流通道比较狭窄,两船之间的水流速度就会比船外侧的水流速度大得多,使两船之间的水的压强比两船外侧水的压强小得多。这样,两只船的外侧和内测就有一个很大的压强差,从而使每只船的外侧的海水对船舷产生一个巨大的推力,迫使两船急速靠近,造成了两船相互吸引现象,而“霍克”号的质量要比“奥林匹克”号的质量小得多,它的运动状态容易改变,所以出现了“霍克”号船头左拐,径直撞向“奥林匹克”号的一幕。
据说,海事法庭在处理这件离奇案件时,,争执不断,法官们也左右为难,最后稀里糊涂的进行了判决,认为“奥林匹克”号船长指挥不当。这可真是冤枉了“奥林匹克”船长了。这位船长只有等着让科学家们对这起冤案重审,使自己平反昭雪了。
在实际中,高速气流压强较小,形成一个压强差,产生巨大压力的现象,并不是只能给人带来灾难,它还能为人类服务哩。
流体压强的应用实例
人们使用的喷雾器,就是先利用活塞在容器里压气,然后,让气体从喷口喷出,造成高速气流,在喷口处形成低气压区,使喷口内外产生压强差。利用压强差把容器中的药液吸出来,喷出去。
飞机机翼的上下两个表面不同,从它的横截面来看上方弯曲,下方近似于直线。当飞机飞行时,机翼上方气流的速度比下方的速度大,使机翼下、上方产生压强差。这个压强差使飞机获得竖直向上的升力。
足球比赛中,在罚任意球时,运动员拔脚踢球时有意偏离中心,并用脚背摩擦足球,使足球在前进的同时不断旋转,一侧气流速度加快,一侧气流速度减慢。利用压强差踢出“香蕉球”,出其不意地越过对方守门员,鬼使神差地进入球门。
在北美草原上生活的犬鼠,它们把自己洞穴的一个出口做成平的,一个堆成土包状。当有风平行于地面吹过时,风经过平坦洞口速度较小,经过隆起土包速度较大,从而使隆起洞口气体的压强小于平坦洞口的压强。两个洞口的压强差引起洞内气体流动,给犬鼠带来习习凉风。
附:我的儿子为此篇专门写的感悟。
现在大家明白了“那双看不见的手”是什么了吧,不是妖魔鬼怪,不过就是以前讨论的那个“看不见”的压强。此时,大家估计也会想起每个火车站台上的那根警戒线,有的是或用黄漆划成,有的或用瓷砖贴成,它距站台边沿约为1米。这条每个火车站都统一使用的线,是用鲜血和生命换来的!虽说实践出真理,可这实践的代价确实也太大了。同样,城市的街道和公路上要求机动车沿机动车道行驶,自行车和行人不能走机动车道。高速公路上不允许行人和自行车行驶,所以高速公路上开拖拉机不是可笑,而是危险。这些考虑到了流体的压强和流速的关系。
科学(或自然规律),不都像教科书中描述的那样,头顶光环、无比圣洁朝我们走来。有时,它甚至是“危险的”,带着一副狰狞的面孔、如同幽灵般飘来飘去。其实,前面说的那只看不见的“手”还不算个啥,后面还有更厉害的,这次它居然瞬间把大桥摧毁。这发生在1906年,俄国首都彼得格勒(今列宁格勒),一支全副武装的沙皇军队,步伐整齐,不可一世地通过爱纪比特大桥。首先声明,这座大桥十分坚固,纵然是过千军万马也难以撼动。正当指挥官洋洋得意时,突然哗啦一声巨响,大桥眨眼间崩塌。顿时,官兵、马匹纷纷落水,许多士兵命丧黄泉。同样的怪事也发生过,1849年法国西部昂热市的曼恩河上,当时同样是一队士兵正步过桥时,桥体轰然倒塌。不管如此,西班牙、英国都有类似的“怪兽”,在士兵过桥时趁机“痛下毒手”。这个怪物到底是什么呢?估计你已经猜出来了,就是“共振”,即当士兵过桥的步伐太过整齐时,其振动频率恰接近大桥的自由振动的频率时,激起了桥梁的共振,最后造成了大事故。有时科学就是这样,用一个小小的共振,弹指间摧枯拉朽。但是,可悲的是,虽然人类用生命的代价换取了知识后,还没能吸取经验教训,世界各地至今为止由于共振而引起的桥体垮塌事件层出不穷。
虽然,科学向前文中那样撒野的机会不多,更多的时候,它会在暗中给我们耍些小花样,下面请看节目:一个点球引发的“惨案”。1998年世界杯,英格兰和老对手阿根廷,最后要以残酷的点球方式决出胜负。点球大战中英格兰巴蒂射的点球没有射入球门,因而再次惨败。可能你会纳闷,这和科学知识有什么关系呢?别急,一位物理学家会告诉我们答案。以下是英国科学家德里克·劳博士(世界著名核弹专家)在无比愤怒中写给“国足”教练一份信:
“尊敬的霍德尔教练:
请允许一位前诺贝尔物理学奖候选人(1994年)向你阐明一个浅显的物理学道理。
我对于您率领的英格兰队的情况了解不多,尤其是你们的点球训练方式。但从你们输给阿根廷这场球来看,你们缺乏一些基本的科学概念。英格兰是由于无知和缺乏教育而被淘汰出局的,可我们实在是一个文化水平很高的传统国家。
从物理学的角度来看,成功率最高的点球应该是贴着地面飞入大门的。一个身体素质良好的守门员很容易向上或向在左右两侧跳跃,把球扑出来。但是当他用手向下扑球时,他的重心必须急速下降,而手部向下移动的速度平均只有每秒32英尺(1英尺约等于0.304米)。这种移动受到地心引力的影响,这一速度与皮球向前冲的速度相差很远,所以,贴着地面的点球时守门员最难扑出的球。
然而您选择了巴蒂,巴蒂又选择了一种成功几率最低的半高球。或许您不相信,在巴蒂这门的那一瞬间,我已经感觉到了英格兰的失败。这时一种基本科学知识贫乏的失败。如果您觉得我的描述是在浪费时间的话,那么我宁愿去陪我母亲聊天。她今年快90岁了,可还是坚持看完了这场球赛……虽然对她的健康不利。要是你们在赛前进行一些简单的数理分析,或者对力学有过一点涉猎的话,您应该可以指导队员踢好每一个点球。这样,阿根廷队就不可能再留在法国了。
最后给您举个例子,还记得巴乔的两个点球吗?上届世界杯足球决赛,他打球门上部死角,结果球打飞了。这次对智利队,他就踢出了一个紧贴地面的球,智利守门员虽然做出了正确的反应。但无法将球扑出——他的腿部力量无法与地心引力合拍。巴蒂以后射点球还会采取这种正确的科学方式。
回国后,您还是和您的队员好好补习一下物理吧。”
没办法,就是这样,玩不好科学,科学就反过来玩你。做科学是一件很严肃的事情,不要认为那些科学家整天绷着个脸是在“装B”,因为这不仅仅是输掉比赛那么简单,有时甚至几个数字能要人性命(第一位为航天殉难的宇航员苏联宇航员科马洛夫(Vladimir Komarov, 1927~1967),如果感兴趣可以自己去查阅)。但现在我们反过来想想,不管是共振也好,还是地心引力也好,科学真的有罪吗?我想,如果科学有感情有权利,肯定会向人类最高法院提起上诉。至少,千百年来,不管人们对它评价如何,自然规律都是这样毫无感情和偏见地运作着。那么,这亦或者是人类自己的无知?没办法,是“哪双手”让人类成为这个世界上最会找理由的动物。
感悟不会就此结束,也许你会反驳——我“错误”地把科学和自然规律混为一谈,如果真有这样的想法,请自行使用Ctrl+F键,将所有的“科学”二字替换为“自然规律”(可能你会发现,效果基本一致)。既然如此,下面要讲的就是真的科学,危险的科学,危险的人类认知。“哪里,哪里?”呵呵,还是在以后的感悟里。
作者:牛云景