前言

      空氣和水，在我們身邊存在，平常我們卻不太注意。但是它們卻都在我們生活中起著重要的作用。流體力學(xué)中所說(shuō)的“流體”是以空氣和水為代表的氣體和液體的總稱(chēng)。在流體中，眼睛看不到的東西占多數(shù)，并且因?yàn)榭梢宰杂勺冃坞y以捕捉，容易被認(rèn)為是不好理解的東西。

      流體力學(xué)可能被認(rèn)為是很難的東西，所以首先親近流體是本書(shū)的目的。流體當(dāng)中有時(shí)發(fā)生一些與平常的感覺(jué)不同、讓人“啊?。?#8221;為之吃驚的不可思議的現(xiàn)象?？雌饋?lái)是奇異的現(xiàn)象，其實(shí)里面有著非常自然的道理。把難懂的理論放到一邊，體會(huì)“流動(dòng)”的樂(lè)趣，接觸它的不可思議。在這當(dāng)中，我們想通俗易懂地說(shuō)明流體之謎。

1，流體是什么。

液體和氣體合稱(chēng)為流體。和固體不同，可以自由地變形是流體的特征。
做做看

怎樣區(qū)別生雞蛋和熟雞蛋呢？把它們放在桌子上轉(zhuǎn)一下看看。
很簡(jiǎn)單就能轉(zhuǎn)起來(lái)的是熟雞蛋，生雞蛋不好轉(zhuǎn)。
接著，用手撥動(dòng)雞蛋使其連續(xù)旋轉(zhuǎn)，然后突然用手指按住雞蛋并立即松開(kāi)。
熟雞蛋停止旋轉(zhuǎn)，而生雞蛋會(huì)又開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。
用途

超高層樓房或塔，會(huì)受到由風(fēng)或地震引起的晃動(dòng)的困擾。為了保持舒適和安全的狀態(tài)，使用了很多抑制震動(dòng)的方法。
其中之一是像圖示的那樣，采用在建筑物頂部設(shè)置水箱的方法。這就是利用了水可以自由變形的性質(zhì)。
只有固體的建筑物，全體會(huì)同時(shí)震動(dòng)。像在“做做看”里熟雞蛋會(huì)立刻旋轉(zhuǎn)起來(lái)那樣。
但是，水箱里的水在由風(fēng)或地震引起的晃動(dòng)時(shí)，要晚于水箱的晃動(dòng)，就像在生雞蛋不好轉(zhuǎn)那樣。由于水通過(guò)變形想要在原地停留，所以起到了抵消建筑物晃動(dòng)的作用。像這樣抑制震動(dòng)的技術(shù)稱(chēng)為“制振”。
答案
液體和氣體和稱(chēng)為流體。比如，我們身邊的水和空氣、油等都是流體。和固體不同，可以自由地變形是流體的特征。流動(dòng)就是指這樣的流體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。
“做做看”里生雞蛋和熟雞蛋的不同，是由于里面的液體或固體引起的。固體不易變形，因此立刻跟隨外殼一起旋轉(zhuǎn)。液體易變形，即使外殼旋轉(zhuǎn)內(nèi)容物也不會(huì)立刻跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)（慣性原理）。相反，一旦旋轉(zhuǎn)起來(lái)，外殼瞬間停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)容物依然會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，就出現(xiàn)了“做做看”里現(xiàn)象。
“用途”中的建筑物的制振，也是利用了水可以自由變形的性質(zhì).

2，粘性

流體雖然可以自由變形，但如果要使其快速變形則需要很大的力。這樣的性質(zhì)稱(chēng)為粘性。
做做看

將一只牙簽插入糖飴中（如果沒(méi)有糖飴也可使用冷藏之后的蜂蜜），分別慢速移動(dòng)和快速移動(dòng)牙簽，觀察結(jié)果，以很快的速度移動(dòng)牙簽時(shí)，牙簽會(huì)斷掉。
將兩只牙簽的尖頭部分（約2cm）折下，分別放入裝有色拉油和水的碗中，不要使其碰到碗壁，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)碗，色拉油上的牙簽隨碗一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而水中的牙簽則不轉(zhuǎn)，但如果將碗中的大部分水倒掉，使牙簽非常接近碗底時(shí)，牙簽也會(huì)隨碗一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
用途

為了使們能夠緩慢地關(guān)上，通常使用Door closer這種東西。裝在門(mén)的上方，大家也許見(jiàn)過(guò)。如果想快速關(guān)門(mén)，要費(fèi)很大的力氣。但是慢慢地關(guān)門(mén)則不需要多大的力氣。
這個(gè)裝置就是利用了流體粘性的性質(zhì)。因?yàn)橐沽黧w快速變形需要很大的力。如圖所示，在Door closer里面充滿(mǎn)油，并有一個(gè)活塞，當(dāng)關(guān)門(mén)時(shí)活塞向右移動(dòng)，油就會(huì)通過(guò)一個(gè)很細(xì)的管道向左邊移動(dòng)。快速關(guān)門(mén)時(shí)，通過(guò)細(xì)管道的油必須迅速變形，這需要非常大的力。所以門(mén)會(huì)緩緩地關(guān)上。這和上面“做做看”的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理是一樣的。

答案

流體雖然可以自由變形，但如果要使其快速變形則需要很大的力。相反，緩慢的變形只要很小的力就夠了。像這樣對(duì)應(yīng)于變形的速度，力也發(fā)生變化的性質(zhì)稱(chēng)為粘性。“用途”中的Door closer就利用了這個(gè)性質(zhì)?？諝夂退淖枇σ彩怯捎谡承远a(chǎn)生的。并且，流體沿著物體表面流動(dòng)是會(huì)產(chǎn)生一種叫做粘性摩擦的力。粘性，是流體的非常的重要特征。
在“做做看”的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，牙簽活動(dòng)使糖飴變形。使其迅速變形需要很大的力氣，所以牙簽就會(huì)折斷。
粘性的表現(xiàn)方式因流體種類(lèi)的不同會(huì)發(fā)生很大的變化。“粘”好像是強(qiáng)調(diào)了流體應(yīng)該有很強(qiáng)的黏著力，但是沒(méi)有感到黏著的水和空氣也有粘性。除掉特殊的例子，幾乎所有的流體都有粘性。
在“做做看”的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，色拉油和水的粘性不同。色拉油比水的黏著力要大（粘度大），不易變形，所以隨著碗一起轉(zhuǎn)動(dòng)，牙簽也跟著轉(zhuǎn)。水的粘性弱（粘度?。?，易變形，所以牙簽不轉(zhuǎn)。
讓我們考慮一下“做做看”中最后的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榱黧w和固體表面接觸的地方發(fā)生粘性摩擦，碗底部附近受粘性的影響較大，水就和碗一起轉(zhuǎn)，牙簽也就轉(zhuǎn)了。相反，水位高的情況下，由于水面和底部之間的水的變形，即使底部轉(zhuǎn)水面也幾乎不轉(zhuǎn)。

3，壓縮性
流體從周?chē)艿綌D壓時(shí)體積變小，這種性質(zhì)稱(chēng)為壓縮性。讓我們利用壓縮性來(lái)做一個(gè)游戲看看。
做做看
用一次性筷子和吸管做一個(gè)紙團(tuán)炮，首先把筷子削到可以插進(jìn)吸管的程度。接著把手紙裁成小塊兒弄成球形并用水濕透，大小是比較緊地塞進(jìn)吸管為好。將兩個(gè)紙團(tuán)分別塞進(jìn)吸管的兩端，用筷子快速推其中一個(gè)紙團(tuán)，則另一個(gè)紙團(tuán)就會(huì)飛出。
用途
汽油機(jī)使用活塞壓縮（減小體積）汽缸內(nèi)的油氣混合氣。這就是利用了氣體受擠壓體積變小的性質(zhì)。
通過(guò)活塞壓縮汽缸內(nèi)的油氣混合氣，使壓力和溫度升高，提高能量的利用效率。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)有多個(gè)氣缸和活塞，利用其中某個(gè)汽缸內(nèi)的燃燒膨脹的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)別的活塞壓縮混合氣。
而在“做做看”中，人推動(dòng)活塞（紙團(tuán)），壓縮氣體使其壓力增高，在利用壓力這點(diǎn)上是相同的。
答案

從四周擠壓流體時(shí)的力，除以面積得到的值稱(chēng)為壓強(qiáng)。
壓強(qiáng)=壓力/面積
施加壓力則體積縮小的性質(zhì)稱(chēng)為壓縮性。
壓縮氣體時(shí)體積縮小。氣體分子在自由飛行的過(guò)程中，相互碰撞或與四壁碰撞。通過(guò)壓縮使體積縮小時(shí)，分子相互碰撞或與四壁碰撞的機(jī)會(huì)增加，因此使溫度和壓力上升。
在汽油機(jī)里，壓縮混合氣使溫度和壓力上升。
在“做做看”里，被壓縮而壓力變高的空氣使紙團(tuán)飛出。部之間的水的變形，即使底部轉(zhuǎn)水面也幾乎不轉(zhuǎn)。

5,物體周?chē)牧鲃?dòng)

物體周?chē)牧鲃?dòng)難以觀測(cè)，怎樣才能實(shí)現(xiàn)觀測(cè)呢？讓我們來(lái)研究一下。
做做看

將報(bào)紙剪成1mm見(jiàn)方的小片，放到水中攪一下。然后用筷子夾紙片試一下，紙片總是會(huì)逃掉，很難夾住。
再用勺子試一下，雖然比筷子撈起來(lái)要簡(jiǎn)單一些，但是稍微不注意就會(huì)讓紙片逃掉。
接著，我們用勺子的背面來(lái)?yè)埔幌略囋嚒＿@簡(jiǎn)直太困難了，很難成功。
用途

在設(shè)計(jì)汽車(chē)的車(chē)體時(shí)，要考慮使灰塵和雨滴等難以沾到車(chē)體上，灰塵粘到車(chē)體上會(huì)污染車(chē)體，雨滴粘到玻璃上會(huì)影響視線。
如圖所示，使靜止的車(chē)體周?chē)目諝饬鲃?dòng)，并加入煙（這種線稱(chēng)為流線）來(lái)觀察流動(dòng)，會(huì)觀察到空氣是避開(kāi)車(chē)體流動(dòng)著的。如果是小的灰塵或雨滴，會(huì)隨著氣流移動(dòng)，不會(huì)粘到車(chē)體上。和“做做看”中夾小紙片那樣，筷子周?chē)乃潜荛_(kāi)筷子流動(dòng)的。
但是，如果灰塵或雨滴變大，就會(huì)粘到車(chē)體上。這是因?yàn)樵跉饬鞣较蚣弊兊牡胤交蛄魉俦容^低的地方，粒子難以乘氣流而動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)，就是要避免這些情況的發(fā)生。
答案
平常，物體周?chē)牧骶€只有一支會(huì)與物體接觸，其他的都會(huì)繞開(kāi)并沿著物體的表面移動(dòng)。
如果流體中有小的粒子，那么粒子會(huì)乘著氣流運(yùn)動(dòng)，所以粒子的大部分會(huì)避開(kāi)物體。但是，如果是比較大的粒子或比較重（密度較大）的粒子，就會(huì)從氣流中脫出。
在“做做看”中，很難夾到紙片的原因是因?yàn)楫?dāng)筷子或勺子移動(dòng)時(shí)，紙片會(huì)隨著周?chē)乃黄鹆鲃?dòng)，難以與筷子或勺子接觸，如果是比較大的或比較重（密度較大）的物體，就會(huì)比較容易捉住。

6.壓力

即使是小的壓強(qiáng)，如果作用面積足夠大，也會(huì)產(chǎn)生很大的壓力。
做做看
將一只大的塑料袋放到椅子上，然后再坐上一個(gè)人。向塑料袋里吹氣，人可被頂起。
用途

利用空氣的壓力搬運(yùn)重物的“搬送機(jī)”和“做做看”的原理一樣。利用鼓風(fēng)機(jī)將空氣送入，產(chǎn)生支持重物的壓力。產(chǎn)生的力與其作用面積成正比，內(nèi)部的壓強(qiáng)即使不是很高，如果把“搬送機(jī)”做大，也會(huì)產(chǎn)生大的力。
實(shí)際使用的“搬送機(jī)”有可搬運(yùn)36噸的大家伙，像這樣的“搬送機(jī)”構(gòu)造簡(jiǎn)單輕薄，適用于在窄小的場(chǎng)所作業(yè)。
“做做看”同樣，人的呼吸的力量較小，但是可以使用大的塑料袋把人舉起。
答案
壓強(qiáng)是作用力除以作用面積所得到的值。壓強(qiáng)一定，作用面積越大則作用力越大。
一般情況下，我們感覺(jué)不到大氣壓有多么大，讓我們來(lái)調(diào)查一下大氣壓作用的面積和產(chǎn)生的作用力的關(guān)系。
標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓值是一個(gè)大氣壓（約1013百帕斯卡），相當(dāng)于1平方厘米上有大約1千克的作用力，那么1平方米上的作用力就達(dá)到約10噸，是非常大的力，但是人體內(nèi)大約也是一個(gè)大氣壓，相互平衡，所以感覺(jué)不到壓力。
“做做看”中，用呼氣的力把人舉起，例如，邊長(zhǎng)0.3米的正方形上站一個(gè)60千克的人，重力加速度以9.8米每平方秒計(jì)，則
壓強(qiáng)=壓力÷面積

=60×9.8÷(0.3×0.3)
    =6533帕斯卡
    =0.064大氣壓
這只相當(dāng)于大氣壓的約十五分之一，人呼氣的力已足夠。
“用途”中的“搬運(yùn)機(jī)”通過(guò)增大面積確保以較小的力支撐較大的重物。建筑機(jī)械以及壓力機(jī)等油壓機(jī)械也是用同樣原理產(chǎn)生非常大的力。面積越大，得到的力也就越大。

9，浮力2

利用浮力的性質(zhì)，不管形狀多么復(fù)雜的物體，也可以求出它的體積。
做做看

把一個(gè)裝有水的容器放到電子秤上，重量歸零。
把想測(cè)體積的物體用細(xì)絲拴上，吊在水中。秤上表示的g (克)數(shù)可以讀成ml ，用來(lái)求出體積。
如果是在水中上浮的東西，可以利用金屬絲。把金屬絲放入水中，不要使金屬絲觸底，重量歸零。
接著把金屬絲取出，把物體用細(xì)絲拴到金屬絲上，然后放入水中，讀出數(shù)值，求出體積。
用途

船的大小通常用“排水量×××噸”來(lái)表示。這是比“全長(zhǎng)×××米”重要的數(shù)值，經(jīng)常被使用。排水量是指船（水面以下的部分）排開(kāi)的水的量。像第8小節(jié)講到的那樣，水的重量和浮力的大小是一致的。排水量通常不以體積表示，而是以排開(kāi)的水的重量來(lái)表示。在“做做看”中，可以從秤的讀出值知道體積也是用的同樣的道理。
也就是說(shuō)，排開(kāi)的水的體積決定浮力的大小，這個(gè)浮力和船的重量又是一致的。排水量，也是和運(yùn)輸船或客船的載貨量或客室空間的大小相關(guān)的數(shù)值。
答案

在水中的物體，受到水的浮力作用。這時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和浮力（向上）作用方向相反（向下）、大小相同的作用力。當(dāng)物體放入水中，秤上增加的數(shù)值就是這個(gè)力。
像第8小節(jié)講到的那樣，根據(jù)“阿基米德定理”----“浮力的大小是和它排開(kāi)的水的重量相等的”。所以，“做做看”中秤表示出的數(shù)值是和物體排開(kāi)的水的重量一致的。如果物體排開(kāi)的水的重量為1000g
，1g水的體積是1ml ，那么物體的體積就是1000ml 。雖然是簡(jiǎn)單的方法，卻可以算出物體的體積。“用途”中船的排水量也是根據(jù)這個(gè)性質(zhì)決定的。

10,漩渦
說(shuō)起漩渦，有龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、渦潮和洗衣機(jī)里的水形成的漩渦等。這里，讓我們?cè)谒芰掀孔永镒鲆粋€(gè)漩渦吧。
做做看
找一塊塑料布，在中間開(kāi)一個(gè)直徑為5mm左右的小孔，將瓶子里灌上水，把塑料布蓋到瓶口上并用橡皮筋扎緊。在瓶子的底部附近再開(kāi)一個(gè)小孔。
把瓶子倒過(guò)來(lái)使水排出，則會(huì)形成漩渦（自由渦）。
接著，用另外一只瓶子，裝入一半左右的水，用絲線拴住瓶口，把瓶子吊起來(lái)。
先用手不斷旋轉(zhuǎn)瓶子，使絲線扭緊，松開(kāi)手，則瓶子開(kāi)始自行旋轉(zhuǎn)，最終瓶子里的水也開(kāi)始一起旋轉(zhuǎn)（強(qiáng)制渦）。
用途
圖中所示的是吸煙專(zhuān)區(qū)里的排煙裝置，4根柱子分別向旁邊柱子的方向吹出空氣，這樣可以促使空氣形成漩渦。最初在外圍被促使輕微旋轉(zhuǎn)的空氣，越向中心前進(jìn)，旋轉(zhuǎn)變得越強(qiáng)。
花樣滑冰選手作旋轉(zhuǎn)時(shí)，雙臂展開(kāi)則旋轉(zhuǎn)變慢，雙臂折起靠近身體時(shí)則旋轉(zhuǎn)加快（角運(yùn)動(dòng)量保存法則）?？諝庖彩且粯?，越靠近中心旋轉(zhuǎn)越快。依靠這種旋轉(zhuǎn)，煙霧不會(huì)向四周擴(kuò)散而被排出。
“做做看”的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)和吸煙專(zhuān)區(qū)的漩渦是同一個(gè)原理。這兩個(gè)漩渦都是越靠近中心旋轉(zhuǎn)越快。
這樣的漩渦稱(chēng)為自由渦
離心式分離機(jī)中有一種叫做“離心沉降機(jī)”，可使混有沙子等固體粒子或不同液體的液態(tài)混合物在短時(shí)間分離。
如圖所示，裝入混合液的容器高速旋轉(zhuǎn)，可使固體粒子、比重較大的液體、比重較小的液體分離開(kāi)來(lái)。這里面的重點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)要安定、液體和容器一起運(yùn)動(dòng)。這樣也就意味著流體可以保持一定的形狀，分離開(kāi)的不同液體不會(huì)混合，使液體的分離變得容易。這和旋轉(zhuǎn)木馬有些相似。
離心沉降機(jī)和“做做看”中第二個(gè)實(shí)驗(yàn)都是液體和容器一起旋轉(zhuǎn)。離中心越遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)越快，這稱(chēng)為強(qiáng)制渦。

答案
流體以某點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)稱(chēng)為渦。“做做看”和“用途”中的流體都是圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的渦。
如圖所示，讓我們?cè)谒矫鎯?nèi)考慮一下漩渦吧。這個(gè)渦不管是自由渦還是強(qiáng)制渦都無(wú)所謂。重要的是只要圍繞某點(diǎn)旋轉(zhuǎn)就行了。流體粒子受到離心力的作用，被推向外側(cè)，這樣造成的結(jié)果是外側(cè)壓力增高。
擴(kuò)大圖表示的是流體的一部分的力的平衡。外側(cè)壓力高，內(nèi)側(cè)壓力低，這樣的壓力差形成了向內(nèi)的力。這個(gè)力和離心力恰好平衡時(shí)，這部分流體既不向外也不向內(nèi)，而是在一定的半徑上持續(xù)著圓的運(yùn)動(dòng)。并且，不管有沒(méi)有外框都是相同的結(jié)果。
這樣的渦的代表就是出現(xiàn)在“做做看”和“用途”中的自由渦和強(qiáng)制渦兩種。
自由渦是不需要外部能量的供給就可形成的渦，渦的中心和外側(cè)的流體的能量是相等的。外側(cè)的壓力高，運(yùn)動(dòng)能量低，旋轉(zhuǎn)速度也就低。反之，中心處壓力低，運(yùn)動(dòng)能量高，旋轉(zhuǎn)速度也就高。旋轉(zhuǎn)速度從中心開(kāi)始跟半徑成反比關(guān)系，越往內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)速越高。
“做做看”中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)和“用途”中的吸煙專(zhuān)區(qū)都是自由渦。前者是從孔中流出，后者是從孔中吸入。
強(qiáng)制渦是通過(guò)外部的強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的渦。“做做看”中的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)和“用途”中離心式沉降機(jī)就是例子。
使容器旋轉(zhuǎn)，最終使流體也和容器一起安定地旋轉(zhuǎn)時(shí)，和固體的旋轉(zhuǎn)一樣，旋轉(zhuǎn)速度跟半徑成正比，越往外側(cè)速度越快。
“用途”中離心式沉降機(jī)可使固體粒子在短時(shí)間內(nèi)分離。和自由渦中流體總是變形不同，強(qiáng)制渦的流體不變形是一個(gè)重要的特點(diǎn)，這樣可以順利地實(shí)現(xiàn)分離。
并且就水面的形狀而言，自由渦是上凸，強(qiáng)制渦是下凸。這種不同可根據(jù)和半徑是成正比還是反比而算出。自然界中有臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、鳴門(mén)的渦潮等漩渦。自然界中的渦基本沒(méi)有強(qiáng)制渦，大部分近似于自由渦。只是，完全的自由渦的中心處旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該是無(wú)限大，而實(shí)際是中心處速度為零。中心處速度為零是強(qiáng)制渦的特點(diǎn)，因此，臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、鳴門(mén)的渦潮等漩渦的中心處是強(qiáng)制渦。臺(tái)風(fēng)眼是屬于強(qiáng)制渦領(lǐng)域，因此進(jìn)入臺(tái)風(fēng)眼越往中心處風(fēng)力越小。
如上所述，外側(cè)是自由渦，內(nèi)側(cè)是強(qiáng)制渦的漩渦稱(chēng)為組合渦。
“做做看”中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，中心線上有空氣通過(guò)時(shí)，基本上是自由渦，途中空氣斷絕的情況下，則變成組合渦。

COLUMN ，攪動(dòng)可以使茶葉向內(nèi)側(cè)集中的秘密
茶杯中有茶葉沉在杯底時(shí)，轉(zhuǎn)圈攪動(dòng)茶水，可以使茶葉向中心處集中。因?yàn)樾D(zhuǎn)，想來(lái)茶葉受到離心力的作用，應(yīng)該向外側(cè)移動(dòng)，但實(shí)際上為什么向內(nèi)側(cè)集中呢？
流體和茶葉旋轉(zhuǎn)時(shí)，都受到離心力的作用。流體受離心力的作用被推向外側(cè)，外側(cè)壓力增高，當(dāng)外側(cè)與內(nèi)側(cè)的壓力差和離心力平衡時(shí)，流體既不向外側(cè)也不向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，以相同的半徑持續(xù)旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)攪動(dòng)茶杯之類(lèi)容器內(nèi)的流體時(shí)，在遠(yuǎn)離杯底的上部，因?yàn)閴毫Σ詈碗x心力的平衡，流體如上述的那樣，以相同的半徑持續(xù)旋轉(zhuǎn)。
但是，接近杯底的流體，因?yàn)榈酌婧土黧w之間的粘性摩擦，流速變小。另一方面，因?yàn)闆](méi)有發(fā)生上下方向的流動(dòng)，底部壓力分布情況和上部幾乎相同。也就是說(shuō)，壓力差和上部幾乎相同。這樣，在底部附近，與壓力差相比，離心力較小，流體邊旋轉(zhuǎn)邊向中心處集中。然后這種流動(dòng)又從中心處轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙牧鲃?dòng)。茶葉就是順著這種流動(dòng)向中心處集中。
如上所述，相對(duì)于全體的流動(dòng)（這里指的是旋轉(zhuǎn)流動(dòng)），成直角方向的流動(dòng)（這里指的是向中心方向的流動(dòng)）被稱(chēng)為二次流動(dòng)。

11，表面張力1

液體中的分子有相互聚集的性質(zhì)，所以液體表面會(huì)產(chǎn)生一種叫做表面張力的力。
做做看

把水滴入5日元的圓孔中做成水膜，只要水滴不下來(lái)，就盡量多滴入一些。
然后用5日元的圓孔看一下報(bào)紙。水滴呈凸面鏡的狀態(tài)，調(diào)整和報(bào)紙之間的距離可以清楚地看到放大的文字。
接著用手指在圓孔上蹭一下，使水變少，只要水膜不破，就盡量減少一些水。
同樣用來(lái)看報(bào)紙，這次水滴呈凹面鏡的狀態(tài)，可以看到文字變小。
用途

液體的表面受到表面張力的作用，如果在航天飛機(jī)中那樣無(wú)重力的狀態(tài)下，飄在空中的水滴會(huì)呈球形。
圖中表示的是利用這個(gè)原理來(lái)制造非常小的球形粒子的技術(shù)。首先，有一種叫做高頻振蕩發(fā)生器的裝置產(chǎn)生出非常高溫的狀態(tài)（熱等離子）。然后向里面投入材料（非球形狀態(tài)），使其落下（無(wú)重力狀態(tài)）。粒子受高溫變成液態(tài)，受表面張力的作用變成球形。如果大小在10微米以下，基本成完全的球形。
這種技術(shù)用于化學(xué)原料、化妝品原料、合金原料等的制造。
答案

液體中的分子有相互聚集的性質(zhì)，所以液體表面會(huì)產(chǎn)生一種向中心集中的力（凝集力）。在航天飛機(jī)中那樣無(wú)重力的狀態(tài)下，水滴受此力的影響而呈球形。把它換成地球的海面，我們?cè)賮?lái)考慮一下，如果沒(méi)有風(fēng)力的影響，海面上的波浪等受重力的作用變平。如果從地球整體來(lái)看，海面就接近球形了。
液滴中的凝集力也像作用于海水的重力一樣，產(chǎn)生向中心的拉力，使液滴呈球形。換一種想法就是，凝集力是使液體的表面張緊收縮的力。因此稱(chēng)為表面張力。氣球的橡膠膜將里面的空氣向中心擠壓，是因?yàn)橄鹉z膜自身分子間的相互吸引力，把表面張力考慮成薄薄的橡膠膜也許會(huì)容易理解一些吧。

    把杯子灌滿(mǎn)水，水面會(huì)漲起來(lái)，也是因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔谩?/span>
“做做看”中，水量多的情況下，水面在5日元的圓孔中上下漲起來(lái)。因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔?，水不?huì)落下來(lái)。如果把水面考慮成橡膠膜，那么就可以理解成因?yàn)橄鹉z膜的作用使水受到了支持。
水面變成了如圖所示的形狀，中央部分較厚，像凸透鏡那樣，如果和報(bào)紙之間的距離合適，可以看到被放大的文字。如果有小字看不清楚，可以使用這種方法。但是因?yàn)閳A孔太小，有些不太實(shí)用。
接著我們來(lái)考慮一下“做做看”中的凹透鏡。和前面的凸透鏡一樣，也是表面張力的作用。上邊的水面的下垂也是受表面張力的作用，可以把上邊的水面看成薄薄的橡膠膜，這樣容易理解一些。
圓孔的表面和水相互吸引，表面易被水沾濕是因?yàn)槠溆?strong>親水性（固體分子和水分子之間相互吸引）。比如，硬幣下面沾上水滴也不落下，玻璃杯中倒入一些水，和杯的內(nèi)壁相接處的水面會(huì)變高，這也是因?yàn)橛H水性。
“做做看”中水量比圓孔少的情況下，由于親水性的原因，水必然要與圓孔的表面接觸，使得水膜的中央部分不得不變薄，成為凹透鏡。

12，表面張力2

物質(zhì)的種類(lèi)不同，有易沾水的，有不易沾水的。利用這類(lèi)性質(zhì)可以做出一些奇妙的事情。
做做看

展開(kāi)一張紙餐巾，用防水噴罐噴一遍，然后使其干透（注意換氣）。剪成5cm見(jiàn)方的四方形，現(xiàn)在開(kāi)始做實(shí)驗(yàn)啦。
把一張紙巾放到水面上。紙巾不會(huì)濕透，上面放一枚10日元的硬幣，紙巾還是漂在水上。
接著，只放一張紙巾在水面上，從旁邊對(duì)著它吹氣，紙巾會(huì)從水面上飛起來(lái)。
用途

我們身邊的許多物品是經(jīng)過(guò)防水加工的。衣服、書(shū)包、鞋子、雨傘等為了不易使它們沾水，可以進(jìn)行防水加工。滑雪服不易沾融化的雪。汽車(chē)玻璃的防霧和車(chē)體的防塵功能都是利用了防水加工。
固體表面的這種不易沾水的性質(zhì)，一般稱(chēng)為疏水性。“做做看”中用過(guò)的防水噴罐、還有上面講到的這些應(yīng)用實(shí)例，都是利用了疏水性。
相反，像上一小節(jié)中的玻璃杯和5日元等易被水沾濕的性質(zhì)稱(chēng)為親水性。親水性或疏水性是由固體或表面材料的分子結(jié)構(gòu)等決定的（詳細(xì)請(qǐng)看卷末介紹的參考圖書(shū)）。
答案

“做做看”中的紙巾經(jīng)過(guò)防水噴罐的噴灑，有了疏水性。在上面滴一滴水，水因?yàn)槭艿脚懦舛是蛐?。把紙巾放到水面上，因?yàn)槭杷饔?，紙巾和水的接觸面之間會(huì)形成一個(gè)空氣層。即使放上10日元，因?yàn)榭諝鈱拥拇嬖?，也?huì)浮在水面上。
海獺和水鳥(niǎo)，由體內(nèi)分泌脂類(lèi)覆蓋在體毛和羽毛上。因?yàn)槭杷?，?dāng)它們浮在水上時(shí)，體毛或者羽毛之間會(huì)存有空氣，這對(duì)產(chǎn)生浮力也有很大的作用。
“做做看”中的紙巾飛離水面也是因?yàn)橛锌諝鈱拥拇嬖?。和因?yàn)橛鹈g存有空氣，水鳥(niǎo)可以很輕松地飛離水面的原理是一樣的。

13，層流與亂流

流動(dòng)當(dāng)中，有不亂的“層流”和亂的“亂流”狀態(tài)。這兩種流動(dòng)的性質(zhì)有很大的不同。
做做看

點(diǎn)一炷香，讓我們觀察一下。最初煙是呈直線狀整然上升（層流）。
但是到十幾厘米的高度突然變得亂了起來(lái)。周?chē)还茉趺幢３譄o(wú)風(fēng)狀態(tài)也不行。
用途

流動(dòng)中有層流和亂流兩種狀態(tài)。“做做看”中的香的煙霧最初是沒(méi)有混亂狀態(tài)的層流，之后變成了亂流。這兩種性質(zhì)可以為技術(shù)所利用。
高爾夫球上有麻坑（dimple），這樣可以利用亂流來(lái)減少空氣阻力，增加飛行距離。一般來(lái)說(shuō)，飛行的球體后面會(huì)有渦流產(chǎn)生，是產(chǎn)生空氣阻力的主要原因。高爾夫球上的麻坑可以擾亂空氣的流動(dòng)，積極地制造亂流。這樣亂流容易轉(zhuǎn)到球體的背后，使渦流減少。其結(jié)果是空氣阻力變小。
鯊魚(yú)皮的泳裝也同樣利用表面的突起制造亂流，減少水的抵抗。
還有，飛機(jī)的主翼中有利用層流的層流翼。被用于阻力較小的滑翔機(jī)和最新的噴氣機(jī)。
高爾夫球和鯊魚(yú)皮的泳裝都是積極地制造亂流，用來(lái)減少空氣阻力。但是飛機(jī)的主翼使用的是后面不產(chǎn)生渦流的流線型（第26小節(jié)），使用亂流的必要性較小。一般來(lái)說(shuō)，和亂流相比，層流的摩擦抵抗較小。所以層流翼就利用層流來(lái)減少阻力。
一般的機(jī)翼，最厚的位置在前部的三分之一的范圍內(nèi)，而層流翼卻在中央附近。使層流的領(lǐng)域擴(kuò)大，摩擦力減小。但是層流翼的表面必須作得十分光滑，這使其只限于一部分的飛機(jī)。

答案

流動(dòng)中有層流和亂流兩種狀態(tài)。兩者本質(zhì)的區(qū)別是是否有速度變動(dòng)。
速度變動(dòng)是指隨著時(shí)間的變化，速度也變化，變化的方式隨場(chǎng)所而不同。流動(dòng)，有著潛在的趨向于混亂和不規(guī)則的性質(zhì)。
另一方面，流體有著“粘性”的性質(zhì)，對(duì)流體的變形產(chǎn)生抵抗。粘性具有抑制流體中的分子隨意運(yùn)動(dòng)的作用。
速度小粘度大的時(shí)候，受粘性的影響較強(qiáng)，混亂被抑制，呈層流狀態(tài)。相反，速度大粘度小時(shí)，呈亂流。
關(guān)于層流和亂流，有著名的雷諾實(shí)驗(yàn)。1880年，英國(guó)的奧斯本·雷諾進(jìn)行了使水在管子中流動(dòng)，在其中心注入顏料水的實(shí)驗(yàn)。
流動(dòng)慢的時(shí)候，顏料水不擴(kuò)散，基本上成一條線狀流動(dòng)。這時(shí)候管子內(nèi)的流動(dòng)是層流，沒(méi)有混亂，整然地流動(dòng)著。
逐漸加快水的流速，在某一程度，顏料水突然變得混亂，在管子內(nèi)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。這時(shí)的流動(dòng)是亂流，水總是成混亂狀態(tài)流動(dòng)的結(jié)果，是顏料水急速地?cái)U(kuò)散開(kāi)。
從這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，不只是粘度對(duì)流動(dòng)有影響，流速也有影響。
“做做看”中的香的煙霧在產(chǎn)生的瞬間沒(méi)有亂，呈層流。但是上升到一定距離，流體本身具有的易亂的特性顯現(xiàn)出來(lái)，變成了亂流。即使周?chē)菬o(wú)風(fēng)狀態(tài)依然會(huì)變成亂流。
沿著物體表面的流動(dòng)也是同樣。流體和物體接觸的瞬間是層流，但是，沿著物體流動(dòng)的過(guò)程中就會(huì)變?yōu)閬y流。
一般的機(jī)翼，在前三分之一處有機(jī)翼的最大厚度。而“用途”中的層流翼的最大厚度在機(jī)翼的中央附近。一般情況下，到達(dá)最大厚度之前，流體一般保持層流狀態(tài)。層流翼擴(kuò)大了摩擦阻力較小14，CAVITATION

壓力降低，水的沸點(diǎn)也隨之下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為CAVITATION（譯者認(rèn)為僅僅翻譯成“飽和壓力點(diǎn)”也許不太全面），即使室溫也可以使水沸騰。
做做看
準(zhǔn)備一根透明的塑料水管子，接到水龍頭上，將接口處固定結(jié)實(shí)。
把一雙一次性筷子掰開(kāi)，用橡皮筋固定住一頭，然后用它來(lái)夾住塑料水管。
捏住筷子，使水管變形，然后稍微打開(kāi)水龍頭，調(diào)整流量，使從水管流出的水流量以剛好充滿(mǎn)管子出口的截面為好。
這時(shí)，將水龍頭逐漸放開(kāi)，增加水的流速到某一程度時(shí)，會(huì)有氣泡產(chǎn)生，并有“吱啦吱啦”的聲音。水開(kāi)始沸騰（氣化）了。
用途
船的螺旋槳旋轉(zhuǎn)得越快，則船速越高。但是這種轉(zhuǎn)速也有界限。如果轉(zhuǎn)速過(guò)高，和螺旋槳接觸的水的一部分因?yàn)閴毫^(guò)低就會(huì)發(fā)生氣化（沸騰）。一旦開(kāi)始?xì)饣菪龢耐七M(jìn)能力會(huì)急劇下降。還不止這些，螺旋槳也會(huì)受到傷害，發(fā)生事故。
同在“做做看”里逐漸開(kāi)大水龍頭，使水達(dá)到某一流速時(shí)發(fā)生氣泡的現(xiàn)象一樣，螺旋槳達(dá)到一定轉(zhuǎn)速水也開(kāi)始?xì)饣?，產(chǎn)生氣泡。
這樣的現(xiàn)象稱(chēng)為CAVITATION。在船舶的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，已經(jīng)積累了很多研究成果。的層流面積，減少了阻力。