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飛機出現初期，受發動機力量限制，飛機速度很慢，為了增加升力，飛機機翼都是雙層。隨著發動機的改進，機翼變成單層。機翼在初期需要精心設計，以增加升力。但發動機的改進逐漸降低了對機翼形狀的要求。隨著軍事需求，飛機的反雷達偵察要求使得機翼形狀完全不必考慮空氣升力的優化設計，轉而考慮對雷達的隱藏能力。所以就出現了機翼和機身下面是一整個平面的結果。

在某些情況下,伯努利效應會帶來危害。兩條船在水上并列行駛時，中間的水流相對流速快，外側的水壓會使兩船靠攏。如果一條船很小時，壓力會使小船撞到大船上。

在游泳池或河中游泳，離開水以后身體上總是濕漉漉的，也就是有些水會粘滯在身體上。某些特殊材料，比如經過納米表面加工后，可完全不粘水。通常的物體總是或多或少會粘水。同樣，空氣也有類似特性，不過不易被觀察。觀看體育運動時，會發現一些有趣的結果。比如足球，有香蕉球、落葉球，還有一種路線飄忽的球。乒乓球有弧圈球，側旋球等。這些球的軌跡和我們的通常預計的有很大差異。這是怎么回事呢？

球在前進的同時帶有旋轉，而球表面粘滯了一層空氣，這層空氣隨著球共同旋轉，與迎面而來的氣流相互作用，就產生了類似于機翼的情況。如圖4.3所示,球本身向左飛行，從球上空觀察，描述球旋轉方以及球不同方位氣流按照球前進方向為基準。那么旋轉方向是右旋。飛行氣流與球左側的旋轉粘滯氣流方向一致，流速加快，而與右側的旋轉粘滯氣流方向相反，流速降低。那么球的右側壓力大于左側，球飛行軌跡與無旋轉的球飛行軌跡相比就向左偏移。同理，左旋球向右偏移，上旋球向下偏移，下旋球向上偏移。打乒乓球就可以驗證結果。一般情況下，左右旋和上下旋會結合在一起。比如左上旋，或右下旋。那么球的偏移軌跡也是對應偏移軌跡的結合。偏離程度與兩種旋轉的程度相關。同樣，足球中的香蕉球、落葉球原理也是這樣。香蕉球相當左旋或右旋球，落葉球相當上旋球。這種因旋轉到導致軌跡偏移的現象以德國人馬格努斯的名字命名。特殊情況：足球中有一種球在空中的軌跡居然是忽左忽右。這種球完全不旋轉，在空中應當是標準的拋物線。但球場中總有些小風，這些風方向不定，不同位置的風向可能相反。完全不旋轉的球在空中就受這些小風的影響，可左可右，并且速度快，很容易干擾守門員的判斷。這種情況和滑膛槍的子彈類似，在超出100米后，子彈不知道飛到哪里去了。所有滑膛槍時代的戰術是以量取勝，大量射手排成陣列同時射擊。雙方均采用此方法，戰術情景類似排隊槍斃。在進入線膛槍時代，進行遠距離射擊，還需要觀察手，給出風速和方向，以便校準射擊。

觀察：

伯努利原理的另類應用。在賽車場上，為了增加輪胎與車道的摩擦力，以增強賽車控制能力和速度，賽車的外形制作是讓賽車與地面之間氣流速度快，氣壓小，賽車上方流速慢，氣壓大，這樣增加了賽車的抓地能力。

足球射門集錦中總有一些香蕉球出現，觀察球員在觸球時的動作和球飛行軌跡之間的關系。

巴西有個球員儒尼尼奧擅長踢飄忽球，仔細觀察電視慢鏡頭回放中的忽左忽右軌跡以及球本身。

網球、高爾夫球、臺球、排球都有旋轉形成軌跡偏移情況，最突出的還是乒乓球，球拍制造旋轉的能力超強，當然主要還是球員技術。在自己熟悉的球類運動中實踐旋轉的制造，是否能總結出制造旋轉的規律？操場和球不是必須品，玻璃珠及類似物品也可以嘗試。

球表面粘滯流體，帶來馬格努斯效應，也降低球的旋轉。觀察高爾夫球，其表面有大量小坑，這個可以大幅度增加高爾夫球的飛行距離和旋轉時間。小坑里的空氣，旋轉飛行時一直保持著內，在飛行中外部氣流與坑沿上的空氣膜作用，對球的飛行和旋轉的摩擦作用遠小于光滑球面的結果。同時氣流可更順利抵達球的背后，球的迎面和背后的壓力差別小，球可以飛的更高更遠。在博物館里面尋找古代的類似玩具，是否表面有同樣結構？

自然中的風箏：在大風中，蜘蛛被吹上千米高空，而它吐出的絲長長地拖著后面。由于蜘蛛輕小，風很輕易就將蜘蛛帶到幾百公里以外的地方。當海中火山噴發形成一個新的島嶼時，首先到來的就是蜘蛛及其他類似體型的昆蟲，植物的種子雖然來了，但還沒有適合的條件發芽生長。而最早在這里生存下去動物就是蜘蛛，為什么？

秋天大雁南飛，經常是人字形或一字形。難道大雁有檢閱隊伍的愛好？早期解釋是大雁如此可以節省不少體力，這種說法可能過于樂觀。結合這些群體生活的遷徙鳥類行為，后來的解釋大致是綜合因素，大雁這樣飛行便于確定隊伍中各自的位置，至于節省體力尚待進一步分析。大約可估計，節省體力存在，但不如通常認為的那么多。不過鳥類長途跋涉后，體重減輕可達30%以上，節省一點體力就意味著生存可能性更大。另外鳥類飛行無法和飛機相同，翅膀還要產生向前的動力。電視慢鏡頭可以顯示鳥類扇動翅膀的動作，和昆蟲的方式不同（鳥類揮動翅膀，從鳥翼前緣向后方生出旋渦狀的氣流，和飛機螺旋槳后方產生的氣流非常類似。例外：蜂鳥，體型非常小，飛行方式是鳥類和昆蟲的結合）。

除了進行有組織飛行外，降低體力消耗主要是降低飛行時空氣對身體的阻力。通常所說的流線型，就是指那些有效降低空氣或水阻力的外觀結構。以空中為例，飛行時什么因素影響阻力？鳥表面粘滯著一些空氣，這些粘滯空氣和翅膀兩側氣流作用帶來阻力及升力。空氣迎面沖來，相當于臨時壓縮，壓力增加。而背后部分則空氣補充滯后，相當于臨時膨脹，壓力減小。那么正面和背后的空氣壓力差也成為阻力的來源。除了提升升力的飛羽外，那些覆羽將整個輪廓構造為流線型，使得正面空氣更易流到背后，壓力差減小。實際上，慢速飛行時粘滯阻力是主要因素，快速飛行時壓力差阻力是主要因素。觀察空中飛行者，鳥類基本都是流線型身材。昆蟲，比如蒼蠅，不必在乎什么身材（3億年前，地球上充斥著大量大型昆蟲，體長近1米的蜻蜓。這些昆蟲體型沒什么變化，那說明它們的飛行方式和現代鳥類完全不同）。水的密度比空氣大得多，流線型依然重要，但粘滯阻力也必須降低。悉尼奧運會，索普穿著鯊魚皮泳衣奪得3枚金牌，使得鯊魚皮泳衣名震泳界。后來被認為是不正當競爭，又禁止使用。而鯊魚皮表面粗糙，可當砂紙，進行光滑打磨。正是這些粗糙褶皺，起到了高爾夫球表面的效果，大幅度降低了粘滯阻力。

人類制造了大量空中和水中的機械。為了增加效率，流線型的外殼是必不可少（例外：直升飛機，飛行速度慢，為了增加巡航速度，外型基本還是流線型，存在大量外掛裝置）。不過空氣密度小，當發動機力量足夠時，外型的要求可適當降低。水的密度大，所以船只的外形構造是提高速度的最重要因素。潛水艇的形狀和海豚、鯊魚很類似，為了模擬這些快速動物的彈性皮膚，潛水艇外部還特意覆蓋厚厚的橡膠層。但無論怎么做，都是形似而不是神似，畢竟不能任意扭曲身體。

觀察：

坐輪船時，觀察尾部的擾流，那些小旋渦一個接一個。飛機翅膀、大雁翅膀后面都存在，但眼睛無法觀察空氣中的旋渦，除非卷進塵土或霧滴。但水中很容易觀察。

飛機降落減速時，翅膀上的減速板升起，破壞了伯努利效應，增加了前后壓力差，有效減速。軍用飛機甚至還放個降落傘進行減速，當然傘是拖著后方而不是上方。

賽艇，雖然是水上機械。但在使用中，整個艇身基本都在水面上，就尾部貼在水面，提高前進動力。阻力來自空中，動力來自水里，所以速度奇快。但操作不當，賽艇會飛到空中而出事故。

集體跑步時，形成一個長長的人鏈。第一個領跑的人，阻力最大，后面的就省力。為什么？田徑比賽的長跑項目，那些冠軍基本都不領跑，最后沖刺。除非實力超群，無可匹敵。

如右圖，三角形向左移動，氣流產生的阻力是向右方。如果移動速度相同，這兩個三角形，那個受到的阻力小些呢？觀察水滴在空中下落時的形狀（水滴速度越快越好），有條件的情況下，用照相機拍攝水滴形狀。對比水滴形狀與三角形。

梅樂芝經理的科普文章 （五）

第5節熱

夏天感到熱，冬天感到冷，通常我們以自己的冷熱感覺作為對環境的判斷。但這種判斷并不準確，甚至會出現判斷相反的情況。比如同樣的井水，夏天酷熱時節，這水真是沁人心脾啊，冬天一雙凍僵的手則覺得真是春天般的溫暖。所以精確衡量冷熱需引入溫度的概念。我們生活的環境最容易接觸的就是水，以水的結冰點定義為0度，沸騰點為100度（在海平面的高度）。這就是瑞典人攝耳修斯對溫度的劃分。荷蘭人華倫海特制定了另外一種劃分方法，把一定濃度的鹽水結冰溫度定為0度，把純水結冰溫度定為32度，水沸騰的溫度定為212度。通常我們稱為攝氏溫度或華氏溫度。我國采用攝氏溫度劃分，以下敘述中溫度全部采用攝氏溫度。

溫度定義好以后，對于宇宙任意物體的冷熱效果，都用其溫度來表達。原則上溫度沒有設上限，可以任意高(實際上，光速給出了對應溫度的上限)，但有下限，最低到零下273.15度，記為273.15c。這個令人意外。太陽內部溫度上百萬度，某些恒星表面1萬度以上，太陽表面溫度5500c。地球表面最熱的地方是火山口，可達1000c以上，在南極洲，最冷的地方可達89c。大多數地球的生命可以存活的溫度范圍大致從0c到50c。少數可以生活中極限環境中。凍原的細菌可以在150c生存，海底熱泉附近的細菌可以在400c生存。多數哺乳動物的體溫和我們接近，維持在37c左右。我們的體溫基本恒定，如果體溫過高或過低，都會危及生命。

溫度高低不同我們感覺熱冷不同，但并不是溫度決定一切。在爐子上燒開水，燒開小鍋水和大鍋水的時間不同。身體暴露在0c的空中，人體還可以堅持很長時間，但人體泡在0c的水中，很快就要喪生。造成以上差異的就是熱量。

首先，熱量可以傳遞。燒開水時，無論是燃氣還是電爐絲，其溫度都在800c以上，開水溫度才100c，所以熱量是由燃氣通過鍋傳至水。氣溫0c，我們體溫37c，那么熱量就由身體傳到空氣。熱量的變化帶來了溫度的變化。我們定義熱量，單位用卡。如同定義長度，單位用米一樣。1卡就是1克水升高1攝氏度所需的熱量。大鍋水比小鍋水量大，升高一度需要的熱量多，而爐子提供的熱量固定，所以燒得慢。溫度上升或下降是因為熱量的進入或喪失。而熱量的進入或喪失是因為熱量進出的兩方溫度有差異。

其次不同物質在溫度變化時熱量需求是不同的。在所有物質中，同重量物質等溫升高水需要的熱量最多。換而言之，在重量相同、降溫數量相同情況下，水降溫時釋放的熱量最多。加熱1克空氣使得溫度上升1度需要的熱量僅是水的六分之一，而且1克空氣的體積幾乎是1克水的1000倍！身體向空氣傳熱時，體表的空氣很快就被加熱，同時皮膚喪失熱量因而溫度下降。兩者溫度相同時不再進行熱量傳遞。而距離皮膚較遠的空氣溫度又低于皮膚表層空氣溫度，所以熱量又繼續向遠離皮膚的方向傳遞。導致皮膚表層空氣溫度下降，而這又導致皮膚繼續向空氣散熱。身體內部也類似。從肌肉到皮膚，溫度逐漸下降。這樣從肌肉到空氣，形成了溫度的連續下降的一個持續狀態。比如：肌肉37c，脂肪內層35c，外層30c，皮膚20c，皮膚表層空氣15c…遠處空氣0c。此時身體不斷向外散熱，維持著溫度分布的穩定。如果身體產生的熱量大于或等于保持上述溫度分布而需要的熱量，人體就能生存下去。在這種情況下，刮來一陣風，就破壞了體表空氣形成的溫度分布，直接讓0c空氣抵達體表，人體馬上散更多的熱出來。此時對身體的狀況就相當于不刮風空氣溫度為20c時的情況下，人體建立的溫度分布。冬天氣溫不變，刮風和不刮風的日子，身體感覺完全不同。動物的皮外毛發密集，固定住大量空氣不受風的影響，這樣建立起靜態的溫度分布，最大限度地降低了惡劣氣候的影響。人類使用動物毛皮做衣服，用羽絨填充衣服中間，也是同樣原理。當人在水中時，比如在北極的冰海中，海水溫度比0c還低一點。皮膚接觸同樣體積的水，重量幾乎是同體積空氣的1000倍，加熱升溫一度需要的熱量是4000倍。維持同樣的溫度分布，人體散發的熱量遠遠不夠。所以體溫會急劇下降。事實上全身卷縮起來，盡力保持腹部和腋窩的溫度，可以生存15分鐘。否則5分鐘就喪生。而同樣在北極附近，夏天后的第一場雪落在因紐特人裸露的皮膚上漸漸融化，他們迎來了新年，安然入睡。思考：

1.四萬年前，史前人類有了重大發明，雙卷邊縫紉技術，這樣毛皮制作的衣服不漏風，他們得以進入當時寒冷的歐洲，隨后又征服西伯利亞。沙漠中夏天也需要穿類似的衣服，為什么？

2.大象身體沒有毛，而它的近親，猛犸象（最晚于4000年前滅絕），又稱長毛象，渾身長滿了毛。犀牛同樣沒有毛，但其近親長毛犀牛也是渾身長毛（最晚1萬年前滅絕）。估計這些滅絕的近親應該生活在什么環境中？

3.有冬泳愛好者，大冬天鑿開冰面游泳。估計能游多久？為什么出水后渾身通紅？

4.初夏開始游泳，水溫尚低。剛入水身體感覺很冷，一會就適應了。這說明什么？最后可以測量一下體表溫度和水溫，讓沒游的人用手指感覺一下即可。

5.人體的熱量來自體內儲能。在身體熱量供應不足時，會打冷顫，事實是肌肉在釋放熱量。很多時候喝高度酒來御寒，其實是在飲鴆止渴。這時候吃點高熱量的東西是正經事。為什么？

6.俄羅斯大媽，基本是胖子的代名詞。南方人，比如嶺南地區人，都顯得干瘦。為什么？北極熊、海豹、海象都安然在冰水中生活，它們身體和人體的差異在哪里？

7.大型鯨魚經常在兩極活動，人類自19世紀開始大量捕鯨。那是工業革命的時代，在石油工業尚未開始時，鯨魚就是提供潤滑油、蠟燭的天然倉庫，為什么？

8.有喜好曬日光浴的，在冰天雪地中全身赤裸曬太陽。可以肯定的是，當天天氣無風。如果刮大風，還能堅持幾分鐘？

9.肌肉溫度低于正常狀態，就喪失部分功能。如果溫度嚴重不足，就表現為凍僵效果。人容易凍僵的部分有手腳耳朵鼻子。為什么？

10.人體吸入空氣，會對空氣進行加熱或散熱。扁平鼻子易于散熱。高窄鼻子加熱快。觀察鼻子就知道祖先在那里長期生活。

11.生活在水邊的鳥類，腹部有厚厚的絨毛，中間固定著大量空氣。在水中時，這些空氣就是隔離層，防止水直接接觸到皮膚，起到良好的隔熱作用。我們使用羽絨衣，就是將這些絨毛填充在衣服內層，形成隔熱層。同樣，棉花也是類似作用。

早穿棉襖午穿紗，圍著火爐吃西瓜。這是說新疆一天內的情景呢。桑拿夏天，天還沒亮，就熱烘烘的，太陽露個頭，蒸籠開始上汽。好一個馬拉松式的減肥過程，但除了難受，還是那么胖。持續到凌晨，終于困得合眼了。這是長江流域的情景。

新疆的情況，說明晝夜溫差很大。這也是新疆瓜果甜的原因。白天日光強，溫度高，植物光合作用，合成大量糖分。晚上氣溫低，植物消耗低。綜合結果糖分積累很高。為什么晝夜溫差大呢？太陽出來了，天空晴朗無云，大量熱量傳到地面。而地面沙子比例很高，和水相比，同樣的熱量，沙子升高的溫度是水的四倍。少量的熱量就可以使沙子溫度上升很高。地面溫度上升了，空氣又被地面加熱，所以午穿紗。但在陰涼地方或室內，溫度并不高。另外一個重要因素，空氣中水蒸汽含量低，人出的汗很容易揮發，所以顯得干爽。在高原昆明也有類似效果，只是程度要低些。太陽落山了，失去了太陽的熱量補充。地面和空氣中的熱量依然向太空中以輻射的形式散發。雖然溫度很高，但實際儲存的熱量較少，不存在阻礙散熱因素，很快就散發完了，溫度降低到輻射散熱收支平衡的程度。所以晚上冷颼颼的。

長江流域的情況，說明晝夜溫差小。桑拿的起因是空氣中水蒸汽含量快達到極限了。這樣人體排出汗很難揮發，都附著身體表面。感覺粘乎乎的，很不舒服。夏天時，副熱帶高氣壓籠罩著長江流域（參見16頁圖），氣溫高，空氣對流弱，風少而小。尤其城市中缺乏植被進行輔助降溫，導致整天悶熱。氣溫雖然不如新疆高，但人體自身降溫措施失效，躲在哪里都沒用。空調可以使某密閉空間溫度適宜，后果是惡化整個外部環境，并且惡化效果大于密閉空間的適宜效果。至于大多少，要看空調的效率高低了。所以桑拿天氣還有一部分的人為貢獻。地表泥土為主，含水量大，儲存的熱量大，散熱時空氣中的水蒸汽、云都是妨礙散熱因素。所以晚上散熱效果不佳。在地球同緯度的其他地區，大量都是沙漠。都是副熱帶高氣壓和人共同惹的禍，撒哈拉沙漠史前還是草原呢。當然氣候是主要因素，環境太脆弱，人只不過小小地推了一把，就讓環境萬劫不復。同樣的情況也出現在新疆東部和甘肅、內蒙西部。

在熱帶，氣溫一直很高，不存在四季情況，只存在雨季和旱季。而雨季和旱季交替依賴季風的風向。而暖濕氣流只能來自海洋。西雙版納，旱季是11月到來年4月，雨季是4月到11月。那么對應的季風情況，就是11月到4月，刮東北風，所以旱季。4月到11月，刮西南風，風來自印度洋，所以雨季。而太平洋的氣流最遠可以抵達青海西寧，大西洋的氣流最遠抵達新疆伊犁河谷。青海和新疆大部分地區，甘肅中西部，內蒙中西部，沒有海洋氣流抵達。如果沒有喜馬拉雅山脈及青藏高原，印度洋的氣流估計可以抵達。經常光顧這里的氣流主要是西伯利亞寒流，因此降雨量很小。地貌以草原、沙漠為主，水主要來自冰川融化。在內陸河流經的地方形成綠洲和貿易中轉站，間或可以進行農業種植。近幾十年全球氣候快速變暖，導致冰川積累不足，逐年退后，依賴冰川融水的地區水供應日漸窘迫。

思考：

1.中國耕地面積，目前集中在華南、長江流域、華北和東北。耕地對水供給的要求較高。而草原要求很低。在歷史上，長城是防御草原游牧部落進攻的主要屏障。農業耕作，對降雨量達要求是400毫米，中國的400毫米降水線和長城的路線比較吻合，這個是巧合嗎？

2.晝夜溫差小的區域應該有什么要求呢？那些是主要因素？

3.空氣中水蒸汽含量使用濕度來描述，濕度達到100%就說明目前空氣中的水蒸氣達到最大量了，無法再增加了。濕度和溫度密切相關，溫度越高，空氣中允許存在的水蒸氣越多。通常的濕度都是指當前溫度下，空氣中水蒸氣的數量和最大可存在值的比例關系，稱為相對濕度（絕對濕度是指水蒸氣和空氣數量的比例關系）。桑拿天氣，濕度接近100%，在自來水管道上，可以看到凝結大量水滴，為什么？另外地球上最干燥的地方在南極，為什么？阿塔卡馬沙漠為什么比不過？

4.早期文明，周圍都有大河。埃及有尼羅和，蘇美爾有幼發拉底河和底格里斯河，印度有恒河，中國有黃河。為什么？希臘沒有大河，但其文明卻擴散到地中海和黑海區域。而那些有大河的文明，卻沒有擴散開？<script>chapter1();</script>