我们的1654 第726章

  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）

  第5节热

  夏天感到热，冬天感到冷，通常我们以自己的冷热感觉作为对环境的判断。但这种判断并不准确，甚至会出现判断相反的情况。比如同样的井水，夏天酷热时节，这水真是沁人心脾啊，冬天一双冻僵的手则觉得真是春天般的温暖。所以精确衡量冷热需引入温度的概念。我们生活的环境最容易接触的就是水，以水的结冰点定义为0度，沸腾点为100度（在海平面的高度）。这就是瑞典人摄耳修斯对温度的划分。荷兰人华伦海特制定了另外一种划分方法，把一定浓度的盐水结冰温度定为0度，把纯水结冰温度定为32度，水沸腾的温度定为212度。通常我们称为摄氏温度或华氏温度。我国采用摄氏温度划分，以下叙述中温度全部采用摄氏温度。

  温度定义好以后，对于宇宙任意物体的冷热效果，都用其温度来表达。原则上温度没有设上限，可以任意高(实际上，光速给出了对应温度的上限)，但有下限，最低到零下273.15度，记为-273.15c。这个令人意外。太阳内部温度上百万度，某些恒星表面1万度以上，太阳表面温度5500c。地球表面最热的地方是火山口，可达1000c以上，在南极洲，最冷的地方可达-89c。大多数地球的生命可以存活的温度范围大致从0c到50c。少数可以生活中极限环境中。冻原的细菌可以在-150c生存，海底热泉附近的细菌可以在400c生存。多数哺乳动物的体温和我们接近，维持在37c左右。我们的体温基本恒定，如果体温过高或过低，都会危及生命。

  温度高低不同我们感觉热冷不同，但并不是温度决定一切。在炉子上烧开水，烧开小锅水和大锅水的时间不同。身体暴露在0c的空中，人体还可以坚持很长时间，但人体泡在0c的水中，很快就要丧生。造成以上差异的就是热量。

  首先，热量可以传递。烧开水时，无论是燃气还是电炉丝，其温度都在800c以上，开水温度才100c，所以热量是由燃气通过锅传至水。气温0c，我们体温37c，那么热量就由身体传到空气。热量的变化带来了温度的变化。我们定义热量，单位用卡。如同定义长度，单位用米一样。1卡就是1克水升高1摄氏度所需的热量。大锅水比小锅水量大，升高一度需要的热量多，而炉子提供的热量固定，所以烧得慢。温度上升或下降是因为热量的进入或丧失。而热量的进入或丧失是因为热量进出的两方温度有差异。

  其次不同物质在温度变化时热量需求是不同的。在所有物质中，同重量物质等温升高水需要的热量最多。换而言之，在重量相同、降温数量相同情况下，水降温时释放的热量最多。加热1克空气使得温度上升1度需要的热量仅是水的六分之一，而且1克空气的体积几乎是1克水的1000倍！身体向空气传热时，体表的空气很快就被加热，同时皮肤丧失热量因而温度下降。两者温度相同时不再进行热量传递。而距离皮肤较远的空气温度又低于皮肤表层空气温度，所以热量又继续向远离皮肤的方向传递。导致皮肤表层空气温度下降，而这又导致皮肤继续向空气散热。身体内部也类似。从肌肉到皮肤，温度逐渐下降。这样从肌肉到空气，形成了温度的连续下降的一个持续状态。比如：肌肉37c，脂肪内层35c，外层30c，皮肤20c，皮肤表层空气15c…远处空气0c。此时身体不断向外散热，维持着温度分布的稳定。如果身体产生的热量大于或等于保持上述温度分布而需要的热量，人体就能生存下去。在这种情况下，刮来一阵风，就破坏了体表空气形成的温度分布，直接让0c空气抵达体表，人体马上散更多的热出来。此时对身体的状况就相当于不刮风空气温度为-20c时的情况下，人体建立的温度分布。冬天气温不变，刮风和不刮风的日子，身体感觉完全不同。动物的皮外毛发密集，固定住大量空气不受风的影响，这样建立起静态的温度分布，最大限度地降低了恶劣气候的影响。人类使用动物毛皮做衣服，用羽绒填充衣服中间，也是同样原理。当人在水中时，比如在北极的冰海中，海水温度比0c还低一点。皮肤接触同样体积的水，重量几乎是同体积空气的1000倍，加热升温一度需要的热量是4000倍。维持同样的温度分布，人体散发的热量远远不够。所以体温会急剧下降。事实上全身卷缩起来，尽力保持腹部和腋窝的温度，可以生存15分钟。否则5分钟就丧生。而同样在北极附近，夏天后的第一场雪落在因纽特人裸露的皮肤上渐渐融化，他们迎来了新年，安然入睡。思考：

  1.四万年前，史前人类有了重大发明，双卷边缝纫技术，这样毛皮制作的衣服不漏风，他们得以进入当时寒冷的欧洲，随后又征服西伯利亚。沙漠中夏天也需要穿类似的衣服，为什么？

  2.大象身体没有毛，而它的近亲，猛犸象（最晚于4000年前灭绝），又称长毛象，浑身长满了毛。犀牛同样没有毛，但其近亲长毛犀牛也是浑身长毛（最晚1万年前灭绝）。估计这些灭绝的近亲应该生活在什么环境中？

  3.有冬泳爱好者，大冬天凿开冰面游泳。估计能游多久？为什么出水后浑身通红？

  4.初夏开始游泳，水温尚低。刚入水身体感觉很冷，一会就适应了。这说明什么？最后可以测量一下体表温度和水温，让没游的人用手指感觉一下即可。

  5.人体的热量来自体内储能。在身体热量供应不足时，会打冷颤，事实是肌肉在释放热量。很多时候喝高度酒来御寒，其实是在饮鸩止渴。这时候吃点高热量的东西是正经事。为什么？

  6.俄罗斯大妈，基本是胖子的代名词。南方人，比如岭南地区人，都显得干瘦。为什么？北极熊、海豹、海象都安然在冰水中生活，它们身体和人体的差异在哪里？

  7.大型鲸鱼经常在两极活动，人类自19世纪开始大量捕鲸。那是工业革命的时代，在石油工业尚未开始时，鲸鱼就是提供润滑油、蜡烛的天然仓库，为什么？

  8.有喜好晒日光浴的，在冰天雪地中全身**晒太阳。可以肯定的是，当天天气无风。如果刮大风，还能坚持几分钟？

  9.肌肉温度低于正常状态，就丧失部分功能。如果温度严重不足，就表现为冻僵效果。人容易冻僵的部分有手脚耳朵鼻子。为什么？

  10.人体吸入空气，会对空气进行加热或散热。扁平鼻子易于散热。高窄鼻子加热快。观察鼻子就知道祖先在那里长期生活。

  11.生活在水边的鸟类，腹部有厚厚的绒毛，中间固定着大量空气。在水中时，这些空气就是隔离层，防止水直接接触到皮肤，起到良好的隔热作用。我们使用羽绒衣，就是将这些绒毛填充在衣服内层，形成隔热层。同样，棉花也是类似作用。

  早穿棉袄午穿纱，围着火炉吃西瓜。这是说新疆一天内的情景呢。桑拿夏天，天还没亮，就热烘烘的，太阳露个头，蒸笼开始上汽。好一个马拉松式的减肥过程，但除了难受，还是那么胖。持续到凌晨，终于困得合眼了。这是长江流域的情景。

  新疆的情况，说明昼夜温差很大。这也是新疆瓜果甜的原因。白天日光强，温度高，植物光合作用，合成大量糖分。晚上气温低，植物消耗低。综合结果糖分积累很高。为什么昼夜温差大呢？太阳出来了，天空晴朗无云，大量热量传到地面。而地面沙子比例很高，和水相比，同样的热量，沙子升高的温度是水的四倍。少量的热量就可以使沙子温度上升很高。地面温度上升了，空气又被地面加热，所以午穿纱。但在阴凉地方或室内，温度并不高。另外一个重要因素，空气中水蒸汽含量低，人出的汗很容易挥发，所以显得干爽。在高原昆明也有类似效果，只是程度要低些。太阳落山了，失去了太阳的热量补充。地面和空气中的热量依然向太空中以辐射的形式散发。虽然温度很高，但实际储存的热量较少，不存在阻碍散热因素，很快就散发完了，温度降低到辐射散热收支平衡的程度。所以晚上冷飕飕的。

  长江流域的情况，说明昼夜温差小。桑拿的起因是空气中水蒸汽含量快达到极限了。这样人体排出汗很难挥发，都附着身体表面。感觉粘乎乎的，很不舒服。夏天时，副热带高气压笼罩着长江流域（参见16页图），气温高，空气对流弱，风少而小。尤其城市中缺乏植被进行辅助降温，导致整天闷热。气温虽然不如新疆高，但人体自身降温措施失效，躲在哪里都没用。空调可以使某密闭空间温度适宜，后果是恶化整个外部环境，并且恶化效果大于密闭空间的适宜效果。至于大多少，要看空调的效率高低了。所以桑拿天气还有一部分的人为贡献。地表泥土为主，含水量大，储存的热量大，散热时空气中的水蒸汽、云都是妨碍散热因素。所以晚上散热效果不佳。在地球同纬度的其他地区，大量都是沙漠。都是副热带高气压和人共同惹的祸，撒哈拉沙漠史前还是草原呢。当然气候是主要因素，环境太脆弱，人只不过小小地推了一把，就让环境万劫不复。同样的情况也出现在新疆东部和甘肃、内蒙西部。

  在热带，气温一直很高，不存在四季情况，只存在雨季和旱季。而雨季和旱季交替依赖季风的风向。而暖湿气流只能来自海洋。西双版纳，旱季是11月到来年4月，雨季是4月到11月。那么对应的季风情况，就是11月到4月，刮东北风，所以旱季。4月到11月，刮西南风，风来自印度洋，所以雨季。而太平洋的气流最远可以抵达青海西宁，大西洋的气流最远抵达新疆伊犁河谷。青海和新疆大部分地区，甘肃中西部，内蒙中西部，没有海洋气流抵达。如果没有喜马拉雅山脉及青藏高原，印度洋的气流估计可以抵达。经常光顾这里的气流主要是西伯利亚寒流，因此降雨量很小。地貌以草原、沙漠为主，水主要来自冰川融化。在内陆河流经的地方形成绿洲和贸易中转站，间或可以进行农业种植。近几十年全球气候快速变暖，导致冰川积累不足，逐年退后，依赖冰川融水的地区水供应日渐窘迫。

  思考：

  1.中国耕地面积，目前集中在华南、长江流域、华北和东北。耕地对水供给的要求较高。而草原要求很低。在历史上，长城是防御草原游牧部落进攻的主要屏障。农业耕作，对降雨量达要求是400毫米，中国的400毫米降水线和长城的路线比较吻合，这个是巧合吗？

  2.昼夜温差小的区域应该有什么要求呢？那些是主要因素？

  3.空气中水蒸汽含量使用湿度来描述，湿度达到100%就说明目前空气中的水蒸气达到最大量了，无法再增加了。湿度和温度密切相关，温度越高，空气中允许存在的水蒸气越多。通常的湿度都是指当前温度下，空气中水蒸气的数量和最大可存在值的比例关系，称为相对湿度（绝对湿度是指水蒸气和空气数量的比例关系）。桑拿天气，湿度接近100%，在自来水管道上，可以看到凝结大量水滴，为什么？另外地球上最干燥的地方在南极，为什么？阿塔卡马沙漠为什么比不过？

  4.早期文明，周围都有大河。埃及有尼罗和，苏美尔有幼发拉底河和底格里斯河，印度有恒河，中国有黄河。为什么？希腊没有大河，但其文明却扩散到地中海和黑海区域。而那些有大河的文明，却没有扩散开？