运动的旋律与变化的世界
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2.不修边幅的飞石

如果你用形状一点儿也不扁平的石头打水漂,就没那么容易了。别说不能在水上漂,在空中也会惹恼空气遇到障碍。谁都知道,抛向空中的石头,在地球引力(也称为重力)作用下会加速下落。可是,除了重力,别忽略和小看那些看不见的空气分子。空气可不是那么好对付的。分子很小,可是它们多啊。它会挡在前面,你得推开它;它又在后面尾随,你得拖着它。就是不让你省力,它试图阻止小石头飞得更快、飞得更远。小石头目前还不了解空气的脾气与爱好,当然会遇阻啦。空气分子活蹦乱跳的,你在其中穿梭,不缠着你才怪,想想捅了马蜂窝是什么情况。

千奇百怪的下落与飞行现象(图1.4)

图1.4 各种形状的物体在空中

还是说石头,肯定令人失望:石头有什么好说的,无非就是说它飞着飞着会下落,空气还会使坏,让它飞得慢。可是别急,也不要下意识地对空气产生不好的印象。首先,即使这显得枯燥,那么能从枯燥中也看到乐趣,就不会在乐趣中看到枯燥。

这里之所以要说石头,是想说明这样一个道理:因为小石头不愿意了解空气的脾气,所以就会遇到困难。但不是所有东西都会像小石头这样不修边幅。就像人一样,修饰一下,别人可能对你更客气。空气不一定比人的境界高,难怪它也会以貌取人。蒲公英就知道举着华丽的冠毛伞,南风当然就成了它们的游乐场。大雨滴在空气中穿梭,会知趣地变成伞盖状,这样空气就会帮它减小地球引力的加速作用,使雨滴徐徐下落,从而不会砸伤小蜜蜂遭遇官司。小鸟和昆虫选择了精美的翅膀,空气气流会帮助它们自由飞翔。飞机模仿了鸟,插上一对形体优美的机翼,空气便友好地在机翼上表演上吸下举的绝技,让飞机轻巧地在空中远航。空气让急速降落的流星带着一团火球、让旋转的足球走弧线、让美丽的雪花轻轻飘落。

但现在我们看看不修边幅的小石头会如何惹恼空气。

被小石头推挤和拖拽的空气(图1.5、图1.6)

图1.5 小石头在空气中飞行

图1.6 小石头飞行轨迹

我们耳听过风吹树叶沙沙响,也见识过肥皂泡泡或小气球炸裂时飞溅的水珠或小碎片。于是,我们不难理解,空气并不空,一定有看不见的东西,且有一定的内压。确实,大气中的空气并不空,由多得数也数不清的、小得看也看不见的、可以近似看成球的空气粒子(也称为空气分子)组成。暂时,我们不去看这些分子有多小、有多少和是什么。这里,我们只需要知道,它们是数也数不清的悬在空中到处乱跑的小球球。

这种到处乱跑也称为分子热运动。每个分子跑的方向不一样,速度大小也不一样,各有各的自由。一不小心,一粒分子就会碰上另外一粒分子。正是这种热运动,我们才感知冷热,原来我们是被分子碰热的,否则将冻成冰块。正是这种相互碰撞,空气才有内压。

这是一块各个方向尺寸差不多的小石头。小石头在空气中飞行,迎风面撞击空气分子,迫使挡路的空气让开。因此,挡路的空气会被推着走。人推着一群小孩往前走,就得使力。同理,石头推动空气,也给了被推动的空气以力的作用。反过来,撞击石头的空气也以牙还牙地给了石头迎风面的力,即石头的迎风面有了正压。这种以牙还牙,用物理学语言,就是所谓的牛顿作用力与反作用力定律。

迎风面的反面是背风面。你拖着一群小孩往前走,需要使力。背风面的空气被石头拖着走,当然需要施加作用力,反过来被拖动的空气也就有一个拉扯石头的力,即石头的背风面出现负压。背风面的负压也可以这样理解,背风面的空气显然是被石头吸着走。只有负压才能被吸着走。你用一根管子对着水吸气,水就流进嘴里,表明吸气时,气压低了,水就顺着低气压进嘴里了。

当然,如果小石头沿着飞行方向比较细长,那么被推动的空气可以从侧面绕到背风面去帮忙。这里不考虑这种纤细的形状。从侧面绕到后面的空气太少,不起太大作用。背风面起作用的主要是被拖动的空气。背风面的空气又没长手去拉着石头,怎么会被拖着走?原来,如果不被拖着走,石头背风面就会试图被留下真空。所谓真空,就是真的很空,空得几乎什么都没有。由于空气分子有乱蹦乱跳的热运动,会去填满任何空隙,因此不会留下真空。

迎风面的正压与背风面的负压,均指向飞行反方向,就像你在人群中挤向前面去打架,劝架的在前面挡着你,从后面拖着你,于是你遇到阻力。石头迎风面的正压和背风面的负压,合起来就是一种阻力,称为压阻,指向飞行相反的方向。

你在地面拖动物体,地面给物体摩擦,即产生摩擦阻力。石头飞行时,其侧面与空气分子也会发生摩擦,因此也产生摩阻。

这种压阻与摩阻一起,形成总的阻力,指向飞行方向相反的方向,会将飞行的石头的速度降下来。因此,由于空气阻力的作用,飞行的石头比没有空气阻力的情况飞得更近。

小石头的飞行速度越大,与空气相互撞击的力度就大,因此阻力越大。这样形成的阻力,与飞行速度的平方近似成正比。也当然与空气的密度以及迎风面的面积成正比,这是因为空气越稠密以及迎风面积越大,参与作用的空气就越多。比例系数也称为风阻系数,或阻力系数。阻力系数与形状、姿态和速度都有点关系。物体越美丽光顺,越娇小纤细,阻力系数越小。凸头凸脑的小石头,阻力系数接近1。扁平石头阻力系数就小多了。因此,不知是否可以说,阻力系数就是美丽指数。美丽指数到底是多大,就是科学家去搞清楚的事情了。科学本身就是一种艺术,这么好玩的问题,在科学家面前当然能迎刃而解。