物理學(xué)定律要慎用

田宇

“使用物理學(xué)定律解釋生活中的現(xiàn)象”是我們學(xué)習(xí)物理的重要目的，也是物理學(xué)的意義所在。但是，如果對現(xiàn)象的解釋錯用了物理學(xué)定律或者以偏概全，反而違背科學(xué)精神。下面舉幾個常見的例子。

馬桶中的水流旋轉(zhuǎn)是由于“科里奧利力”

當我們使用洗臉池或者抽水馬桶后放水時，水流通常會形成漩渦，并從排水孔流出。為什么會形成漩渦呢？熱心的物理學(xué)家這樣告訴我們：由于地球本身的自轉(zhuǎn)，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(shù)學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)球體上移動的物體會偏離其運動軌跡，即當一個質(zhì)點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動軌跡形成曲線， 這個力就是科里奧利力。

由于自轉(zhuǎn)的存在，地球并非一個慣性系，而是一個轉(zhuǎn)動參照系，因而地面上質(zhì)點的運動都會受到科里奧利力的影響。地球科學(xué)領(lǐng)域中的地轉(zhuǎn)偏向力就是科里奧利力沿地球表面方向的一個分力。地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。在地球北半球，科里奧利力造成流體逆時針旋轉(zhuǎn)，在南半球則造成順時針旋轉(zhuǎn)。

物理學(xué)家對科里奧利力或科里奧利效應(yīng)的理解絕對準確，但使用科里奧利效應(yīng)來解釋抽水馬桶里水的漩渦則大錯特錯。科里奧利效應(yīng)在解釋洋流、大氣環(huán)流之類大規(guī)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(yīng)則幾乎毫無影響。馬桶旋轉(zhuǎn)水流的兩端，由于地球自轉(zhuǎn)造成的影響幾乎是完全相等的，即使有略微不同，也完全無法造成強烈的水流。

那么，馬桶里的旋轉(zhuǎn)水流是如何造成的呢？仔細觀察即可發(fā)現(xiàn)，是馬桶邊緣的出水孔。馬桶設(shè)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(zhuǎn)。但是，洗臉池和浴缸并沒有側(cè)向水流，為什么也會產(chǎn)生深深的漩渦呢？答案也不是科里奧利效應(yīng)。

原因在于，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，對于某個馬桶或浴缸，漩渦方向是固定的。這是因為排水孔中心并不嚴格處于馬桶或者浴缸的中心，這樣，初始的隨機偏轉(zhuǎn)效應(yīng)會累積，最后形成固定的旋轉(zhuǎn)方向。

不相信嗎？多做幾次實驗吧。

飛機能在天上飛是由于“伯努利原理”

伯努利是一位數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，他在1738年發(fā)現(xiàn)，當流體的流速提高時，表面的靜壓力會降低。這個現(xiàn)象稱為“伯努利原理”，而幾乎所有的物理學(xué)教材和科普文章，都使用這個原理討論機翼升力的產(chǎn)生。為了解釋這個原理，通常，他們首先會讓你拿出兩片紙，并用力在紙的中間吹氣，瞧，兩張紙像是粘在一起了！

機翼的上表面是拱起的，而下表面是平坦甚至凹進去的。當氣流通過機翼表面時，機翼上方空氣流速較快，而下方空氣流速較慢。根據(jù)“伯努利原理”，下面氣流造成的靜壓力大于上方氣流的壓力，于是，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(yīng)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(jù)“伯努利原理”飛行，機翼形狀必須非?！肮捌稹保蛘?，必須要飛得非常快才行。

飛機的升力主要由另外兩個效應(yīng)提供。一個是康達效應(yīng)；另一個是氣流沖擊效應(yīng)。

康達效應(yīng)指的是：氣流流經(jīng)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(yīng)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，這個運動的反作用力作用于機翼上，相當于氣流也在推開機翼，這個力使得機翼向上舉起。

另一個重要的效應(yīng)是氣流沖擊效應(yīng)。如果一塊平板的方向不與氣流運動方向嚴格垂直，那么，平板就會受到氣流的沖擊。飛機的機翼有一定傾角（4度左右），特別是當飛機起飛時，機頭高高抬起，就會形成更大的傾角，這樣使得飛機在低速時，也可以獲得較大的氣流沖擊效應(yīng)，以便實現(xiàn)起飛。但是，機翼的傾角并不完全用于提供升力，更多的是為了維持飛機本身的氣動布局，以保證飛機在飛行時的氣動平衡。

飛機是一個非常復(fù)雜的氣動力學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計師必須保證飛機在x、y、z幾個方向上受力平衡。這就是飛機為什么需要機翼、尾翼、垂直尾翼的原因。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(shè)計原型為什么要進行風洞試驗的原因。

下次乘坐飛機之前，不要忘了觀察一下機翼的形狀！

騎自行車“大撒把”是由于陀螺效應(yīng)

自行車只有兩個輪子，怎么保持平衡呢？而且，有些高手在騎車的時候可以“大撒把”，任由車子向前走而不必擔心摔倒。物理學(xué)家拿出一個陀螺，放在地上轉(zhuǎn)一下，并用鞭子使勁抽打它，隨著陀螺越轉(zhuǎn)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(yīng)：旋轉(zhuǎn)的物體有保持其旋轉(zhuǎn)方向（旋轉(zhuǎn)軸的方向）的慣性。

陀螺只有一個旋轉(zhuǎn)方向，已經(jīng)很穩(wěn)定了。而自行車有兩個輪子，顯然自行車輪子在高速旋轉(zhuǎn)的時候，會使自行車更穩(wěn)定。因此，騎車人撒開車把也不會倒下。

但遺憾的是，這并非一個合理的解釋。

陀螺效應(yīng)在保持自行車穩(wěn)定中也許起到不可忽略的作用，但是，如果自行車單單憑借陀螺效應(yīng)保持穩(wěn)定，那么，也僅僅能保證你在高速騎車時不會倒下。但是，兩個陀螺似乎并不足以支撐騎車人重達幾十公斤的身體。從另一個方面看，騎獨輪車的雜技演員時車速很低，甚至車輪完全停止轉(zhuǎn)動也不會倒，則基本不是依靠陀螺效應(yīng)保持平衡。

自行車的平衡首先來自于騎車人腰部的肌肉。熟練的騎車人，其身體形成自動的條件反射，當自行車稍微有倒下的趨勢時，人的身體會感受到，腰部肌肉就會自動動作，把身體拉向另一側(cè)，形成反向力矩，促使車身抬起。我們學(xué)習(xí)騎自行車的過程，就是訓(xùn)練身體肌肉完成這種條件反射的過程，而一旦學(xué)會，這個控制回路就會保持在小腦中，隨時可以啟用，許多年也不會忘記。

但是高速騎車時，車子會比剛剛起步的時候穩(wěn)定，這又是為什么呢？

自行車本身的平衡機制來自于前叉后傾。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，而是后傾的。前輪就固定在車把的前叉上。前叉后傾，使車輛轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動恢復(fù)到原來的中間位置上。這樣，車子就有了自動回正的穩(wěn)定性。車速越快，所造成的恢復(fù)力矩越大，騎車人就越感到穩(wěn)定。這就是高速騎車時，會感覺車子比剛剛起步的時候穩(wěn)定的原因。

一般而言，車子前叉越后傾，車子越穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動車把越費勁；而后傾角度越小，轉(zhuǎn)把越容易，但車子的穩(wěn)定性越不夠。如果自行車完全沒有前叉后傾，那么，騎自行車會是一件很痛苦的事情。

自行車其實是一個相當復(fù)雜的力學(xué)體系，而汽車的前輪定位更加復(fù)雜。有主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束，既保證開車的時候車子盡可能穩(wěn)定，又減少輪胎的磨損。

因此，在解釋實際的物理現(xiàn)象時，切不可濫用物理學(xué)定律。物理學(xué)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(tǒng)，而實際的系統(tǒng)，常常非常復(fù)雜，發(fā)明這些系統(tǒng)，除了需要洞察力，更多的是類似于設(shè)計師的建構(gòu)能力。這就是為什么愛迪生完全沒有物理學(xué)知識，卻可以有許多重要發(fā)明；為什么許多發(fā)明盡管被認為是物理學(xué)的應(yīng)用，但其實與物理學(xué)無關(guān)。舉個例子：蒸汽機盡管是物理學(xué)的一個應(yīng)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(fā)明了蒸汽機，就太簡單了。實際的情況是，如果不能想出活塞、曲軸、連桿等裝置把直線運動轉(zhuǎn)化成圓周運動；不能把進氣和排氣閥的開啟和關(guān)閉用某套機構(gòu)跟曲軸聯(lián)系起來；不能設(shè)計出合理減速比的傳動系統(tǒng)，那么蒸汽機還只是一個物理學(xué)的教案，而不能成為現(xiàn)實。