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第23节:和弄着的东西(2)

怎样把仓鼠变成化石? 作者:(英)米克·奥黑尔


答案就在发生于旋转流体中的被称为“压力—动量平衡”的过程之中。我们搅动所形成的旋转流体将会被保持在茶缸之中,而不是去冲破茶缸的四壁,这样流体的旋转形成的内力应该被流体内的梯度压力抵消。压力在中心位置最低并向茶缸壁的方向逐渐增高。思考一下拴在绳子一端被抡动的重物,绳子的拉力阻止了重物飞出。绳子的这个拉力就相当于茶水中的梯度压力。

被搅动时,液体会被向外推,提高了茶缸壁的压力,同时降低了中央位置的压力。我们可以清楚地看到,随着旋转液体被推向外,在液体表面的中心形成一个小漩涡。事实上,要不是茶缸的四壁限制着茶水,它会轻而易举地流出来洒在桌面上。因此,所有那些密度要比周围液体小的漂浮颗粒,将向内朝着压力最低的茶缸中央运动。

这说明了问题,但是还有较重的物体也向内运动。尝试在茶水中放一些花生米甚至是小石子(记住这时不要用你最好的瓷器做实验,而且即便你再渴,放入石子后的水最好还是不喝),你会发现花生米或小石子在你搅动茶水时仍然向中间汇聚。

茶缸较粗糙的缸底会产生较大的摩擦作用,比在液体接触到的茶缸壁等其他部位要大,这是因为液体的旋转面和茶缸底面平行。同时,空气和旋转液体在表面的摩擦作用是最小的,这使得液体运动要快一些。因此,在表面的较高压力和底部的较低压力之间也存在一个梯度。这导致形成了一个环流,即在搅动的作用下液体在表面向外运动,然后在茶缸壁附近向下,并沿着茶缸底向内,最后向上回到中心表面。像茶叶、小石子这类的颗粒被这个环流携带,最后在茶缸底部的中心停下来,那里是压力最低的地方。重力也起到了一部分作用。液体不会在茶缸底部聚集成堆而且要保持运动,会沿着旋转轴从茶缸底部向上流动。此时,较重的颗粒则在低压和地球重力拉扯的联合作用下,被滞留在底部。

物理学把这种颗粒的堆积作用叫做边界层效应。茶缸粗糙的底面是诱发这个性质的关键因素。如果找到一个更光滑的容器,具有比一般厨房里的茶杯更小的摩擦作用,你看到的效果会大打折扣。

附注:

在大风的日子里,垃圾会在阵阵旋风中聚集,而不是散开撒落在路面上。形成这种现象的作用力,与在茶缸里发生作用的力是相同的类型。


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