[分享]几则经典的力学的错误解释分析

发表于2021-04-28     29人浏览     1人跟帖     总热度:210  

一些类似于十万个为什么之类的科普读物,使用物理学定律解释生活中的现象,而物理学教科书中也使用生活现象作为物理定律的应用。这正是物理学的威力所在。但是,如果对现象使用错误的解释,反而容易损害科学精神。下面举出几个常见的物理学经典错误解释。

1. 抽水马桶的水流形成的漩涡,在北半球逆时针旋转,在南半球顺时针旋转。

当我们使用洗脸池或者抽水马桶后放水时,水流通常要形成漩涡从排水孔流出。为什么会形成漩涡呢?热心的物理学家这样告诉我们:由于地球本身的自转,使得在其表面流动的液体和气体(或称为流体),受到“科里奥利力”的作用。科里奥利是19世纪法国数学家,他发现在旋转球体上移动的物体,会偏离其运动轨迹。

这很容易理解,把等角速度旋转的物体本身看成是一个非惯性系,那么其中运动的物体受到惯性力的作用;特别是,一个惯性力垂直于矢弪方向,是因为沿矢弪方向移动时候,其线速度会发生改变,也就是产生了加速度,这就是受力方向。在地球北半球,科里奥利力造成流体逆时针旋转,在南半球则顺时针旋转。

几则经典的力学的错误解释分析_1
物理学家对科里奥利力或科里奥利效应的理解绝对准确,但使用科里奥利效应来解释抽水马桶水的漩涡则大错特错。科里奥利效应在解释洋流、大气环流之类大规模运动的流体时是成立的。但是,对抽水马桶的水流,科里奥利效应则几乎毫无影响。马桶旋转水流的2端,由于地球自转造成的影响几乎是完全相等的,即使有略微不同,也安全无法造成强烈的水流。
  
那么,马桶时如何造成水流旋转呢?仔细观察即可发现,答案是马桶边缘的出水孔。马桶设计人员使水从边缘沿着切线方向喷出,这样造成水流的强烈旋转。但是,洗脸池和浴缸并没有侧向水流,为什么也会产生深深的漩涡呢?答案也不是科里奥利效应。原因在于,水在流向排水孔时,不能把孔完全盖住,否则,空气跑不出来,水也流不下去。

因此,水流必须“排队等候”流入排水孔。漩涡就是水流排队的方式。通常,对于某个马桶,漩涡方向是固定的。这因为排水孔中心并不严格处于马桶或者浴缸的中心,这样,初始的随机偏转效应会累积,最后形成固定的旋转方向。
  
不相信吗?多做几个实验吧。
  
2. 飞机在天上飞是由于“伯努利原理”造成的机翼升力。
伯努利也是一位数学家和物理学家,他在1738年发现,当流体的流速提高,表面的静压力会降低。这个现象称为“伯努利原理”,而几乎所有的物理学教材和科普文章,都使用这个原理,讨论机翼升力的产生。为了解释这个原理,通常,他们首先会让你拿出2片纸,并用力在纸的中间吹气,瞧,2张纸像粘在一起了!
几则经典的力学的错误解释分析_2
机翼的上表面是拱起的,而下表面是平坦甚至凹进去。当气流通过机翼表面,机翼上方空气流速较快,而下面空气流速较慢。根据“伯努利原理”,下面气流造成的静压力大于上方气流的压力,于是,机翼受到一个向上的作用力,飞机就飞了起来。
  
遗憾的是,这是完全错误的。而使用“伯努利原理”解释飞机的升空也是“白努力”

伯努利效应可以解释一部分升力的来源,但这是非常小的一部分。如果飞机仅仅根据“伯努利原理”飞行,机翼形状必须非常“拱起”,或者,必须要飞得非常快才行。
  
飞机的升力主要由另外2个效应提供。一个是康达效应;另一个是气流冲击效应。
  
康达效应指的是,气流流经机翼曲面时,气流会紧贴机翼表面(这当然也有一点伯努利效应的含义)。这样,机翼的形状有效地改变了气流的方向,使离开机翼的气流相对飞机作向下的高速运动。机翼推开气流,但这个运动受力的反作用力作用于机翼上,相当于气流也在推开机翼,这个力使得机翼向上举起。
  
另一个重要的效应是气流冲击效应。当一块平板的方向不是与气流运动方向严格垂直,那么,平板会受到气流的冲击。飞机的机翼与其自身有一定倾角(4度左右),特别是,当飞机起飞时,要把机头高高抬起,形成更大的倾角,这样在低速时,也可以获得较大的气流冲击效应,以便使几十吨的飞机起飞。但是,机翼的倾角并不是完全用于提供升力,更多的是为了维持飞机本身的气动布局,以保证飞机在飞行时侯的气动平衡。
  
  飞机是一个非常复杂的气动力学系统,设计师必须保证飞机在x,y,z几个方向上受力平衡。这就是飞机为什么需要机翼、尾翼、垂直尾翼的原因(那种像飞碟一样的无尾翼飞机设计起来是非常麻烦的);此外,为了操控飞机,机翼上都开有活动襟翼,因此要仔细分析飞机的受力很不容易。这也是飞机设计原型为什么要进行风洞试验的原因。
  
  下次从新郑薛店机场登机时,不要忘了观察一下机翼的形状。
  
3. 骑自行车“大撒把”是由于陀螺效应。
  
这是一个典型的错误解释。
  
自行车只有2个轮子,却为什么可以保持平衡呢?甚至,高手在骑车的时候,可以双手离开车把,任由车子向前走而不担心摔倒(但要担心前面呼啸而来的汽车)。物理学家拿出一个陀螺,放在地上转一下,并开始用鞭子使劲抽打它,随着陀螺越转越快,陀螺也像不倒翁一样,虽然只有一个尖着地,却左右摇摆而不肯倒下。这就是陀螺效应:旋转的物体有保持其旋转方向(旋转轴的方向)的惯性。
几则经典的力学的错误解释分析_3
虽然有一个旋转方向,已经很稳定了。而自行车有2个轮子,显然自行车轮子在高速旋转的时候,会使自行车更稳定。因此,骑车人撒开车把也不会倒下。
  
但遗憾的是,这并非一个合理的解释。
  
陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果,但是,如果自行车单单凭陀螺效应保持稳定,那么,初学者也应该在高速骑车时不会倒下。但是,2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看,骑独轮车的杂技演员由于车速很低,甚至车轮完全停止转动,则基本无法依靠陀螺效应保持平衡。
  
自行车的平衡首先来自于骑车人腰部的肌肉。熟练的骑车人,其身体形成自动的条件反射,当自行车稍微倾斜倒下时,人的身体会感受到,腰部肌肉会自动动作,把身体拉向另一侧,形成的反向力矩促使车身抬起。我们学习骑自行车,也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射,而一旦学会,这个控制回路就保持在小脑中,随时可以启用,许多年也不会忘记。
  
但是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定,这又是为什么呢?
  
自行车本身的平衡机制,来自于前叉后倾。我们可以观察到,几乎每辆自行车的车把轴,都不是与地面完全垂直,而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上,因此又叫前叉后倾。前叉后倾,使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向,与车轮偏转方向相反,迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。这样,车子就有了自动回正的稳定性。车速越快,所造成的恢复力矩越大,骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时,会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。
  
一般而言,车子前叉越后倾,车子越稳定,但转动车把越费劲;而后倾角度小,转把较容易,但车子的稳定性不够。但如果自行车完全没有前*后倾,那么,骑自行车会是一件很痛苦的事情。
  
自行车其实是相当复杂的力学体系,而汽车的前轮定位更加复杂。有主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束,这保证开车的时候车子尽可能稳定,但又减少轮胎的磨损。
  
因此,我们看到,在解释实际的物理现象时侯,切不可滥用物理学定律。由此我想到,物理学家尽管在黑板和实验室往往很成功,但面临具体的工程领域,需要大量简单但系统的建构时,就显得力不从心了。因为物理学研究的是抽象模型,这些模型常常是几个变量作用的简单系统,要定量研究清楚,一个需要数学,还有就是需要洞察力;但实际的系统,常常非常复杂,发明这些系统,除了需要洞察力,更多的是类似于设计师一类的建构能力。这就是为什么爱迪生完全没有物理学知识,却可以做出许多重要发明;为什么许多发明尽管被认为是物理学的应用,但其实于物理学无关。
  
举个例子:蒸汽机尽管是物理学的一个应用,但如果仅仅认为,瓦特是看到水壶的蒸汽把盖子掀开,认识到膨胀的气体可以做功,就发明了蒸汽机,这就太简单了。

实际的情况时,如果不能想出活塞、曲轴、连杆等装置把直线运动转化成圆周运动;不能把进气和排气阀的开启和关闭,用某套机构跟曲轴联系起来;不能设计出合理减速比的传动系统,那么蒸汽机还只是一个物理学的教案,而不能成为现实。

来源:正脉科工 CAE
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 发表于2021-04-28   |  只看该作者      

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长虹虹老师

  | 结构设计

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