关于力学的几个问题（几则经典的力学的错误解释）

一些类似于十万个为什么之类的科普读物，使用物理学定律解释生活中的现象，而物理学教科书中也使用生活现象作为物理定律的应用。这正是物理学的威力所在。但是，如果对现象使用错误的解释，反而容易损害科学精神。下面举出几个常见的物理学经典错误解释。

1. 抽水马桶的水流形成的漩涡，在北半球逆时针旋转，在南半球顺时针旋转。

当我们使用洗脸池或者抽水马桶后放水时，水流通常要形成漩涡从排水孔流出。为什么会形成漩涡呢？热心的物理学家这样告诉我们：由于地球本身的自转，使得在其表面流动的液体和气体（或称为流体），受到“科里奥利力”的作用。科里奥利是19世纪法国数学家，他发现在旋转球体上移动的物体，会偏离其运动轨迹。

这很容易理解，把等角速度旋转的物体本身看成是一个非惯性系，那么其中运动的物体受到惯性力的作用；特别是，一个惯性力垂直于矢弪方向，是因为沿矢弪方向移动时候，其线速度会发生改变，也就是产生了加速度，这就是受力方向。在地球北半球，科里奥利力造成流体逆时针旋转，在南半球则顺时针旋转。

物理学家对科里奥利力或科里奥利效应的理解绝对准确，但使用科里奥利效应来解释抽水马桶水的漩涡则大错特错。科里奥利效应在解释洋流、大气环流之类大规模运动的流体时是成立的。但是，对抽水马桶的水流，科里奥利效应则几乎毫无影响。马桶旋转水流的2端，由于地球自转造成的影响几乎是完全相等的，即使有略微不同，也安全无法造成强烈的水流。

那么，马桶时如何造成水流旋转呢？仔细观察即可发现，答案是马桶边缘的出水孔。马桶设计人员使水从边缘沿着切线方向喷出，这样造成水流的强烈旋转。但是，洗脸池和浴缸并没有侧向水流，为什么也会产生深深的漩涡呢？答案也不是科里奥利效应。原因在于，水在流向排水孔时，不能把孔完全盖住，否则，空气跑不出来，水也流不下去。

因此，水流必须“排队等候”流入排水孔。漩涡就是水流排队的方式。通常，对于某个马桶，漩涡方向是固定的。这因为排水孔中心并不严格处于马桶或者浴缸的中心，这样，初始的随机偏转效应会累积，最后形成固定的旋转方向。

不相信吗？多做几个实验吧。

2. 飞机在天上飞是由于“伯努利原理”造成的机翼升力。

伯努利也是一位数学家和物理学家，他在1738年发现，当流体的流速提高，表面的静压力会降低。这个现象称为“伯努利原理”，而几乎所有的物理学教材和科普文章，都使用这个原理，讨论机翼升力的产生。为了解释这个原理，通常，他们首先会让你拿出2片纸，并用力在纸的中间吹气，瞧，2张纸像粘在一起了！

机翼的上表面是拱起的，而下表面是平坦甚至凹进去。当气流通过机翼表面，机翼上方空气流速较快，而下面空气流速较慢。根据“伯努利原理”，下面气流造成的静压力大于上方气流的压力，于是，机翼受到一个向上的作用力，飞机就飞了起来。

遗憾的是，这是完全错误的。而使用“伯努利原理”解释飞机的升空也是“白努力”。

伯努利效应可以解释一部分升力的来源，但这是非常小的一部分。如果飞机仅仅根据“伯努利原理”飞行，机翼形状必须非常“拱起”，或者，必须要飞得非常快才行。

飞机的升力主要由另外2个效应提供。一个是康达效应；另一个是气流冲击效应。

康达效应指的是，气流流经机翼曲面时，气流会紧贴机翼表面（这当然也有一点伯努利效应的含义）。这样，机翼的形状有效地改变了气流的方向，使离开机翼的气流相对飞机作向下的高速运动。机翼推开气流，但这个运动受力的反作用力作用于机翼上，相当于气流也在推开机翼，这个力使得机翼向上举起。

另一个重要的效应是气流冲击效应。当一块平板的方向不是与气流运动方向严格垂直，那么，平板会受到气流的冲击。飞机的机翼与其自身有一定倾角（4度左右），特别是，当飞机起飞时，要把机头高高抬起，形成更大的倾角，这样在低速时，也可以获得较大的气流冲击效应，以便使几十吨的飞机起飞。但是，机翼的倾角并不是完全用于提供升力，更多的是为了维持飞机本身的气动布局，以保证飞机在飞行时侯的气动平衡。

飞机是一个非常复杂的气动力学系统，设计师必须保证飞机在x,y,z几个方向上受力平衡。这就是飞机为什么需要机翼、尾翼、垂直尾翼的原因（那种像飞碟一样的无尾翼飞机设计起来是非常麻烦的）；此外，为了操控飞机，机翼上都开有活动襟翼，因此要仔细分析飞机的受力很不容易。这也是飞机设计原型为什么要进行风洞试验的原因。

下次从新郑薛店机场登机时，不要忘了观察一下机翼的形状。

3. 骑自行车“大撒把”是由于陀螺效应。

这是一个典型的错误解释。

自行车只有2个轮子，却为什么可以保持平衡呢？甚至，高手在骑车的时候，可以双手离开车把，任由车子向前走而不担心摔倒（但要担心前面呼啸而来的汽车）。物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并开始用鞭子使劲抽打它，随着陀螺越转越快，陀螺也像不倒翁一样，虽然只有一个尖着地，却左右摇摆而不肯倒下。这就是陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋转轴的方向）的惯性。

虽然有一个旋转方向，已经很稳定了。而自行车有2个轮子，显然自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车更稳定。因此，骑车人撒开车把也不会倒下。

但遗憾的是，这并非一个合理的解释。

陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果，但是，如果自行车单单凭陀螺效应保持稳定，那么，初学者也应该在高速骑车时不会倒下。但是，2个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看，骑独轮车的杂技演员由于车速很低，甚至车轮完全停止转动，则基本无法依靠陀螺效应保持平衡。

自行车的平衡首先来自于骑车人腰部的肌肉。熟练的骑车人，其身体形成自动的条件反射，当自行车稍微倾斜倒下时，人的身体会感受到，腰部肌肉会自动动作，把身体拉向另一侧，形成的反向力矩促使车身抬起。我们学习骑自行车，也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射，而一旦学会，这个控制回路就保持在小脑中，随时可以启用，许多年也不会忘记。

但是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定，这又是为什么呢？

自行车本身的平衡机制，来自于前叉后倾。我们可以观察到，几乎每辆自行车的车把轴，都不是与地面完全垂直，而是后倾的。由于前轮是固定在车把的前叉上，因此又叫前叉后倾。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，所造成的恢复力矩越大，骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定的原因。

一般而言，车子前叉越后倾，车子越稳定，但转动车把越费劲；而后倾角度小，转把较容易，但车子的稳定性不够。但如果自行车完全没有前*后倾，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。

自行车其实是相当复杂的力学体系，而汽车的前轮定位更加复杂。有主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束，这保证开车的时候车子尽可能稳定，但又减少轮胎的磨损。

因此，我们看到，在解释实际的物理现象时侯，切不可滥用物理学定律。由此我想到，物理学家尽管在黑板和实验室往往很成功，但面临具体的工程领域，需要大量简单但系统的建构时，就显得力不从心了。因为物理学研究的是抽象模型，这些模型常常是几个变量作用的简单系统，要定量研究清楚，一个需要数学，还有就是需要洞察力；但实际的系统，常常非常复杂，发明这些系统，除了需要洞察力，更多的是类似于设计师一类的建构能力。这就是为什么爱迪生完全没有物理学知识，却可以做出许多重要发明；为什么许多发明尽管被认为是物理学的应用，但其实于物理学无关。

举个例子：蒸汽机尽管是物理学的一个应用，但如果仅仅认为，瓦特是看到水壶的蒸汽把盖子掀开，认识到膨胀的气体可以做功，就发明了蒸汽机，这就太简单了。

实际的情况时，如果不能想出活塞、曲轴、连杆等装置把直线运动转化成圆周运动；不能把进气和排气阀的开启和关闭，用某套机构跟曲轴联系起来；不能设计出合理减速比的传动系统，那么蒸汽机还只是一个物理学的教案，而不能成为现实。

来自四川大学蓝色星空站

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