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生活中物理生活中物理(2)(2)授課教師授課教師 黃偉哲黃偉哲第1页2-1Q擊退北海記得那個荷蘭小男孩故事嗎?它用手指堵住海堤上小洞，救了自己家鄉。他是怎麼做到?一個小男孩怎样對抗整個北海產生壓力?第2页2-1A擊退北海施加在小男孩手指上壓力，因為荷蘭部份地區比海平面還低，只和海水密度以及海堤上小動距海平面深度有關。至於海洋大小與壓力一點關係也沒有。第3页 很久以前，荷蘭一個沿海小鎮中有位八歲小男孩，他因為一些小事情與朋友鬧翻了，於是便悶悶不樂地走到海邊散心。黃昏時，他想通了。在他打算回去跟朋友道歉之際，他發現海堤上穿了一個小洞，海水源源不斷地湧進來。這個時候，他心知不妙，必須找人來幫忙。但他又擔心召人幫忙來回也要用上一段時間，到時可能已經決堤，家鄉定必沉沒在水中。靈機一觸，他想到以手指堵住那小洞這權宜之計，期望路過人能施以援手。如此等了又等，或許因為是寒冬關係，也沒有些人在這裏經過。入夜後，他仍留守在海堤旁，以手指對抗整個北海產生水壓，一場又一場大風雪使這晚格外严寒。到第二天早上，終於有些人發現那男孩，可是他已結了冰。就這樣，那小男孩犧牲了自己，救了整個家鄉。第4页2-2Q用空氣管呼吸當你再水裡浮潛時，若僅靠一支呼吸管，能够潛到多深?什麼原因限制了深度?第5页2-2A用空氣管呼吸你潛越深，肺部所受壓力越大。大約在深度3英尺處，水壓已經大到使你無法用這種呼吸管吸氣。第6页浮潛起源 浮潛活動起源能够追溯至遠古時代人類在潮間帶覓食求獵謀生行為，亦能够說是人類接觸海洋第一種活動，然後隨著玻璃發明，人類研發出木製或牛角製雙眼式泳鏡，讓更多人對淺處海洋真面貌有更多了解。而現今韓國與日本以採珍珠為生海女，他們戴著布頭罩只露出雙眼和嘴巴，全身穿著緊綑布衣活躍於臨岸潛水區，這種以簡陋器材浮潛討生活方式，應該能够說是浮潛活動最早期普及模式了。第7页浮潛技巧大至可分為：1.面鏡排水面鏡排水2.呼吸管排水呼吸管排水3.呼吸控制呼吸控制4.防止壓擠技巧防止壓擠技巧5.水面充氣水面充氣6.水中站立水中站立http:/ 呼吸管排水：呼吸管排水：呼吸管進水機率非常高，祇要配戴角度不對或稍大有波浪都會使呼吸管進水。另外從水底浮升到水面時呼吸管進水。這時你就能够利用排水技巧將水自呼吸管中排除後繼續進行呼吸動作。呼吸管排水有兩種方式：噴氣式：是將肺裡空氣由口中短截而有力呼出去，由於現在呼吸管大多有排水閥設計，所以在呼氣力道上无须太過用力。氣體膨脹式：這種排水方式是針對沒有排水閥呼吸管在潛水後回升時所設計技巧，在水底上浮過程中先吐一些空氣在管中，並且抬頭抑望水面，等到達水面後呼吸管內水自然就被膨脹空氣擠出管外了。http:/ 南美赤道附近（約北緯4度至南緯4度，西經150度至90度之間）幅度數千公里海水帶異常增溫現象。第17页太平洋洋面並不是完全水準。在南半球太平洋上，由於強勁東南信風向西北橫掃，將海水也由東南向西推動，結果是位於澳大利亞附近洋面要比南美地區洋面高出約50釐米。與此同時，南美沿岸大洋下部冷水不停上翻，給這裏魚類和水鳥等海洋生物輸送大量養料。第18页1.可能是太平洋底火山爆發或地殼斷裂噴湧出來熔岩加熱作用造成洋流變暖，進而導致信風轉弱和逆轉。2.地球自轉年際速度不均造成。厄爾尼諾發生原因第19页2-6Q沙漏浮力若把沙漏放進裝水窄玻璃管理，把玻璃管顛倒之後，沙漏會在浮起來嗎?沙原來在沙漏下半部，現在應會在上半部。沙漏重量和體積都沒變，所以他應該在浮到頂端去。但它會先沉在底下，直到沙全部掉到沙漏下半部才又浮上去。為什麼?沙漏浮力真和沙在上半部或下半部有關嗎?第20页2-6A沙漏浮力答案其實很簡單，甚至還有點狡猾。在兩個例子裡，沙漏體積並沒有改變，所以它浮力當然是一樣得。不过當沙漏顛倒時，它會斜斜地靠在玻璃管壁上，磨擦力會使它停再原地一陣子。第21页浙江兩工人身陷浙江兩工人身陷800噸大豆噸大豆1人窒息死人窒息死 滿眼都是大豆，雙腳踩不到一塊實地，用力向上掙，卻像陷入流沙，不停地下陷，膝蓋、腰、肚子，一點點沉入這個大豆組成恐怖旋渦3月24日15時，舟山中海糧油工業企业兩名工人，被困22米深大豆筒倉，周圍是近800噸重大豆。定海消防大隊經過12個小時緊張救援，先後將兩人拉出筒倉，但其中一人因窒息時間太久，搶救無效死亡。前天15時左右，定海消防大隊接到報警，有兩個工人被困在大豆筒倉裏了。10余名官兵趕到現場，調查後發現，這事處理起來有點棘手。筒倉高22米，能容納5200噸大豆，事發時裏面還裝有近800噸大豆，呈漏斗型堆放。出料口位於筒倉底部中央，而距地面10米高筒倉中部有一個入口，恰好處於大豆堆放邊緣最高處。第22页 當天下午，兩名工人下到倉裏，準備修理筒倉，沒想到突然陷入看似堆得很緊實大豆。一開始，兩人還沒在意，以為只要給身上安全帶加把力，就能够把腳拔出來。沒想到，越掙扎陷得越深。其它工人趕來救援，也很難把他們從豆海中拔出來。兩名工人已經徹底被困，動彈不得。一小時後第一名被困者脫險，初步掌握情況後，消防官兵展開進一步救援。第23页兩名消防官兵從中部入口處進入筒倉，下到底部，找到了第一位被困工人，此時，他腰部以下已埋在大豆中。消防官兵一人架起一隻胳膊，想直接把他拉上來。但幾次努力都失敗了，腳下大豆像流沙一樣滾動著，沒有一個著力點，讓人不但使不上勁，而且隨時可能也被淹沒。這時，上面人想了個主意。兩名支援工人，用鐵桶儘量把被困者周圍大豆劃撥開，阻止四面大豆繼續下滑。這樣被困者位置暫時被固定了。筒倉頂部有兩根繩子一直垂直下掛到底部，消防官兵將腰帶一頭綁在被困者身上，一頭系在繩子上。筒倉頂上人往上拉，下面消防官兵慢慢托起被困者，並做好保護。16時05分左右，上下一起使力，第一名被困工人終於成功脫離大豆包圍，被拉到筒倉頂。但他已雙腿發軟，連走路力氣都沒了，消防官兵把他扛在肩上，送上救護車。放豆9小時找到第二名被困者從被解救工人口中，消防官兵得知，還有一名工人在他下方大約半米處。第24页有過一次經歷，大家明白当前最大難題是：大豆呈漏斗型堆放，像流沙一樣不斷滑向中間，你搬掉一點，它馬上“補倉”補上，要從上面把大豆拿掉再救人是不可能，只有從筒倉底部把大豆放掉。但為了安全，又不能開啟筒倉底部機械出口放大豆，因為螺旋形“豆流”將會加劇對被埋工人擠壓。最後，消防官兵決定在筒倉底部鋼板上切割出一個洞，從這個洞裏放出大豆。16時50分，一個大約10平方釐米大小洞出現在大家眼前，但這個救命視窗實在太小，大豆並沒有噴瀉而出。時間就是生命，消防官兵只能再割一個大一點洞。兩個洞一起“發力”，大豆像流水一樣滾出來。但在大家眼中，它就像一個計時沙漏，倒出來每一顆，都關係著一條隨時可能消逝生命。淩晨兩時左右，被困者手終於出現在筒倉入口處。大家趕緊去搬他周圍大豆。淩晨3時多，被困者被拉了出來，但由於窒息時間太久，已經回天乏術。第25页大豆為什麼變得如此可怕？荷蘭阿姆斯特丹大學教授柏恩專門研究流沙，他認為，流沙原理上是被滲入了水沙子，由於沙粒間摩擦力減小，形成半液態、難以承重沙水混合物，所以人一陷進去，越掙扎就越快下陷。雖然本文中這些大豆並沒有泡在水裏，但消防人員分析，因為筒倉從底部機械口出豆，使筒中心位置大豆格外鬆軟，形成漏斗形，人陷進中心位置後，下半身往下陷，高處大豆又往下滑。人一掙扎，剛形成空隙很快又被大豆塞滿，越擠越實。在這種情況下，陷進大豆人就像陷進了流沙。第26页 柏恩研究認為，陷入流沙人因為承受了沙子巨大壓力，很難使出力來。假如以每秒一釐米速度，從流沙中拖出受困者一隻腳就需要約10萬牛頓力，大約和舉起一部中型汽車要用力量相等。柏恩指出，逃脫流沙方法還是有，那就是受困者要輕柔地移動兩腳，讓水和沙儘量滲入擠出來真空區域，這樣就能緩解身體所受壓力，同時讓沙子慢慢變得鬆散。受困者還要努力讓四肢儘量分開，因為只有身體接觸沙子表面積越大，得到浮力才會越大。這一切都需要受困者有足夠耐心，動作要足夠輕緩，才能慢慢脫困。第27页身陷流沙之中，怎样逃生？一、流沙形成：一、流沙形成：流沙實際上是由於水分過飽和而發生液化堅實地面。“流”是指沙子在這種半流體狀態下非常轻易移動。當一片散沙帶水分達到飽合時，普通沙子就會翻滾起來，沙粒之間摩擦力減小，使得沙子開始“流動”，從而形成了流沙。流沙並不是一種特殊類型土壤，它通常就是沙子或另外一種類型顆粒狀土壤。流沙不過是沙子與水糊狀混合物實際上，沙子是漂浮在水上。據介紹，只要條件適宜，流沙能够出現在任何有水地方，不过在一些地方流沙出現得尤為頻繁，這些地方包含：河堤、海灘、湖岸線、地下泉附近、沼澤。第28页二、怎样逃生：二、怎样逃生：假如發現自己陷入一個流沙坑，你无须太過擔心，因為它並不會完全吞沒你，只要掌握正確技巧，逃生並不難。人體密度是1g/cm3，所以人能夠漂浮於水面上。流沙比水更緻密，它密度大約為2g/cm3這說明你在流沙中比在水中更轻易漂浮起來。關鍵是不要驚慌，大多數溺斃於流沙或類似液態物裏人，通常都是因為驚慌而胡亂擺動手腳才被吞沒。第29页 假如流沙已經淹沒了你頭部，而你又無法把頭抬到沙面之上，那時人才可能會葬身流沙之中，不過极少會有這麼深流沙坑。更可能出現情況是，假如你跌入流沙，你會浮上沙面。不过，流沙沙水比並不固定，所以有些流沙浮力沒有這麼大。流沙逃生最正确對策是，讓自己儘量放鬆，緩慢移動身體，將自己置於沙面之上，再背朝下躺平，這樣你將會上浮到一個安全位置。當你試圖把腿從流沙中抽出時，你需要克服該動作之後產生真空，所以專家建議你盡可能慢地移動身體以降低粘滯度。同時，儘量伸展胳膊和腿並躺下身體以增大表面積，這樣做就使你能夠浮起來。第30页2-7Q沉在游泳池裡船有艘船浮在有泳池裡，從船上往池中丟下石頭，接著要問你一個著名問題，泳池水會上升、下降或不變呢?很多傑出物理學家如加莫夫、歐本海默和布洛赫都被問過這個問題。而且令人尷尬是，他們回答都不對。假如船底有個洞，船沉了，水位會怎样?若水位改變了，甚麼時候會變?特別是當水開始湧進船裡時，水位就開始改變嗎?第31页2-7A沉在游泳池裡船還在船上石頭換了和它同樣重量水體積。石頭密度大於水，所以它置換水，體積比石頭總體積還要大。不过當石頭拋到池底時，他只置換了和自己同體積水。所以丟入水池石頭，置換水較必較少，所以池水水面會降低。當船正在沉沒時，泳池水位會保持不變，直到它完全沉沒之後，水位才會下降。http:/ 第36页2-10Q潛艇穩定性潛艇怎样升降?怎样在水中固定深度?在潛艇活動範圍內，水密度變化會不會使潛艇不穩定?當然針對密度改變也能够做些調整，但這種調整並不實際。另外，若潛水艇目标是防止被人偵測到而必須保直靜默話，當然不能一直去調整它。很幸運是，在海裡許多深度範圍中，雖然密度有些擾動，卻不會影響潛艇穩定。這些被稱為斜溫層區域有什麼特別第37页2-10A潛艇穩定性潛水艇能够吸進海水、使質量增加而下沉。也可利用壓縮空氣將水排出，減少質量而上升。為了使潛艇在下沉時能保持穩定，海水密度必須隨著深度而增加。假如潛艇稍微往上移動，向下淨力會使他回到原來深度；若向下移動，則會有一股向上淨力。海水密度和水溫成反比，而和鹽度成正比，而水溫和鹽度都隨著水深而減少。在25到200公尺深度內，有幾個水層，其中水溫會隨著深度快速下降，如此導致海水密度增加量，足夠抵銷因鹽度減少而導致海水密度降低，海水密度仍隨深度而增加，使潛艇有足夠穩定性。第38页一、浮力 1、物體在液體中所減輕重量即為浮力。浮力空氣中重量液體中重量，浮力方向和重力方向相反。第39页一、浮力2、浮力形成：物體在液體中，各部分皆受液體壓力作用，左右二側壓力大小相等、方向相反，相互抵銷；但上面所受壓力比下面所受壓力小，所以產生向上壓力差，這就是浮力形成。第40页一、浮力3、阿基米德原理：兩千多年前希臘哲學家阿基米德發現，物體在液體中所減輕重量（浮力）等於該物體所排開液體重量，也就是物體在液面下體積乘以液體密度。阿基米德原理實驗浮力實驗第41页一、浮力4、浮力公式：FV下d液F：浮力（gw）V下：物體在液面下體積（cm3）d液：液體密度（g/cm3）第42页一、浮力（1）影響物體在液體中所受浮力原因有二個：物體在液面下體積和液體密度。（2）浮力（F）空氣中重量液體中重量所排開液體重量V下d液。第43页二、物體在液體中浮沈：1、當WF時，物體會下沈到底部，稱為沈體，此時物體所受浮力物體體積d液。W：重力F：浮力d液：液體密度第44页二、物體在液體中浮沈：2、當WF時，物體會停留在液面下任一位置，此時物體所受浮力物體重量。W：重力F：浮力d液：液體密度第45页二、物體在液體中浮沈：3、當WF時，物體會浮出水面，物體在液面下體積減少，所以所受浮力變小，直到物體所受浮力物體重量為止，此時稱為浮體。沈體與浮體W：重力F：浮力d液：液體密度第46页【問題】1、為什麼密度比水大物體會下沈？Ans：若物體重量WV物體d物體、浮力FV下d液，根據物體會下沈是因WF，則V物體d物體V下d液，因為是沈體，所以V物體V下，則d物體d液。所以物體密度若比水密度大，則會下沈。第47页【問題】2、潛水艇為什麼能潛入水中、浮出水面？Ans：當潛水艇要下潛時，其內部水艙將水吸入艇內，使潛水艇重量大於浮力，因而下潛，到適當深度時，調整水艙內水量，使重量浮力而停留在水中；當要浮出水面時，就把水艙內水排出艇外，使重量小於浮力，因而浮出水面。第48页潛水艇原理第49页【問題】3、魚類為什麼能够浮沈於水中？Ans：魚類利用體內鰾控制身體浮沈，當魚要上浮時，先使鰾膨脹，讓身體體積增加，所受浮力增加，便能够上浮。反之，若鰾收縮時，魚體積便縮小，所受浮力也減少，魚便下沈。第50页【問題】4、鐵密度大於水密度，但用鐵製造輪船為什麼會浮在水面上？第51页Ans：因為船內部有許多空間，使得平均密度小於水而能浮於水面上。船所受到浮力即等於船重量。第52页【問題】5、同一艘船在海面航行時，其吃水線（水面在船身位置）會比在淡水中航行時低，為什麼？船在海水和淡水中航行時，所受浮力相等嗎？Ans：因為船是浮體，船在海水、淡水中所受浮力都等於船重量而相等。但海水密度比淡水密度大，所以船身在海面時，排開海水較少，所以吃水線會比淡水中低。第53页四、氣體浮力3.當物體在空氣中所受到浮力該物體重量時，該物體就會飄浮起來。氫氣球、熱氣球、天燈就是因浮力大於重量而飄浮起來。第54页【問題】1、為什麼日常感覺不到空氣浮力？Ans：因空氣密度（0.0013gw/cm3）太小，所產生空氣浮力，對於物體重量而言是微不足道，所以較不易察覺到空氣浮力存在。第55页【問題】2、熱氣球要上升時為什麼要加熱？要怎样下降？Ans：加熱會使熱氣球內空氣體積膨脹、密度變小，使熱氣球重量小於浮力而上升；若停顿加熱會使熱氣球內空氣體積縮小、密度變大，使熱氣球重量大於浮力而下降。第56页2-11Q浮棒方向一條長方棒是以矩形面或兩面夾角方向浮在水面上?就算你直覺地想到答案，不妨試試將幾個方形棒放入不一样液體裡。然後根據棒子和液體相對密度差別來分類歸納。看看你直覺是否正確?第57页2-11A浮棒方向若棒子密度和液體密度比值靠近1或0，棒子就像第一個圖那樣浮著，成穩定平衡。若密度比值介於兩者之間，則棒子矩形面和液體平面成45，也是穩定平衡。不论什麼情形，漂浮方向取決於整個系統處於最低位能穩定平衡狀態。第58页2-12Q魚浮沉魚浮沉和潛艇一樣嗎?牠們是否以壓縮和擴張氣囊來改變深度?這是個惯用解釋，但他是錯，因為魚根本沒有控制氣囊肌肉。那麼，牠們是怎麼做?雖然在深度劇烈改變情況下，魚會死亡，牠們卻可活在深海裡。比如在15,000英尺深海裡，水壓每平方英吋可達7,000磅，仍有魚在那樣深度中生活。他們怎麼禁得起這樣壓力?第59页2-12A魚浮沉魚兒是靠鰾得到適當浮力，使牠不會浮在水面上或沉到水底去。假設一條魚向海底游去，增加水壓會使它體內空腔受到壓縮，似乎魚體積會變小，浮力也跟著減少，牠必須持續游動，才不至於一直往下沉。事實上魚會釋放氣體進入魚鰾，使它體積大致保持一定。所以，儘管壓力增加，魚還是會保持相同體積，也有相同浮力。當魚兒要向水面游時，它會把一些氣體吸收掉，又保持相同浮力。第60页鰾 大多數硬骨魚類硬骨魚類所含有浮力器官。位於體腔中，由消化道分出囊突發育而來。內含氣體內含氣體(通常是氧氣通常是氧氣)，為水壓平衡器官水壓平衡器官或浮沉器官浮沉器官，可使魚體保持在一定深度，既不上浮，也不下沉。又可作為發聲共鳴箱可作為發聲共鳴箱。一些種一些種鰾中含油而無氣體鰾中含油而無氣體。在一些原始性魚類，其功效如肺，用於呼吸而不用作水壓平衡器官。一些底棲和深海硬骨魚(真骨類)以及全部軟骨魚(鯊、鰩、魟)無鰾。結論結論鰾功效是：鰾功效是：水壓平衡器官、浮沈器官、發聲共鳴箱第61页這些魚類例外（沒有鰾）：這些魚類例外（沒有鰾）：一些底棲和深海硬骨魚(真骨類)以及全部軟骨魚(鯊、鰩、魟)無鰾。PS：看來鰾跟我們使用BCD（浮力背心）具備同樣功效，能够增加浮力，BCD加上氣笛一樣能够叭叭叫發聲，不过還得算上配重帶，不然把BCD氣體洩光了，一樣沈不下去。第62页2-13Q浮屍為什麼溺水人一開始會沉下去，幾天後才又浮起來?第63页2-13A浮屍屍體腐爛產生氣體會使它浮上來。活人不會沉,不过溺水人吸了大量水,所以會沉到水底.第64页2-14Q倒置水杯一個玻璃杯裝水，用一張紙板蓋在上面，然後把杯子倒置。現在把手放開，紙板並不會掉下來，所以水也不會流出來，為什麼?再用一根長玻璃管試試，當然玻璃管另一端是密封。當玻璃管倒置之後，紙片是否能固定，與管內有多少水關係很大，但你可能猜不著。若管內水幾乎是滿或幾乎是空，它就很穩定，紙片也不會掉下來。但若只裝二分之一水，則每次倒置水都會流出來，為什麼?第65页2-14A倒置水杯有兩種力使紙板固定:大氣壓力和表面張力:當玻璃杯倒過來時，水柱會稍稍下降，使杯子裡空氣壓力比外面空氣壓力低。水柱上面和下面壓力差，使它能支持自己重量而不掉下來。另外一些力是來自水和紙板以及水和玻璃之間表面張力。第66页2-15Q導致玻璃杯穩定性在上個問題中，若在玻璃杯倒置時卡紙突然消失，水為什麼會流出來?當然，我知道是因為重力，但它是怎麼開始?水表面在開始時不是穩定嗎?讓它對抗重力，保持不下落，不也正是相同力量嗎?一旦你知道水為何開始下落時，你能計算一下水要多久才會流光?嗎第67页2-15A導致玻璃杯穩定性這種結構非常不穩定，水表面任何輕微擾動或波紋都會快速地擴大。開始時可能會有微小氣泡形成且上升，水也就沿著管壁下落。氣泡上升速率，同時也是水落下速度度(9.8m/s2)平方根有關，也和氣泡上半部半徑有關。第68页2-16Q源源不絕鹽水噴泉在熱帶與眨熱帶海洋裡，表面是較暖鹽水。而下層海水溫度與鹽度都比較低。我們似乎能够利用這個特征，做一個源源不絕噴泉。伸一根管子到底部，然後把深層海水抽出來。等水開始流出之後，就把幫浦拿掉，噴泉會自己持續湧出來。什麼力量形成了噴泉?它真源源不絕嗎?第69页2-16A源源不絕鹽水噴泉海水溫度與鹽度都隨水深而減少。當較冷、較淡海水由底部上升時，會被周圍水加熱。所以比頂端鹹海水輕些，所以水流會持續下去。事實上，即使沒有管子，它也會繼續上湧，因為上升水與周圍海水熱交換。比鹽度交換快得多。第70页2-17Q鹽水手指在家裡廚房中，也能看到類似鹽水噴泉現象。用一個水族箱，裝二分之一冷淡水，然後很小心地將染色過暖鹽水倒在淡水上(不要弄混)，染色目标是為了方便觀察。上層溶液會立刻滲入下層淡水中，類似一根根手指狀，使整個交界面犬牙交錯。假如你在鹽水上倒一些糖水，甚至在沒有溫差情況下，也會發生這種現象(當然，還是利用染料才便於觀察)。是什麼引發這種手指狀下滲?它們為什麼很穩定?第71页2-17A鹽水手指就和2-16原理一樣，交界面不穩定性形成手指狀下滲。開始時運動是由小擾動產生，比如兩界面間小波動。在下滲途中，染色過鹽水逐漸損失熱量，但還是比周圍清水重些，會繼續下沉。清水最初是由小波動推湧向上，且在被加熱後，變得更輕(比周圍染了色水輕)，這樣上湧會持續進行下去。第72页2-18Q鹽水振燙將一個普通鐵罐，在底部鑽一個針孔，裡面裝了飽和鹽水，再把它放入一個盛淡水容器裡。兩種溶液最後會混合在一起嗎?答案是會，但過程相當奇怪。兩個溶液是交替地流入對方容器中。首先是鹽水由小洞向下流，接著是淡水由小洞往上流，依次進行。這種振盪會持續進行，有時可長達4天，而每個振盪週期大約是4秒鐘。為什麼會有這種溶液互換振盪?週期又是怎麼決定?第73页2-18A鹽水振燙鹽水與清水界面之間情形，就如同2-15與2-17所說,:那種不穩定。第74页2-19Q落下水流變窄為什麼由水龍頭穩定流出來水流會變細?是什麼力使水流像箍緊了普通?你能計算出水流直徑與水龍頭之間距離變化關係嗎?第75页2-19A落下水流變窄水流質量必須守恆，所以整個水流體積流率(volumeflowrate，每秒通過水流橫截面流體體積)必須保持固定。因為愈往下，水流速愈快，在樹宅體檳流下，它橫截面面積當然愈來愈小。第76页2-20Q氣流裡海灘球吸塵器推銷員為了吸引顧客，有時會把吸塵器氣流倒轉，並且在排氣口上方放置一個海灘球。不论氣流方向怎麼吹，這個海灘球都相當穩定，甚至拍它一下都不一定能把它從氣流裡拍開。它為什麼這麼穩定?球自轉是否會有特定方向呢?第77页2-20A氣流裡海灘球球能抗拒地心引力停在空中，是因為來自排氣管氣流所造成壓力差:球下方壓力大於它上方壓力。球把流過它上方大部分氣流都偏轉掉了。偏轉空氣裡壓力減少，使球上、下兩端壓力不一样(類似壓力減少情況可參見2-25)，結果之一就是使球有升力(iift)，而另一個結果是氣流在離開球後會向下偏轉。所以球可能被旋轉，使得能讓旋轉棒球偏轉馬格奴士效應(Magnuseffect，見2-39)也產生升力。有個錯誤答案可能產生，認為自由氣流壓力降低，只是因為空氣在活動，這是誤用白努利原理(Bernoulliprinciple)結果。氣流動能是來自機械運轉，而非來自空氣壓力減少。自由氣流裡壓力，實際上就是犬氣壓力。第78页2-21Q浮球玩具有一種浮球玩具也是利用這個懸浮技巧。如左下圖，你能够利用一旁小吹管吹氣，讓球平衡地浮在空中。若用力吹口長氣，球會上升進入頂端管子，然後回到原來位置。這個玩具重點是，看你一口氣能讓小球繞幾圈(我最高紀錄是五圈)。為什麼球會穩定懸浮?什麼力量讓球進入上方管子?第79页2-21A浮球玩具球由它底部吹上來氣流壓力支持。才能懸浮，並依2-20所說原理得到穩定。吹進玩具氣流把外面空氣夾帶進管子裡，使空氣由較高開口流向較低開口，當球通過較高開口，它只是被氣流吸入管子裡罷了。第80页2-22Q球在水柱上平衡另一個類似把戲是水柱上浮球。水柱上球偶爾會靜止幾秒鐘，但大部分時間它都上下左右跳動。為什麼它不會跳出水柱外?什麼力量讓它待在水柱裡?它物理意義和海灘球問題相同嗎?老實說，球有時真會跳離水柱，但當它掉下來時，又會進入水柱，回到原先位置。即使外面是真空狀態也一樣。什麼原因誘使球又回到水柱上端?第81页2-22A球在水柱上平衡水衝擊力支撐住球，並提供了必要穩定性。大半時間球是偏離中心，水衝擊力使它依某個方向旋轉。一部分。水會黏附在球表面上，隨球轉個半圈，然後被拋出去。當水離開球面時，會把球向後推(換句話說，給球一個作用力)，所以使球仍留在水柱上。甚至在球離開水柱時，有些水在下半圈旋轉時會被拋出，把球推回水柱裡。第82页2-23Q被水拉起來蛋在玻璃杯裡放個蛋，然後放在水龍頭底下沖。當水流速超過某個臨界值以後，蛋會升起來，好像被水龍頭水吸起來似。為什麼?是什麼原因決定臨界流速?第83页2-23A被水拉起來蛋顯然除了普通性說明之外，對這個問題還沒有什麼公開/文獻討論。為什麼不做些實驗!鄰近蛋上方與下方，壓力是多少?亂流和它有關係嗎?假設有個能够在靜水中浮起來蛋，在狹窄水平水流裡，這個蛋會逆流移動嗎?第84页2.24Q蓬頭水流裡湯匙假如你像右圖那樣握住一枝輕湯匙，並把圓那面向著水流，則湯匙看起來像是被水流黏住似。你能够試著拉遠湯匙，讓它和水流間夾有較大角度，但湯匙似乎拒絕離開水流。水流不是應該要把輕湯匙沖，開嗎?怎麼反而會吸住它?這是怎麼回事?第85页2.24A蓬頭水流裡湯匙湯匙邊緣水層產生了一個細小漩渦使壓力降低。疥湯匙另一邊大氣壓利水流這邊低壓，使湯匙靠近水流(這個現象稱為康達效應，Coandaeffect)，而調整湯匙產生結果，則是由於所謂茶壺效應(teapoteffecl，請參考2.118)。第86页2.25Q車會車高速火車在會車時一定要減速，否則車窗會破裂，為什麼?車窗會拉近車裡或向外推開?若火車並列前進，也會發生這種事嗎?若你站在高速火車旁，當車通過時你會被拉向火車?或被推開?或者都有可能?第87页2-25A車會車高速火車前方會產生一個高壓脈衝，而在後方產生一個低壓區域。當火車通過時，兩車之間低壓區會把窗戶向外吸。第88页2-26管式噴水槍若你將一根短管放進水裡，並在開口端上方吹氣，管子裡水會上升。假如用力吹，能够弄得你對面朋友一身是水。這種水霧有更實際用途:吹過窄管上加壓空氣，能够把容器裡液體均勻噴灑出去。這種噴水槍是怎样運作?第89页2-26A管式噴水槍通過管口空氣流使氣壓降低。而管子外水面承受著大氣壓力，所以壓力差使管內水上升真正問題是:為什麼氣流會使氣壓降低?一個錯誤答案是認為自由氣流會造成壓力降低。但如2-20所討論，自由氣流壓力就等於大氣壓力，所以，氣流會使壓力降低是由於氣流受到管子影響而發生偏轉。有兩個原因應該考慮到。有些空氣被迫上升。越過管子頂端。鄰近管子空氣碰到偏轉氣流後。會移動動得比較快，所以造成壓力降低。若氣流是亂流(這是非常可能)，會在管子上方形成旋渦，也會減低那裡壓力，這兩個原因都使管子上方氣壓降低，第90页2-27Q旗幟飄揚為什麼風會使旗幟飄揚?即使很均勻風也不例外。飄揚頻率怎样決定?第91页2-27A旗幟飄揚假設旗子在強風中完美地平整伸展開來。之後先有一個微小擾動在旗子一側產生了，並強迫空氣有一點點往外，方便越過這個小漣漪。當旗子兩側空氣壓力不一样時便會加大擾動區:越過擾動區空氣壓力減少。而旗子另一面空氣壓力是正常:另外。擾動也會順著風向沿旗子面滑過去，旗子也所以飄揚起來。第92页2-28Q通風孔頂端與土撥鼠風洞為什麼外緣呈錐形通風系統排氣孔，通風效果會好些?同樣，為什麼呈火山錐狀土撥鼠洞口，洞裡通風狀態比較好?第93页2-28A通風孔頂端與土撥鼠風洞當空氣被迫上升越過這些結構時，結構上方空氣壓力會降低(見2-26).所以通風管裡或土撥鼠洞裡空氣就被拉引出來。第94页2-29Q汽車擋風玻璃上蟲屍疾馳汽車擋風玻璃上蟲屍是直接撞上擋風玻璃嗎?還是牠們先被空氣壓扁，再濺上擋風玻璃?若是後者，那是什麼壓扁了蟲子?你或許會歸咎於擾流加上蟲子歹運，但真有這麼大擾流嗎?為什麼強有力偏折氣流，不能安全帶蟲子繞過汽車呢?第95页2-29A汽車擋風玻璃上蟲屍由前方翻過車頂並上升空氣，加速度非常大，力量足以把昆蟲壓碎在擋風玻璃上。第96页2-30Q賽車擾流板這些年來，賽車有許多改變，有些改變是很轻易了解，但有些卻很複雜。而發展最多是加在車尾、水平狀擾流板。帶有這種擾流板車進入彎道時，駕駛能够把擾流板向前傾斜，等離開彎道之後再調回水平位置。這種擾流板和它調整功效，使賽車在彎道裡貼地性大增，所以能够加速通過彎道。要不是由於擾流板破裂，會使車子失去方向控制，這種能够移動擾流板一定會沿用至今，而為了安全起見，參賽者只好把擾流板固定。不论是移動式或固定式，擾流板怎麼會增加汽車貼地性能?最奇怪一款賽車是Chaparral2J，這是霍爾(JimHall)設計，他也是使用移動式擾流板先驅者之一。、Chaparral2J車後有兩大片扇形物，設計來拉住汽車底下空氣，空氣要通過風扇結構才能跑出去。車子底部兩旁有裙、狀物緊貼路面，所以車底下形成一個空氣隧道。由於增加了牽引力(traction)，霍爾再一次加紧了車子速度。但他是怎麼辦到?為什麼車底空氣隧道及車後結構物會增加摩擦力?你能否估算出增加牽引力與車速?第97页2-30A賽車擾流板翼片向下傾斜，使汽車有一股向下壓力，所以車胎和路面牽引力會增加。牽引力加大，汽車能够轉彎得快些。產生氣體動力和飛機翅膀類似(見2-31)，只不過賽車是向下，而飛機是向上。裝在車後風扇也得到類似向下壓力，增加了車子牽引力。被迫通過車子底下空氣，由於進入了限定入口，速度會加紧。根據白努利原理，快速度時空氣壓力較小。所以車頂上壓力比車底大，車子就愈向下往路面壓，車子重量可有效地增加約50%。第98页2-31Q 飛機與升力飛機是怎样得到使它上升力?這是個標準物理問題，而標準答案牽涉到白努利原理，但這是唯一或主要原因嗎?假如機翼形狀是為了產生白努利效應，像左圖那樣，那飛機要怎樣向下飛?標準證明關鍵重點是，機翼上空氣移動得比機翼下空氣快，所以依白努利原理，機翼下空氣壓力比較大，會產生升力。為什麼機翼上空氣走得比較快?普通說法是，流經機翼上、下兩方空氣用同樣時間通過機翼。而上方空氣走距離較長，所以速度稍快。普通說明通常就到此為止。但為什麼機翼上、下空氣必須在相同時間通過機翼?這點极少人解釋。事實上，上、下氣流所需運動時間並不相同。要是如此，機翼升力是怎麼來?第99页2-31A飛機與升力通過機翼上方空氣，移動得比下方快。所以機翼上方壓力比下方小，就產生一股向上淨力。至於白努利原理能否用在這樣升力計算一直不很明確。這個原理是描述空氣流體中，沿著流線能量守恆情況(在這裡指是空氣壓力與動能)。然而在機翼周圍氣流，都會受到機翼附著與摩擦黏滯影響，這樣看來，不應該運用白努利原理。但假若這些附著與黏滯，是兩種不一样型式氣流重疊所造成，即環流(circulation，機翼下方氣流往前，而機翼上方氣流向後)與通過機翼無旋流(irrota-tionalflow)，則白努利原理依然是適用。依據庫塔(Kurta)與焦可斯基(Joukowsky)對升力研究，這種氣流重疊是存在。機翼上方，環流和無旋流速度相加，所以空氣流速較快。而機翼下方，兩股氣流方向相反，所以空氣流速降低。依照白努利原理，機翼上方壓力會比下方小，機翼就產生升力。所以，白努利原理應用在機翼升力問題上，是有些絕妙。在庫塔一焦可斯基理論中，機翼實際升力是決定於重疊之後偏轉氣流動量改變。根據牛頓定律，氣流向下偏轉所需要力，和機翼得到升力相等。有些參考文獻對機翼升力描述是錯，所以它們晝出氣流離開機翼方向與原來方向相同。第100页2-32Q拉起俯衝飛機假設有個飛機失速向下俯衝。駕駛員必須等到飛機加速到一定速度，即超過他普通巡航飛行速度時才能拉起機頭，為什麼?第101页2-32A拉起俯衝飛機當飛機駕駛企圖拉起俯衝飛機時，飛機有效重量會增加，乃因向上轉彎時向心加速度。而在俯衝時，機翼上。升力本來就不夠，現在有效重量增加，需要更大升力。為了得到更大升力，飛機速度須比正常時更加快。第102页2-33Q航向風裡帆船順風而行，或與風向夾有某個角度情況，並不難了解，只要這個角度不太大。不过帆船不但能與風向成90垂直前進，甚至能以45角度航行在風裡。在這種情形下，風向顯然和船行方向衝突，對不對?這時候是什麼力量推船前進?假如不论水流方向，船與風向該夾什麼角度，船才能够走得最快?第103页2-33A航向風裡風在帆凸面上產生一個水平升力(見2-31)。這個力是最有效，若船航行方向與風向垂直，會使船得到最大速度。第104页2-34Q飛盤是什麼讓飛盤飛得又高又遠?它一定要旋轉嗎?顯然，飛盤不一定是個盤子，有些環狀結構飛盤也飛得很好。第105页2-34A 飛盤飛盤在空中前進時，通常是前緣朝上，使它像機翼那樣得到升力(見2-31)。除此之外，它不停地旋轉，使方向得到穩定，就像迴轉儀藉本身旋轉得到穩定一樣。第106页2-35Q高爾夫球空中自轉為了要打得更遠，有些高爾夫球手會讓他們球兒向上旋轉，所以當球擊中地面時，會再往前滾。考慮一下球行進軌道，這真是個好主意嗎?第107页2-35A高爾夫球空中自轉當高爾夫球向下方旋轉時會得到一些升力，如同旋轉棒球會偏轉一樣(見2-39)。第108页2-36Q人力飛行一人能夠以自己力量飛行嗎?這是個老問題，但至今仍被人津津樂道。当前所設計人力飛行器似乎已靠近做出實際模型階段。設計這種飛行器時碰到一些問題如:人能產生多少動力?飛行需要多少功率?翼要有多大?應該要拍動嗎?假如你離地面很近，升力會增加嗎?第109页2-36A人力飛行關於人力飛行有兩種嘗試:一種是製造利用人力能够驅動飛機;另外有些人(不知算聰明或愚笨)則嘗試在手臂上裝上翅膀，再由高處跳下來，同時舞動翅膀(就像電影鳥人一樣)。後面這項嘗試從未成功地超過10或20英尺距離，跌下來慘狀也很難讓人忘懷。相反，製造更輕飛行器具，利用一個人或兩個人力量來推進使它升高，似乎很有希望成功。第一架這種飛機出現在1961年，飛了大約50碼。從那時開始，有許多不一样設計出現，比如翼長由60至120英尺都有。這些設計主要考量，是減低飛機升空所需要功率。至当前為止，就算一個運動選手，也不可能驅動飛機超過100碼。但一些翼長50英尺且形狀特殊運動用飛機，若也能運用風及空氣熱氣流，則有可能實現人力飛行理想。這種飛機需要一、兩人用人力推到足夠高度，然後有點像滑翔翼依樣飛行(見2-99)。第110页2-37Q弗萊特納怪船在1925年，有艘很奇怪船橫渡大西洋，它由兩根巨大垂直圓柱旋轉推進。這種旋轉圓柱怎样推進船舶?在現代應用裡，美國航太總署(NASA)以相同原理，在飛機機翼上裝上水平旋轉圓柱。這種圓桂怎样提供飛機所需升力?第111页2-37A弗萊特納怪船通過風會把圓柱向側方推，道理就像旋轉棒球會偏轉一樣，可參考2.39。適當地掌舵船隻方向，便可讓船前進。第112页2-38Q穿過建築物風現代大樓有一種設計，就是整棟大樓像是跨座在兩堵牆上，把整個一摟空出來。這種設計雖然迷人，但對一個受風地區來說，卻很不方便。比如當春風吹進美國麻省理工學院(MIT)時，在一棟這種大樓底部，曾測到過時速100英里強風，當然是校園裡風最強勁地方。(很多學生和剛來教職員都被刮得東倒西歪，只有待得久教授挺得住!)為什麼風速在這種情況下會特別強?第113页2-38A穿過建築物風有些吹到建築物風會被迫通過一樓開口，所以風必須加速通過才行。第114页2-39Q曲球、下墜球和彈指球棒球投手真能投出曲球、下墜球和彈指球嗎?假如能，請解釋一下每種球該怎麼投。曲球彎曲是連續或是突然?下墜球是突然下墜嗎?而彈指球真如打擊手所說飄忽不定嗎?一個大聯盟投手所投出曲球，在到達本壘板時，和直線偏差有多大?第115页2-39A曲球、下墜球和彈指球丟出對垂直軸旋轉棒球稱為曲球。通過棒球空氣會給球一個水平力(稱為馬格努斯效應)，使球側偏。作用在球上力是由於壓力不一样:逆風旋轉面壓力比順風旋轉面大。白努利原理應用，對這樣情況來說很困難，類似於2-31中飛機升力情形一樣。當空氣通過旋轉棒球時，會受到球附著與黏滯影響，所以白努利原理應該是用不上。球在逆風旋轉那一面，氣流動能降低、速度變慢，而順風旋轉面氣流動能增加、速度變快。但若考慮整體情況，其實是兩種氣流疊加:一種是通過棒球無旋、流，另一種是相當於環繞著棒球環流，而空氣附著與黏滯效應，只是氣流重疊結果，這時就能够應用白努利原理。在球一側，無旋流與環流相加，氣流速度變快。另。一側兩個氣流方向相反，所以速度變慢。現在白努利原理就能够應用了(我們无须再將外力作用考慮進去)，有一面空氣壓力會小於另一面，壓力差則使球側偏。就像機翼升力一樣(2-31)，實際偏轉力(水平升力)可依庫塔-焦可斯基理論來計算。有些書在解釋球偏移時，提到球偏轉力，但卻沒有提到氣流方向偏轉，其實是錯誤。第116页2-40Q光滑球體曲球光滑球體不像棒球，俸球表面粗糙，可抓住空氣，所以光滑球應該投不出曲球。雖然如此，你還是能用光滑球投出曲球，只是它彎曲方向恰好和棒球相反。為什麼?第117页2-40A光滑球體曲球一個表面光滑、慢速旋轉且慢速移動球，能產生相反效果。在一些情況下，順風旋轉那面氣流能够保持層流(平滑氣流)狀態，但另一面卻是亂流狀態。亂流區壓力比另一面小，球偏轉方向便與2-39情況相反。同時，離開球氣
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