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。
　　
　⊥勇葜 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。
　　
⊥ 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*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*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*上，因此又叫前
*后倾。前*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*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。