在跑步时,如果迎面还刮大风,会觉得跑得吃力。可以想象,如果风足够大,人都可以刮跑,比如龙卷风。说明只要风速足够大,就产生足够的力。而放风筝时,要有大风。风筝在空中一定是斜着的,风吹在筝面上,给风筝斜向上的力,足以抵消风筝的重力。而风筝绳子的作用是调整风筝的受风面的倾斜方向,实质是调整风筝的受力方向,保证风力一直可以抵消重力,绳子放到尽头后风筝就维持在空中。如果绳子断了,则风筝顺风而行,风筝受力变小,并且方向不受控制,很快就掉下来了。
风筝一种可行的升空手段,甚至公输班的那个木鹊也可能是风筝,可惜不能满足人类上天空的梦想。但风可以带来抵消重力的作用得到验证,莱特兄弟终于在内燃机时代升空了,但并不是风筝升空的方法。
成语泾渭分明原指关中的渭河和泾河汇合时,渭水浑浊泾水清澈,虽然两河交汇,但水流尚未混合,保持各自流动。这时候可以观察水流速不同对两条河流带来影响。两河汇合后,河水从侧面给对方的压力相等,保证自身水流的完整性。因每条河的水流量不变,如果其中一条河流速变快,则此河水流的横截面就变小,从两河的整体看,就是流速快的河面变窄,流速慢的河面变宽。按照相互给对方的压力这个角度而言,则是流速快的河流对侧面压力减小,流速慢的河流对侧面压力增加。这个效应以瑞士人伯努利的名字命名。可以想象,在两河的分界面上放置大片金属薄板,则板朝流速快的水流方向移动。
现在我们将金属板水平放置,迎面刮来大风,正常情况下,板的上方和下方空气流速相同,没有任何变化。如果我们改变金属板的形状,使得上方流速大于下方,那么整个气流就对金属板产生向上的力。如果风速足够,此力可以大到抵消金属板本身重力。一般情况下,风速有限,为了制造高速风,我们让金属板向前快速移动,效果与金属板不动迎面刮大风相同。这就是飞机升空的原理。
飞机出现初期,受发动机力量限制,飞机速度很慢,为了增加升力,飞机机翼都是双层。随着发动机的改进,机翼变成单层。机翼在初期需要精心设计,以增加升力。但发动机的改进逐渐降低了对机翼形状的要求。随着军事需求,飞机的反雷达侦察要求使得机翼形状完全不必考虑空气升力的优化设计,转而考虑对雷达的隐藏能力。所以就出现了机翼和机身下面是一整个平面的结果。
在某些情况下,伯努利效应会带来危害。两条船在水上并列行驶时,中间的水流相对流速快,外侧的水压会使两船靠拢。如果一条船很小时,压力会使小船撞到大船上。
在游泳池或河中游泳,离开水以后身体上总是湿漉漉的,也就是有些水会粘滞在身体上。某些特殊材料,比如经过纳米表面加工后,可完全不粘水。通常的物体总是或多或少会粘水。同样,空气也有类似特性,不过不易被观察。观看体育运动时,会发现一些有趣的结果。比如足球,有香蕉球、落叶球,还有一种路线飘忽的球。乒乓球有弧圈球,侧旋球等。这些球的轨迹和我们的通常预计的有很大差异。这是怎么回事呢?
球在前进的同时带有旋转,而球表面粘滞了一层空气,这层空气随着球共同旋转,与迎面而来的气流相互作用,就产生了类似于机翼的情况。如图4.3所示,球本身向左飞行,从球上空观察,描述球旋转方以及球不同方位气流按照球前进方向为基准。那么旋转方向是右旋。飞行气流与球左侧的旋转粘滞气流方向一致,流速加快,而与右侧的旋转粘滞气流方向相反,流速降低。那么球的右侧压力大于左侧,球飞行轨迹与无旋转的球飞行轨迹相比就向左偏移。同理,左旋球向右偏移,上旋球向下偏移,下旋球向上偏移。打乒乓球就可以验证结果。一般情况下,左右旋和上下旋会结合在一起。比如左上旋,或右下旋。那么球的偏移轨迹也是对应偏移轨迹的结合。偏离程度与两种旋转的程度相关。同样,足球中的香蕉球、落叶球原理也是这样。香蕉球相当左旋或右旋球,落叶球相当上旋球。这种因旋转到导致轨迹偏移的现象以德国人马格努斯的名字命名。特殊情况:足球中有一种球在空中的轨迹居然是忽左忽右。这种球完全不旋转,在空中应当是标准的抛物线。但球场中总有些小风,这些风方向不定,不同位置的风向可能相反。完全不旋转的球在空中就受这些小风的影响,可左可右,并且速度快,很容易干扰守门员的判断。这种情况和滑膛枪的子弹类似,在超出100米后,子弹不知道飞到哪里去了。所有滑膛枪时代的战术是以量取胜,大量射手排成阵列同时射击。双方均采用此方法,战术情景类似排队枪毙。在进入线膛枪时代,进行远距离射击,还需要观察手,给出风速和方向,以便校准射击。
观察:
伯努利原理的另类应用。在赛车场上,为了增加轮胎与车道的摩擦力,以增强赛车控制能力和速度,赛车的外形制作是让赛