梅乐芝经理的科普文章（四）（2 / 2）

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。

（本章未完，请翻页）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43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。

（本章完）

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