第3节重力-浮力

走在地球上，都能感觉到重力的影响，比如爬山就比走平路累。不过有意识思考分析这个问题的人是英国人牛顿。或许有其他人在牛顿之前分析过，但尚未发现文献记录。牛顿发现，地球上缺乏支撑的物品，总是落在地面上，而月球却一直挂在空中，造成这种情况的原因就是地球对任何物体都有吸引力，我们通常称之为重力。而月球一直在远离地球，地球又在吸引月球，二者刚刚好达到平衡。如果月球远离的趋势更大一些，月球就一去无影踪。如果地球吸引力更大一些，月球就一头扎进地球的怀抱。但不必赞叹我们的运气，那些远离趋势和吸引力达不到平衡的卫星，早就消失了。只有达到平衡的，才能等到我们出现。

重力使大气得以存在，海洋得以形成。水有重量，并且我们的身体大部分都是水，我们大致就相当于一个人形的水囊。大气也有重量，这个重量压在我们身上，就是大气压。

我们在水中游泳或走动，和在地面上跑走相比，就感到很吃力。而在地面上跑走，其实是在大气中进行的，但是感觉差异如此之大，是因为大气和水相比，稀薄得多。当然如果跑得飞快，也能感到迎面风的力度在增加。

大气：

我们生活的大气层厚度可以达2000公里，但实际上从地面算起，超过10公里就非常稀薄了。（在地球上，地面高度变化很剧烈，使用海面作为高度的基本指标可以保证数据统一。所以后面的高度都是按照海平面为基础的，称之为海拔高度。）超过100公里，可以完全忽略。对于我们实际可以接触到的情况，从地面开始10公里，命名为对流层，我们看到的大气现象，比如风、雨、雷等等，都是在这里发生的。在对流层内，随着高度增加，平均气温在下降。从10公里开始到50公里，是平流层。这里空气稀薄，基本没有水份，在高度相同的区域，温度恒定，高度10公里保持着零下55度。随着高度增加，温度在增加。高度上升到30公里后，温度上升到0度左右。现在的客机，都保持着平流层飞行。

这上百公里厚的大气压在我们身上，就是我们平常承受的大气压，定义为1个大气压。这么厚的大气为什么没把我们压伤呢？我们体内有向外的压力，刚好和外面的大气压平衡，所以我们没事。如果内外压失去平衡，就会出问题。现在航天技术使人上到太空，那里的大气可以完全忽略。这样人内部的压力没有外部平衡，，肺内的气体全部流失，腹腔内的气体会极度膨胀。宇航员在太空修理飞船时，都穿着厚厚的宇航服，保证了人体内外部压力平衡，提供空气呼吸，保持体温等等。在木星上，也有浓厚的大气层，并且木星的吸引力远远大于地球，所以那里大气压力比地球大得多，我们在那里就会被压扁。

现在旅游普及，生活中沿海的人到高原旅行，经常有高原反应。这并不是内外压力差造成的，因为身体的内外压会缓慢进入平衡状态。而是因为随着高度增加，大气逐渐变得稀薄，人体需要的氧气供应不足造成的。另外高度增加，大气温度在缓慢降低。高原平均气温降低，昼夜温差增加，也促使身体不适。比较好的解决方法是在旅游前一段时间进行身体锻炼，主要是增强心肺功能，比如游泳。

观察：

1.如果体会不同高度大气压力的变化呢？在坐火车时，如果从平原（海拔高度低）经过高原（海拔高度高），或到达高原。保持长时间安静或睡眠状态，会发现耳鸣或耳疼痛，听到的声音音量比实际小。这是因为人的内耳封闭空间的压力和外面的大气压不平衡导致的。坐飞机也会出现这种情况。如何解决？深深地打上几个哈欠，可以让内耳和外面进行空气交换，恢复压力平衡。运气好的时候还可以听到气流在内耳进出时的声音呢，只是并不悦耳。

2.如何体会高度不同，大气稀薄程度不同？在低海拔生活的人，到达高海拔地区以后，因为大气稀薄，导致氧气供应不足，为了弥补，人会自发进行深呼吸。通常人是偶尔进行深呼吸，这时候全程进行深呼吸。前提是心肺功能足够正常，不然只能与氧气罐为伍或回家。与此类似，人在久坐以后，呼吸一直处于浅呼吸状态，供氧不足。这时候打哈欠，伸懒腰，都是补氧的自发动作。当供氧不足时间较长后，身体会调整，降低对氧气的需要，就进入休眠状态。二氧化碳含量增加，也会产生同样效果。所以进入封闭的空间、洞穴等，发现困意十足，这是危险的信号，赶紧离开，不然就离不开了。

3.有机会坐飞机的话，观察窗外可看到，在任何时候，都是万里晴空，那些云雨雷电，都在飞机下方。这时候，你就处于平流层中。如果你发现飞机周围有云，那一定是飞机高度不够。

4.在某些地区，暖湿的空气被风吹向山脉，而随着山高度的增加，温度下降，空气中的水蒸气凝成水，以雨的形式降到地面。这是地形成雨。中国雨城有四川雅安和台湾基隆。世界上的雨城是印度的吉拉朋齐，那里可以连续下几年的雨。都是受地形影响下雨。在另外一些地方，空气越过山脉进入谷地，受地形压缩，高度降低时，温度增加很快。但是空气中的水蒸气不增加，空气显得干燥，温度增加越高则越干燥。形成焚风。比如四川德荣的太阳谷，美国加州的硅谷。观察附近的地区，寻找地形降雨和焚风。这个本身是很普遍的现象，在外出旅游时，观察山两侧植被的差别，可以估计出此地风的方向。若山两侧植被基本没差异，说明什么？

5.夏威夷群岛，在南岛语系人没有抵达之前，存在大量的鸟类，其巢穴都构建在陆地上。人类抵达后，大量灭绝。夏威夷雁的祖先是加拿大雁，迁徙中被风吹至夏威夷。通常鸟类长途迁徙，高度抵达对流层顶部。而对流层高度在极地区域是8千米，赤道区域可达1万3千米。这就是为什么这些鸟会被吹偏方向的原因。

6.第一次世界大战，德国克虏伯公司制造了“巴黎大炮”，射程120公里，炮弹可抵达32公里高度。为什么大炮的射程如此远？

水：

大气有压力，水同样也有。但大气的稀薄程度不均匀，10公里以上的大气总重量才占全部大气重量的四分之一。大气本身重量又很轻，最终100公里厚的大气和10米厚的水造成的效果是相同的。

如何衡量水和空气在制造压力上的差异呢？我们引入密度，就是相同体积内的重量。使用密度时，一般让体积为某个具体数值。比如1个立方米，就是边长高都是1米的一个方块。讨论1立方米的空气和水的重量，这个重量值就是空气和水的密度。水的密度是1立方米是1000公斤，大气中最稠密空气的密度是1立方米是1.2公斤。因为水的密度远远大于空气，并且大气层不均匀，最终10米水等效100公里大气。

海洋最深处是马里亚纳海沟，达到10公里以上，这个压力的效果和大气10公里的效果不可相提并论，此刻压力是大气压的1000倍。宇航员在太空，需要平衡1个大气压即可。在海底最深处，要平衡1000个大气压。所以探索海洋难度超过了太空。

在游泳池中或小河中，会感觉到身体变轻，不怎么需要腿部力量支撑。这又是怎么回事呢？

观察上面左右2个图。左边青色部分是水，绿色的十字部分也是水。右边青色部分是水，橙色的十字部分是某物体。左右两图中绿色和橙色部分的形状完全相同。先观察左图。青色部分的水保持形状不变，是因为绿色部分有水填充着。如果绿色部分的水消失了，青色部分的水的形状就要变化，水面就降低了。观察左右两图中青色部分的水，发现两部分水的形状没有任何区别，这说明右图中橙色部分的物体对青色部分水所产生的效果和左图中绿色部分水对青色部分水产生的效果完全相同。否则两边的青色部分会有差别。现在观察左图，绿色部分的水保持在中间位置不移动。按照牛顿的观察，此部分水是有支撑的，否则就会沉下去到底。而这个支撑的力和绿色部分水的重量完全相同。对于右图而言，青色部分并不知道橙色部分是什么，仅仅知道橙色部分对青色部分作用的效果等同于橙色部分充满水，那么青色部分对橙色部分的作用就是产生支撑力，等于橙色部分全部都是水的重量。现在命名这种支撑力为浮力。现在我们把水全部换成汽油、酒精或者什么其他液体，那么上述的分析不变。也就是说浮力（或者说支撑力）的大小就等于某个物品所占据液体体积所对应的液体重量。记录中以阿基米德讨论为最早。

我们的身体主要成份是水，不易被压缩。假设是空气的话，我们就不能潜水。即便采用一些手段潜水，潜入10米，我们就要被压到原来体积的一半了。

正常情况下，空气无所不在，如果想要消除大气压力，就要完全消除空气。某个空间中没有任何气体、液体或其他物质，我们称之为真空。比如太空中就可以称之为真空，而且这个真空比地面上我们制造出来的真空更干净。100公里厚的大气等效为10米高的水柱，也等效为0.76米的水银柱。因为水银的密度是水的10/0.76=13.4倍。如右图，取1米长的玻璃厚管，其中一端是封闭的，另一端开口。灌满水银，堵住开口放入水银池后放开堵口，水银池表面橙色部分承受大气压力，粉色部分承受玻璃管内水银压力，当两者相同时，水银面保持平衡。也就是说，100公里高的大气和0.76米高的水银柱产生的压力相同。而在玻璃管内超出0.76米的部分就是真空。实际上里面有少量水银蒸气。

思考：

1.现在我们将液体换成气体，也就是说，空气对其中的物体有没有浮力？【氢气球为什么要用绳子牵着？不然就飞跑了】

2.鸟在空中飞行，飞机在空中飞行，是浮力起的作用吗？【我们为什么飞不起来？】

3.早年农村可以见到手动式抽水机，在使用前要给上面的橡胶活塞倒些水来密封。那么井水最高能抽高多少米？【1个大气压对应多少米高的水？为什么可以这样估计？】

4.人蹲久了，突然站起来，为什么会眼前发黑、发晕？【人心脏的压力，至少可以把血液提高多少？考虑到维持血液流动】

5.接问题4，长颈鹿身高5.5米，什么情况对它生命可能造成威胁？【脖子长，采食范围大，可高可低，那么…】

生活中出现的压力和浮力：

1.自来水系统、喷泉

2.抽水马桶水箱（浮力结合杠杆实现自动注定量水、水压力实现冲）

3.打气筒

4.过桥米线的汤

5.血压计

6.孔明灯

7.公园里面的游船

在地球上，任何物体都受到地球的吸引力，所以重力无所不在。我们生活在大气中，周围物体都受到大气的浮力。不过空气密度小，浮力很小，多数情况下都可以忽略。当某些物体很大时，浮力就是不可忽略的。

古代的应用：

船，是影响人类文明进程的工具。道路和运输，一直是制约文明交流和发展的主要因素。在现代机械和化工没有发展起来前，水运是性价比最高的运输手段。在4000年前，古希腊人就驾驭船，殖民地中海和黑海区域。南岛语系的人征服印度洋和太平洋也必须使用船。在运输量需求大的地方，人类开凿运河沟通水路。比如灵渠、京杭大运河、基尔运河、巴拿马运河、苏伊士运河。船的漂浮是依赖浮力，而前进的动力则可以是人力（希腊三桨座战船Trireme）、风力（中国硬帆、阿拉伯软帆）、机械动力（蒸汽机.富尔顿）、核动力（鹦鹉螺号）。

近代的应用：

1.气球，包括热气球和氢气球。可以带人飞上天空，从新的角度观察世界。在飞机不成熟的年代，气球可以进行侦查（炮兵校准）、空中运输（齐柏林伯爵）。在航天技术不成熟的年代，气球可到达平流层顶部，进行天文观察。

2.挖掘石油，往油井中注入高压热水，可使石油自动喷出。像自流井是内部本身压力大，足以克服液体升高至地表对应的压力。在深井中采水，依靠泵水机强大的压力克服水自身的重力。采水溶性矿(岩盐)或热熔性矿(硫磺)，方法类似。

观察：

1.香烟对身体有害，但是很多人在吸。观察吸烟的过程，看烟是如何进入身体的，注意站在上风口避免受害。

2.医院的输液系统，一般药瓶挂在比较高的位置，中间是调节流量的缓冲区，最低位置是输液针头，扎入血管。当无意中降低了缓冲区的高度，会发现血液倒流进输液管。

3.水枪抽水、医院抽血，都是利用真空原理。观察这些真空的制造过程。

梅乐芝经理的科普文章（四）

初夏，微风拂面，清爽宜人。山雨欲来风满楼，这时候风就较大，可以感受到风的力量。在沙尘暴肆虐的季节，吐鲁番的风飞沙走石，对人的生命构成巨大威胁。这时候风已经成为一种主宰力量。

风是空气流动的效果，从宜人的微风到暴虐的狂风，差别仅仅是空气流动的快慢。衡量快慢，我们引入速度这个指标，速度指标适合任意非静止物体，目前我们是描述空气流动的情况。速度就是一定时间内空气流动的距离。一般设为1秒，也可为1小时。如何体会速度快慢呢？人正常情况下的行走速度大约是1小时5公里，也就是1秒1.5米，写作1.5m/s。骑自行车大约是5m/s，跑得最快的人大约10m/s。电动自行车可达15m/s（危险！），长途汽车在高速路上25m/s以上，动车50m/s以上，客机250m/s，军用飞机可达1000m/s以上，航天火箭8000m/s。

描述风速通常用蒲福风级（Beaufortscale），按强弱，将风力划为“0”至“12”，共13个等级。在20世纪50年代，风级扩展到17级，共18个等级。和我们日常熟悉的情况比较，可大致了解风级。5级风，风速大约是10m/s，和人极限快跑的速度差不多。10级风，速度大约是25m/s，和高速客车差不多。如果想要体验一下大风，高速公路上窗户开个小缝，用鼻子感受一下，就知道这个10级风的威力：人已经无法呼吸！早期的飞机没有密封舱，飞行员都是直接暴露在空气中，可以肯定，这种飞机的速度不如现代的高速客车。在陆地上很难感受到10级以上的大风。例外的情况是南极大陆，这里10级大风是很温和的情况。这里和其他地方不同，基本由冰覆盖，大陆中心地势高而冷，空气密度大，导致风是由中心向外吹，并且没有地形阻挠降低风速。极限情况超出了蒲福风级的最大值，有记录的最高风速是100m/s。

液体流动和气体流动有一定的相似性，地球上的液体主要是水（海水）。在海边可以观察海水的流动，平常速度很低，台风季节能看到海水的高速情况。但无法与空气的高速比较。但水的密度远远大于空气，因此破坏力也很大。一般主要考虑风的因素是因为风可以深入陆地，并且带来大雨，影响范围广。而海浪仅仅对海边有影响，除非出现大海啸，影响范围增加，破坏力巨大，也是必须提防的情况。一般天气预报对台风进行密切跟踪，预测破坏地区和力度，以做好防范准备。

在日常生活中，空气和水的流动效果表现为多种形式。观察小河，小河中的水看作水流，在河面宽广的区域，水流缓慢，在河面狭窄的地方，水流快速。这是什么原因呢？无论河面宽窄，河水不会消失，那么河水的出水量不会变化。比如说1秒出水1吨。那么宽河面处，水量大，只能流得慢些，不然河水供应不上。河面窄的地方，必须流的快些，不然水就溢出了。也就是说无论在河的那里，水的横截面*水的流速是固定不变的，这个就是河的出水量。实际生活中有大量类似情况。

思考：

使用管道煤气进行烹饪，在做饭高峰时期，比如晚饭，就发现煤气量很小，气量阀门即便开到最大，气量也小。比如半夜做个宵夜，打开煤气就发现气量很充足。将煤气使用情况和上述的河水流量对应起来。

夏天天热，空调使用很普遍。在最热的时期，会出现分片停电现象。在冬天需要供暖时期，也会出现。原因何在？

咸海，曾经是世界第四大湖泊。早在2000多年前，陈汤曾在附近斩杀匈奴郅支单于，并写下“宜悬头槁于蛮夷邸间，以示万里，明犯强汉者，虽远必诛”。咸海依赖阿姆河和锡尔河注入水，在两河改道灌溉农田后，开始萎缩。左右两图分别是1989年和2008年。与此类似的情况有，塔里木河及下游的罗布泊，黑河和下游的居延海，黄河及下游的海水倒灌。

杭州湾的钱塘江潮农历每月初一至初三、十五至十八出现，而农历八月十八因潮水最为壮观，观察地图，为什么在这里出现大潮。

现在城市的高楼大厦越来越多，经常可以见到街道两边高楼排成墙。整个城市平均风速比郊区小，但在这些墙之间经常有大风。

风经常会带起灰尘，当然在植被覆盖密集的地方没有这个问题。若风较大，小沙粒、石子都带得起来。同样水在流动时，也携带泥沙。这些携带了大量固态颗粒的流体，可极大地改变途径环境。

雅丹地貌，或称为风蚀脊（Yardang）是典型的风蚀性地貌。“雅丹”在维吾尔语中的意思是“具有陡壁的小山包”。风带起的石粒，大粒的贴近地面，小粒的在空中，在石粒与山体碰撞中，山体下部往往遭受较强的剥蚀作用，并逐渐形成向里凹的形态。如果小山包上部的岩层比较松散，在重力作用下就容易垮塌形成陡壁，形成雅丹地貌，有些地貌外观如同古城堡，俗称魔鬼城。敦煌西北有雅丹国家地质公园，准噶尔盆地东部也有类似地貌。事实上，沙漠地区或多或少都存在雅丹地貌，只是特征明显与否。

水的密度比空气大得多，对周围环境的冲击更大，更易改变地貌。河道都是水自然冲击而成。水可以溶解气体，溶解某些气体后水具有一定的腐蚀能力，这也是改变地形地貌的巨大力量。

500万年以前，现在非洲和欧洲之间的地中海完全干涸，成为一片盐泽。而埃及的尼罗河依然奔腾，但曾经的海面消失了，河水流入一个巨大的盆地。河水切割曾经的海盆岩石，形成了1000多米深的河槽。当地中海又恢复与大西洋沟通时，这些河槽被泥沙填充。钻探石油发现了这个曾经的槽道，也进一步证明了地中海的历史。

瀑布是河流形成的壮观景象。像尼加拉瓜、伊瓜苏、维多利亚、安赫尔瀑布，都是著名大瀑布，但这些瀑布不能永远维持下去。刨去地质变迁因素，瀑布的落水冲击而下，对形成瀑布的断崖底部慢慢进行侵蚀，导致断崖逐渐后退。而水流本身又对崖口缓慢进行消减，瀑布的地形构造在缓慢消失。

喀斯特地形，是以斯洛文尼亚地名命名的。以石灰岩为主要构成。水溶解二氧化碳后，产生轻微的腐蚀性，尤其对石灰岩效果更明显。在水流过喀斯特地形区域后，逐渐腐蚀水流路径上的石灰岩。形成溶洞、地下暗河等景观。在中国，广西、贵州、云南、四川都大量分布这喀斯特地形区域。在这些区域都是著名的风景区。在地球形成早期，地表全是熔岩，石灰岩无法存在。目前的石灰岩都是生物的遗骸形成的。比如贝壳、珊瑚等。生物化石基本也以骨骼为主，其他组织分解太快，难以保持形成化石所需的时间之久。而骨骼含钙量高，可当半个岩石看待。我们的骨骼也含有大量钙，君不见补钙广告那么多吗？并且土法补钙就是喝骨头汤，体现吃啥补啥的朴素观点。

海洋中的珊瑚虫，骨骼主要成份为碳酸钙。大量骨骼聚集物就是我们古代所说的珊瑚，尤以红色为佳，还可入药。珊瑚虫的遗骸长期积累形成了大量的石灰岩。现代空气中二氧化碳含量增加，导致海水酸度增加，造成大量珊瑚虫死亡，表现为珊瑚白化。

思考：

火星上有过去大洪水流下的痕迹。而如今尚未在火星找到液体水，在大洪水过去如此长久，火星上的风还未能消除水流下的痕迹。有哪些可能的原因呢？

目前多数文明都有大洪水传说。在北美发现史前的一次超级大洪水遗迹（最近一次冰河末期），形成的痕迹和火星大洪水的很类似。但这个只证明北美发生了。其他地区的大洪水如果存在的话，痕迹呢？

雅鲁藏布大峡谷和科罗拉多大峡谷，都是世界上壮观的峡谷。河流经过长时间冲刷，造就了这样地质奇观。那么这些峡谷最深可达到什么程度呢？

近年来沙尘暴在中国经常出现，遮天蔽日。但都是地球局部情况。历史上美国上世纪三十年代出现过黑风暴，上世纪六十年代苏联时期蒙古西部也出现过。原因都是草原被破坏，在风的作用下，土壤不同细粒按照大小不同分布在空中不同高度，被吹到其他地区。其中的细微粒（微米级别）可以上升到平流层（黄土高原就是风吹来蒙古高原上的细土堆积而成）。上世纪海湾战争后科威特的油井被点燃，燃烧的黑烟微粒进入平流层蔓延至北美。几年前冰岛火山喷发，大量火山尘进入平流层，导致欧洲航班停飞。在地球历史上出现过多次全球沙尘暴，是由小行星撞地球或大规模火山造成。最近一次是6000万年前，促使了恐龙的灭绝，为我们登场提供了空间。人类的活动加速了地球的物种毁灭因素，消除了生物生存空间。是否补偿物种创造因素？转基因算不算呢？切诺贝利遗迹？

地球是自西向东自转，对海洋和大气带来影响。从太阳到木星，自转都给星球表面带来固定方式的影响，这是宇宙的普遍现象。最容易观察到自转情况就是太阳黑子和木星大红斑在星球表面的移动。

海水和大气，受自转影响，在北半球和南半球表现出不同的效果，整体上按照赤道对称，陆地的影响，改变了一些细节。在赤道附近，海水流动形成的洋流是自东向西。遇到陆地后向高纬度地区流动，最后形成环流。整体上北半球是顺时针环流，南半球是逆时针环流。

为什么一定是这样的效果，而不是相反的结果。地球自转一周，在赤道上某点移动的距离为赤道的周长。在北半球上某点，假设为北纬60度的某一点，移动了多长的距离呢？如图4.1示，从北极上空看地球，可以很明显地看到，北纬60度上点在地球自转一周时，移动了一个圆，但这个圆的直径是赤道圆的一半。那么移动距离就为为赤道上的一半。地球自转一周24小时，赤道上点移动到距离最大，越离开赤道，移动距离就越短。北纬60度移动距离是赤道的一半。而北极点则完全不移动。距离除以时间就是速度，将这些值换算为速度可以很明确地知道不同纬度的移动速度。

假设赤道的速度为1，则北纬60度的速度为0.5。如图4.2示，赤道上有两点，四角星点和五角星点，北纬60度上有一点，标为四角星点。地球自转了2.5小时。则赤道和北纬60度的四角星点移动如图所示。把赤道上的五角星点移动到北纬60度上，速度依然为1，则五角星点在北纬60度上移动的距离就是北纬60度四角星点移动距离2倍。如果地球不自转，赤道的五角星点向北极移动到北纬60度后和本地四角星点重合，但由于自转，五角星点跑到四角星点前面了。从直观的角度看，就是五角星移动的路线向右偏转了。

同样，北纬60度的点移到赤道，则落后于地球不自转时本身应达到地点。同样是路线向右偏转。当赤道点向南极移动时，则路线向左偏转。总结一下就是：在北半球，任何物体移动，由于地球自转的影响，其路径都向右偏移。在南半球，任何物体移动，路线向左偏移。注意：当移动方向是某个特定方向时，这个规律失效。闭上眼睛，思考一下这个方向指向何处？

回到地球的洋流，地球洋流由于受地形影响，被迫向两极移动，在北半球部分自然就形成了顺时针环流，南半球则为逆时针环流。如果没有地形影响，那么洋流就一直绕自转轴环流。南极洲北部的海域没有任何大陆阻隔，形成了西方漂流。在地球局部，由于海水密度不同、洋流补偿等因素，会导致其他方式的局部洋流。同样在太阳和木星表面上，不存在大陆问题，都是气流，因此全是绕自转轴环行的。右图可清晰看到木星的环流，不同的纬度形成不同颜色和结构的环流层，全部逆自转方向移动。观察太阳的环流是依靠太阳黑子的移动，不如木星清晰明了。

大气在不同纬度的移动路径，和洋流类似。但大气还存在强烈的上下对流，形成与洋流截然不同的大气环流。这对调节地球气候至关重要。在公元1世纪开始的海上贸易，从中国到阿拉伯地区，就是利用从赤道到北纬30区域的季风进行。每隔半年季风转向，使得货船来回都节省时间。由于季风准时，称之为信风，又名贸易风。仔细观察可发现，季风的路径同样满足洋流的规律。现在把这种自转带来的偏移力称为科里奥利力，一个意大利人的名字。注意，第一：不是饼干。第二：这个力不是真正存在的，只是等效出来的。

思考：

厨房的排水孔，在排水时经常形成旋涡结构，这个旋涡是左旋？右旋？或都有可能？这里能用科里奥利力解释吗？

飓风，带有强烈破坏作用的热带气旋。中心气压低，周围的气流补充进来，使用科里奥利力分析，北半球的气旋旋转方向是顺时针？还是逆时针？天气预报出现卫星云图，若有气旋，根据形状，马上就可以判断出发生在北半球或南半球。

在北半球的夏天，热带上升的暖气流向南北方向漂流，到在北纬30附近下降，形成多个高气压包，持续范围3000公里以上，那么此气包的旋转方向应该是什么？这个会是季风形成的原因吗？

观察地球，发现北纬30区域，沙漠密集。但中国长江流域却是粮仓。美国中南、东南部由于墨西哥湾和大西洋供湿才免遭涂炭。若无青藏高原，沙漠会延伸到哪里？

马尼拉大帆船，从地理和经济因素来分析（看过加勒比海盗么？德雷克海峡，以海盗船长的名字命名），为何不绕行南美回西班牙？额外的情况，玉米、西红柿、土豆、番薯随这条航线引入中国，这些新物种经过长时间熟悉后大规模种植。早几十年的话，大约明朝可能坚持住了。晚百年，就没盛世了。事实上，美洲的这些物种耐寒、耐旱，产量大，对土地要求低。诸如羊驼、水豚等动物饲养的性价比很高。其他如美洲辣椒、烟草、橡胶、向日葵也都是美洲的贡献。

卫星发射基地，都尽可能靠近赤道。为什么？除此之外，还要考虑基地的气候因素，比如经常下雨，或多云天气就不宜建立基地。此外还要考虑安全因素，防止敌对国家破坏等等。俄罗斯、中国、美国、欧洲、日本，观察这些国家和地区的航天基地的位置。

2011年，日本大地震造成核电站泄漏，大量辐射物质进入海洋和大气。那么这些危险物质是否会扩散到中国？如果存在，以何种方式进入？

洋流的最大作用是热交换，改变了沿途的气候。墨西哥暖流和黑潮，是世界最大的两只暖流。改变大西洋北部和太平洋西北部气候，使得冰岛、格陵兰岛（维京早期至小冰河时期）适宜人类居住，海参崴和摩尔曼斯克成为不冻港。我们讨论的这些洋流，海水厚度大约是500米-1000米，是海水表层的行为。事实上海水存在大范围的上下对流行为。在北极附近的海水，温度就在冰点，大量海水结冰，海水盐度提高，并且温度已是海水的最低温度，密度增加。海水开始下沉至洋底，带来大量氧气。这股下降流开始蔓延，进入太平洋，环绕地球。最终在某处受地形和温度影响，形成上升流，形成周期长为1000年的海洋上下对流。同样情况在南极周围的海域出现，这些下沉寒流在大洋底部蔓延，温度基本恒定。这对深海生物是至关重要的，不然深海将没有氧气补充，海洋物种多数都得灭绝。在二叠纪末期，海洋曾经失去这种上下对流，导致海洋中90%至95%的海洋生物灭绝。这段时期的岩石沉积中，可观察到一段黑色沉积。都是生物死亡后沉积效果（去四川瓦屋山时，先参观山下的博物馆，里面有介绍二叠纪时期。在登山路途中观察黑色沉积）。陆地上存在大量静水湖泊，缺乏水交换。这种湖泊中深度超过20米左右，水颜色就变为粉红色。因为缺乏氧气，生活中这里的都是厌氧细菌，颜色就是粉红色。人体的大肠充满了细菌，占大肠物质的三分之一。这些细菌也是厌氧类型。如何验证这一点？（土豆削皮、苹果削皮后，放置一会后变颜色）

智利的阿塔卡马沙漠，是世界上最干旱的地区，同类型的区域，非洲纳米比亚沙漠、澳大利亚西部沙漠、美国西南部和墨西哥西北部的沙漠，都无法比拟。阿塔卡马沙漠西比邻智利寒流，东有安第斯山脉。寒流和焚风的效果叠加，导致多年都不下雨。

在鸟类出现以前，空中存在可以飞行的恐龙和爬行类动物，在这些空中巨兽占据天空之前，昆虫飞行的身影充斥着森林和草原。人类也有飞向天空的梦想。墨子里面记载公输班曾经制造了木鹊，在空中飞翔了多日都不落地，估计是最早的滑翔机或风筝。明朝有个万户的人，使用烟花发射方法升空，最后月球上一个环形山以他的名字命名。但此人很可能不存在。公输班和万户，无论事迹真假，是人类升空的思维试验和愿望。

在跑步时，如果迎面还刮大风，会觉得跑得吃力。可以想象，如果风足够大，人都可以刮跑，比如龙卷风。说明只要风速足够大，就产生足够的力。而放风筝时，要有大风。风筝在空中一定是斜着的，风吹在筝面上，给风筝斜向上的力，足以抵消风筝的重力。而风筝绳子的作用是调整风筝的受风面的倾斜方向，实质是调整风筝的受力方向，保证风力一直可以抵消重力，绳子放到尽头后风筝就维持在空中。如果绳子断了，则风筝顺风而行，风筝受力变小，并且方向不受控制，很快就掉下来了。

风筝一种可行的升空手段，甚至公输班的那个木鹊也可能是风筝，可惜不能满足人类上天空的梦想。但风可以带来抵消重力的作用得到验证，莱特兄弟终于在内燃机时代升空了，但并不是风筝升空的方法。

成语泾渭分明原指关中的渭河和泾河汇合时，渭水浑浊泾水清澈，虽然两河交汇，但水流尚未混合，保持各自流动。这时候可以观察水流速不同对两条河流带来影响。两河汇合后，河水从侧面给对方的压力相等，保证自身水流的完整性。因每条河的水流量不变，如果其中一条河流速变快，则此河水流的横截面就变小，从两河的整体看，就是流速快的河面变窄，流速慢的河面变宽。按照相互给对方的压力这个角度而言，则是流速快的河流对侧面压力减小，流速慢的河流对侧面压力增加。这个效应以瑞士人伯努利的名字命名。可以想象，在两河的分界面上放置大片金属薄板，则板朝流速快的水流方向移动。

现在我们将金属板水平放置，迎面刮来大风，正常情况下，板的上方和下方空气流速相同，没有任何变化。如果我们改变金属板的形状，使得上方流速大于下方，那么整个气流就对金属板产生向上的力。如果风速足够，此力可以大到抵消金属板本身重力。一般情况下，风速有限，为了制造高速风，我们让金属板向前快速移动，效果与金属板不动迎面刮大风相同。这就是飞机升空的原理。

飞机出现初期，受发动机力量限制，飞机速度很慢，为了增加升力，飞机机翼都是双层。随着发动机的改进，机翼变成单层。机翼在初期需要精心设计，以增加升力。但发动机的改进逐渐降低了对机翼形状的要求。随着军事需求，飞机的反雷达侦察要求使得机翼形状完全不必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）