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(duì)現(xiàn)象的解釋錯(cuò)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(gè)常見的例子。

馬桶中的水流旋轉(zhuǎn)是由于“科里奧利力”

當(dāng)我們使用洗臉池或者抽水馬桶后放水時(shí)，水流通常會(huì)形成漩渦，并從排水孔流出。為什么會(huì)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(dòng)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(jì)法國數(shù)學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)球體上移動(dòng)的物體會(huì)偏離其運(yùn)動(dòng)軌跡，即當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于慣性系做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)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(rèn)為有一個(gè)力驅(qū)使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡形成曲線， 這個(gè)力就是科里奧利力。

由于自轉(zhuǎn)的存在，地球并非一個(gè)慣性系，而是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)參照系，因而地面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都會(huì)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(gè)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，在南半球則造成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

物理學(xué)家對(duì)科里奧利力或科里奧利效應(yīng)的理解絕對(duì)準(zhǔn)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(cuò)特錯(cuò)?？评飱W利效應(yīng)在解釋洋流、大氣環(huán)流之類大規(guī)模運(yùn)動(dòng)的流體時(shí)是成立的。但是，對(duì)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(qiáng)烈的水流。

那么，馬桶里的旋轉(zhuǎn)水流是如何造成的呢？仔細(xì)觀察即可發(fā)現(xiàn)，是馬桶邊緣的出水孔。馬桶設(shè)計(jì)人員使水從邊緣沿著切線方向噴出，這樣造成水流的強(qiáng)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(huì)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(shí)，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(duì)等候”流入排水孔。漩渦就是水流排隊(duì)的方式。通常，對(duì)于某個(gè)馬桶或浴缸，漩渦方向是固定的。這是因?yàn)榕潘字行牟⒉粐?yán)格處于馬桶或者浴缸的中心，這樣，初始的隨機(jī)偏轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)累積，最后形成固定的旋轉(zhuǎn)方向。

不相信嗎？多做幾次實(shí)驗(yàn)吧。

飛機(jī)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(dāng)流體的流速提高時(shí)，表面的靜壓力會(huì)降低。這個(gè)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(gè)原理討論機(jī)翼升力的產(chǎn)生。為了解釋這個(gè)原理，通常，他們首先會(huì)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(jī)翼的上表面是拱起的，而下表面是平坦甚至凹進(jìn)去的。當(dāng)氣流通過機(jī)翼表面時(shí)，機(jī)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(jī)翼受到一個(gè)向上的作用力，飛機(jī)就飛了起來。

遺憾的是，這是完全錯(cuò)誤的。而使用“伯努利原理”解釋飛機(jī)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(jī)僅僅根據(jù)“伯努利原理”飛行，機(jī)翼形狀必須非?！肮捌稹?，或者，必須要飛得非?？觳判?。

飛機(jī)的升力主要由另外兩個(gè)效應(yīng)提供。一個(gè)是康達(dá)效應(yīng)；另一個(gè)是氣流沖擊效應(yīng)。

康達(dá)效應(yīng)指的是：氣流流經(jīng)機(jī)翼曲面時(shí)，氣流會(huì)緊貼機(jī)翼表面（這當(dāng)然也有一點(diǎn)伯努利效應(yīng)的含義）。這樣，機(jī)翼的形狀有效地改變了氣流的方向，使離開機(jī)翼的氣流相對(duì)飛機(jī)作向下的高速運(yùn)動(dòng)。機(jī)翼推開氣流，這個(gè)運(yùn)動(dòng)的反作用力作用于機(jī)翼上，相當(dāng)于氣流也在推開機(jī)翼，這個(gè)力使得機(jī)翼向上舉起。

另一個(gè)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(yùn)動(dòng)方向嚴(yán)格垂直，那么，平板就會(huì)受到氣流的沖擊。飛機(jī)的機(jī)翼有一定傾角（4度左右），特別是當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)，機(jī)頭高高抬起，就會(huì)形成更大的傾角，這樣使得飛機(jī)在低速時(shí)，也可以獲得較大的氣流沖擊效應(yīng)，以便實(shí)現(xiàn)起飛。但是，機(jī)翼的傾角并不完全用于提供升力，更多的是為了維持飛機(jī)本身的氣動(dòng)布局，以保證飛機(jī)在飛行時(shí)的氣動(dòng)平衡。

飛機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師必須保證飛機(jī)在x、y、z幾個(gè)方向上受力平衡。這就是飛機(jī)為什么需要機(jī)翼、尾翼、垂直尾翼的原因。此外，為了操控飛機(jī)，機(jī)翼上都開有活動(dòng)襟翼，因此要仔細(xì)分析飛機(jī)的受力很不容易。這也是飛機(jī)設(shè)計(jì)原型為什么要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的原因。

下次乘坐飛機(jī)之前，不要忘了觀察一下機(jī)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(gè)輪子，怎么保持平衡呢？而且，有些高手在騎車的時(shí)候可以“大撒把”，任由車子向前走而不必?fù)?dān)心摔倒。物理學(xué)家拿出一個(gè)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(gè)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(gè)旋轉(zhuǎn)方向，已經(jīng)很穩(wěn)定了。而自行車有兩個(gè)輪子，顯然自行車輪子在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)使自行車更穩(wěn)定。因此，騎車人撒開車把也不會(huì)倒下。

但遺憾的是，這并非一個(gè)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(shí)不會(huì)倒下。但是，兩個(gè)陀螺似乎并不足以支撐騎車人重達(dá)幾十公斤的身體。從另一個(gè)方面看，騎獨(dú)輪車的雜技演員時(shí)車速很低，甚至車輪完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)也不會(huì)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(dòng)的條件反射，當(dāng)自行車稍微有倒下的趨勢時(shí)，人的身體會(huì)感受到，腰部肌肉就會(huì)自動(dòng)動(dòng)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(huì)，這個(gè)控制回路就會(huì)保持在小腦中，隨時(shí)可以啟用，許多年也不會(huì)忘記。

但是高速騎車時(shí)，車子會(huì)比剛剛起步的時(shí)候穩(wěn)定，這又是為什么呢？

自行車本身的平衡機(jī)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(shí)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(dòng)恢復(fù)到原來的中間位置上。這樣，車子就有了自動(dòng)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(shí)，會(huì)感覺車子比剛剛起步的時(shí)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(dòng)車把越費(fèi)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(huì)是一件很痛苦的事情。

自行車其實(shí)是一個(gè)相當(dāng)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(shí)候車子盡可能穩(wěn)定，又減少輪胎的磨損。

因此，在解釋實(shí)際的物理現(xiàn)象時(shí)，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(gè)變量作用的簡單系統(tǒng)，而實(shí)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(jì)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(shí)，卻可以有許多重要發(fā)明；為什么許多發(fā)明盡管被認(rèn)為是物理學(xué)的應(yīng)用，但其實(shí)與物理學(xué)無關(guān)。舉個(gè)例子：蒸汽機(jī)盡管是物理學(xué)的一個(gè)應(yīng)用，但如果僅僅認(rèn)為瓦特是看到水壺的蒸汽把蓋子掀開，認(rèn)識(shí)到膨脹的氣體可以做功，就發(fā)明了蒸汽機(jī)，就太簡單了。實(shí)際的情況是，如果不能想出活塞、曲軸、連桿等裝置把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成圓周運(yùn)動(dòng)；不能把進(jìn)氣和排氣閥的開啟和關(guān)閉用某套機(jī)構(gòu)跟曲軸聯(lián)系起來；不能設(shè)計(jì)出合理減速比的傳動(dòng)系統(tǒng)，那么蒸汽機(jī)還只是一個(gè)物理學(xué)的教案，而不能成為現(xiàn)實(shí)。