物理学定律要慎用

田宇

“使用物理学定律解释生活中的现象”是我们学习物理的重要目的，也是物理学的意义所在。但是，如果对现象的解释错用了物理学定律或者以偏概全，反而违背科学精神。下面举几个常见的例子。

马桶中的水流旋转是由于“科里奥利力”

当我们使用洗脸池或者抽水马桶后放水时，水流通常会形成漩涡，并从排水孔流出。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，即当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线， 这个力就是科里奥利力。

由于自转的存在，地球并非一个惯性系，而是一个转动参照系，因而地面上质点的运动都会受到科里奥利力的影响。地球科学领域中的地转偏向力就是科里奥利力沿地球表面方向的一个分力。地转偏向力有助于解释一些地理现象，如河道的一边往往比另一边冲刷得更厉害。在地球北半球，科里奥利力造成流体逆时针旋转，在南半球则造成顺时针旋转。

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里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。马桶旋转水流的两端，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，也完全无法造成强烈的水流。

那么，马桶里的旋转水流是如何造成的呢？仔细观察即可发现，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，对于某个马桶或浴缸，漩涡方向是固定的。这是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？多做几次实验吧。

飞机能在天上飞是由于“伯努利原理”

伯努利是一位数学家和物理学家，他在1738年发现，当流体的流速提高时，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两片纸，并用力在纸的中间吹气，瞧，两张纸像是粘在一起了！

机翼的上表面是拱起的，而下表面是平坦甚至凹进去的。当气流通过机翼表面时，机翼上方空气流速较快，而下方空气流速较慢。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两个效应提供。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，这个运动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。如果一块平板的方向不与气流运动方向严格垂直，那么，平板就会受到气流的冲击。飞机的机翼有一定倾角（4度左右），特别是当飞机起飞时，机头高高抬起，就会形成更大的倾角，这样使得飞机在低速时，也可以获得较大的气流冲击效应，以便实现起飞。但是，机翼的倾角并不完全用于提供升力，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。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。

下次乘坐飞机之前，不要忘了观察一下机翼的形状！

骑自行车“大撒把”是由于陀螺效应

自行车只有两个轮子，怎么保持平衡呢？而且，有些高手在骑车的时候可以“大撒把”，任由车子向前走而不必担心摔倒。物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并用鞭子使劲抽打它，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。

陀螺只有一个旋转方向，已经很稳定了。而自行车有两个轮子，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作用，但是，如果自行车单单凭借陀螺效应保持稳定，那么，也仅仅能保证你在高速骑车时不会倒下。但是，两个陀螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体。从另一个方面看，骑独轮车的杂技演员时车速很低，甚至车轮完全停止转动也不会倒，则基本不是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，当自行车稍微有倒下的趋势时，人的身体会感受到，腰部肌肉就会自动动作，把身体拉向另一侧，形成反向力矩，促使车身抬起。我们学习骑自行车的过程，就是训练身体肌肉完成这种条件反射的过程，而一旦学会，这个控制回路就会保持在小脑中，随时可以启用，许多年也不会忘记。

但是高速骑车时，车子会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。前轮就固定在车把的前叉上。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力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，转动车把越费劲；而后倾角度越小，转把越容易，但车子的稳定性越不够。如果自行车完全没有前叉后倾，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。

自行车其实是一个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，既保证开车的时候车子尽可能稳定，又减少轮胎的磨损。

因此，在解释实际的物理现象时，切不可滥用物理学定律。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，而实际的系统，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，却可以有许多重要发明；为什么许多发明尽管被认为是物理学的应用，但其实与物理学无关。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，就太简单了。实际的情况是，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。