田宇

“使用物理學定律解釋生活中的現(xiàn)象”是我們學習物理的重要目的，也是物理學的意義所在。但是，如果對現(xiàn)象的解釋錯用了物理學定律或者以偏概全，反而違背科學精神。下面舉幾個常見的例子。

馬桶中的水流旋轉是由于“科里奧利力”

當我們使用洗臉池或者抽水馬桶后放水時，水流通常會形成漩渦，并從排水孔流出。為什么會形成漩渦呢？熱心的物理學家這樣告訴我們：由于地球本身的自轉，使得在其表面流動的液體和氣體（或稱為流體）受到“科里奧利力”的作用。

科里奧利是19世紀法國數(shù)學家，他發(fā)現(xiàn)在旋轉球體上移動的物體會偏離其運動軌跡，即當一個質點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線， 這個力就是科里奧利力。

由于自轉的存在，地球并非一個慣性系，而是一個轉動參照系，因而地面上質點的運動都會受到科里奧利力的影響。地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。在地球北半球，科里奧利力造成流體逆時針旋轉，在南半球則造成順時針旋轉。

物理學家對科里奧利力或科里奧利效應的理解絕對準確，但使用科里奧利效應來解釋抽水馬桶里水的漩渦則大錯特錯。科里奧利效應在解釋洋流、大氣環(huán)流之類大規(guī)模運動的流體時是成立的。但是，對抽水馬桶的水流，科里奧利效應則幾乎毫無影響。馬桶旋轉水流的兩端，由于地球自轉造成的影響幾乎是完全相等的，即使有略微不同，也完全無法造成強烈的水流。

那么，馬桶里的旋轉水流是如何造成的呢？仔細觀察即可發(fā)現(xiàn)，是馬桶邊緣的出水孔。馬桶設計人員使水從邊緣沿著切線方向噴出，這樣造成水流的強烈旋轉。但是，洗臉池和浴缸并沒有側向水流，為什么也會產生深深的漩渦呢？答案也不是科里奧利效應。

原因在于，水在流向排水孔時，不能把孔完全蓋住，否則，空氣跑不出來，水也流不下去。因此，水流必須“排隊等候”流入排水孔。漩渦就是水流排隊的方式。通常，對于某個馬桶或浴缸，漩渦方向是固定的。這是因為排水孔中心并不嚴格處于馬桶或者浴缸的中心，這樣，初始的隨機偏轉效應會累積，最后形成固定的旋轉方向。

不相信嗎？多做幾次實驗吧。

飛機能在天上飛是由于“伯努利原理”

伯努利是一位數(shù)學家和物理學家，他在1738年發(fā)現(xiàn)，當流體的流速提高時，表面的靜壓力會降低。這個現(xiàn)象稱為“伯努利原理”，而幾乎所有的物理學教材和科普文章，都使用這個原理討論機翼升力的產生。為了解釋這個原理，通常，他們首先會讓你拿出兩片紙，并用力在紙的中間吹氣，瞧，兩張紙像是粘在一起了！

機翼的上表面是拱起的，而下表面是平坦甚至凹進去的。當氣流通過機翼表面時，機翼上方空氣流速較快，而下方空氣流速較慢。根據(jù)“伯努利原理”，下面氣流造成的靜壓力大于上方氣流的壓力，于是，機翼受到一個向上的作用力，飛機就飛了起來。

遺憾的是，這是完全錯誤的。而使用“伯努利原理”解釋飛機的升空也是“白努力”。

伯努利效應可以解釋一部分升力的來源，但這是非常小的一部分。如果飛機僅僅根據(jù)“伯努利原理”飛行，機翼形狀必須非?！肮捌稹?，或者，必須要飛得非?？觳判?。

飛機的升力主要由另外兩個效應提供。一個是康達效應；另一個是氣流沖擊效應。

康達效應指的是：氣流流經(jīng)機翼曲面時，氣流會緊貼機翼表面（這當然也有一點伯努利效應的含義）。這樣，機翼的形狀有效地改變了氣流的方向，使離開機翼的氣流相對飛機作向下的高速運動。機翼推開氣流，這個運動的反作用力作用于機翼上，相當于氣流也在推開機翼，這個力使得機翼向上舉起。

另一個重要的效應是氣流沖擊效應。如果一塊平板的方向不與氣流運動方向嚴格垂直，那么，平板就會受到氣流的沖擊。飛機的機翼有一定傾角（4度左右），特別是當飛機起飛時，機頭高高抬起，就會形成更大的傾角，這樣使得飛機在低速時，也可以獲得較大的氣流沖擊效應，以便實現(xiàn)起飛。但是，機翼的傾角并不完全用于提供升力，更多的是為了維持飛機本身的氣動布局，以保證飛機在飛行時的氣動平衡。

飛機是一個非常復雜的氣動力學系統(tǒng)，設計師必須保證飛機在x、y、z幾個方向上受力平衡。這就是飛機為什么需要機翼、尾翼、垂直尾翼的原因。此外，為了操控飛機，機翼上都開有活動襟翼，因此要仔細分析飛機的受力很不容易。這也是飛機設計原型為什么要進行風洞試驗的原因。

下次乘坐飛機之前，不要忘了觀察一下機翼的形狀！

騎自行車“大撒把”是由于陀螺效應

自行車只有兩個輪子，怎么保持平衡呢？而且，有些高手在騎車的時候可以“大撒把”，任由車子向前走而不必擔心摔倒。物理學家拿出一個陀螺，放在地上轉一下，并用鞭子使勁抽打它，隨著陀螺越轉越快，陀螺也像不倒翁一樣，雖然只有一個尖著地，卻左右搖擺而不肯倒下。這就是陀螺效應：旋轉的物體有保持其旋轉方向（旋轉軸的方向）的慣性。

陀螺只有一個旋轉方向，已經(jīng)很穩(wěn)定了。而自行車有兩個輪子，顯然自行車輪子在高速旋轉的時候，會使自行車更穩(wěn)定。因此，騎車人撒開車把也不會倒下。

但遺憾的是，這并非一個合理的解釋。

陀螺效應在保持自行車穩(wěn)定中也許起到不可忽略的作用，但是，如果自行車單單憑借陀螺效應保持穩(wěn)定，那么，也僅僅能保證你在高速騎車時不會倒下。但是，兩個陀螺似乎并不足以支撐騎車人重達幾十公斤的身體。從另一個方面看，騎獨輪車的雜技演員時車速很低，甚至車輪完全停止轉動也不會倒，則基本不是依靠陀螺效應保持平衡。

自行車的平衡首先來自于騎車人腰部的肌肉。熟練的騎車人，其身體形成自動的條件反射，當自行車稍微有倒下的趨勢時，人的身體會感受到，腰部肌肉就會自動動作，把身體拉向另一側，形成反向力矩，促使車身抬起。我們學習騎自行車的過程，就是訓練身體肌肉完成這種條件反射的過程，而一旦學會，這個控制回路就會保持在小腦中，隨時可以啟用，許多年也不會忘記。

但是高速騎車時，車子會比剛剛起步的時候穩(wěn)定，這又是為什么呢？

自行車本身的平衡機制來自于前叉后傾。我們可以觀察到，幾乎每輛自行車的車把軸都不是與地面完全垂直，而是后傾的。前輪就固定在車把的前叉上。前叉后傾，使車輛轉彎時產生的離心力所形成的力矩方向與車輪偏轉方向相反，迫使車輪偏轉后自動恢復到原來的中間位置上。這樣，車子就有了自動回正的穩(wěn)定性。車速越快，所造成的恢復力矩越大，騎車人就越感到穩(wěn)定。這就是高速騎車時，會感覺車子比剛剛起步的時候穩(wěn)定的原因。

一般而言，車子前叉越后傾，車子越穩(wěn)定，轉動車把越費勁；而后傾角度越小，轉把越容易，但車子的穩(wěn)定性越不夠。如果自行車完全沒有前叉后傾，那么，騎自行車會是一件很痛苦的事情。

自行車其實是一個相當復雜的力學體系，而汽車的前輪定位更加復雜。有主銷內傾、主銷后傾、前輪外傾和前輪前束，既保證開車的時候車子盡可能穩(wěn)定，又減少輪胎的磨損。

因此，在解釋實際的物理現(xiàn)象時，切不可濫用物理學定律。物理學研究的是抽象模型，這些模型常常是幾個變量作用的簡單系統(tǒng)，而實際的系統(tǒng)，常常非常復雜，發(fā)明這些系統(tǒng)，除了需要洞察力，更多的是類似于設計師的建構能力。這就是為什么愛迪生完全沒有物理學知識，卻可以有許多重要發(fā)明；為什么許多發(fā)明盡管被認為是物理學的應用，但其實與物理學無關。舉個例子：蒸汽機盡管是物理學的一個應用，但如果僅僅認為瓦特是看到水壺的蒸汽把蓋子掀開，認識到膨脹的氣體可以做功，就發(fā)明了蒸汽機，就太簡單了。實際的情況是，如果不能想出活塞、曲軸、連桿等裝置把直線運動轉化成圓周運動；不能把進氣和排氣閥的開啟和關閉用某套機構跟曲軸聯(lián)系起來；不能設計出合理減速比的傳動系統(tǒng)，那么蒸汽機還只是一個物理學的教案，而不能成為現(xiàn)實。