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小时候,每逢夏天,爸爸总带我去长江里游泳,偶尔,我意外地发现,在江心附近有许多“蛋筒”形的水涡随着水流向前移动,我用手朝那个方向指去,好奇地问:“爸爸,那是什么?”“旋涡呢?它从哪儿来的呢?”“爸爸也不知道,等你长大了,学了很多知识就知道。”爸爸的这句话从此铭刻在我幼小的心灵里,我暗暗下了决心,长大了一定在揭开形成旋涡的奥秘。
从此,我对水涡产生了浓厚的兴趣,多次观察发现:平静的水是不能产生水涡的(如池塘的水),只有流动的水才能产生旋涡。
时间过的飞快,转眼,我已是高中的学生了,我用学到的物理知识试着解释水涡产生的原因。根据经典力学,任何物体在不受力的作用时,运动状态将不会改变。水受重力以及两岸对它的压力。重力使水从上游向下游流动形成水流,压力相互平衡,这些力不足以形成旋涡,要使水流形成右旋涡必须存在某些向后偏转的力,才有可能使得水在向前流动中形成旋涡。水流中这些力是怎样形成的呢?静止的水中没有旋涡,也就没有这种力的作用。我来到长江岸边仔细观察江水的流动,发现江心的水流速度较快并紊乱,出现许多旋涡;靠近江岸,流速减慢,且分层流动。更有趣的是:江水的旋涡大多数是朝一个方向旋转——右旋(即沿水的流动方向向右旋转)。
我无法用学过的知识来解释,参阅一些资料、请教物理老师后才有所认识。原来:水有粘滞作用,当水流动速度达到一定值时(临界速度V)。将形成湍流,并出现旋涡;水流速度低于这一值时,形成层流。对于层流,水的一层移动对于另一层移动将出现或大或小的磨擦力。运动较快的水层将对运动较慢的水层施另一个加速力,反之,运动较慢的水层则对运动较快的水层施加一个阻滞力,这种力为内磨擦力。湍流也存在着内磨擦力,我想,江心中的水涡也与这种内磨擦力有关,而且还与水流的速率大小有关。
江水中水流大多数形成右旋涡又是怎么回事呢?仍不得其解。对此,进行实验:实验目的检验水流是否都朝一个方向旋转。
实验器材:有槽洞的水池、水塞、水和小纸屑等。
实验过程:先将水池灌满水,使水平静,然后慢慢拿去水塞,(注意:尽可能不要带动水)使水流出,撒一些小纸屑,观察纸屑随水的流动情况。实验结果:观察发现:四周的水会缓慢流向槽洞,在水中央形成旋涡,在不同地点、不同时间多次重复实验,大多数是右旋的(从上向下看为顺时针方向),少数相反。
实验说明:右旋涡的形成不是偶然现象,面是较普遍的现象。我想出现少数方向水涡的原因,可能是拨水塞时,对水有一个初始扰动造成的。
产生右旋涡的力到底是怎样形成的呢?联想起地理课上老师讲过的气旋和反气旋里地球自转引起的结果。那么,水流的旋涡是否也和地球自转有关呢?这种力是怎样产生的呢?
带着这个问题,再次请教物理老师,老师启发我说:我们居住的大地球既有自转也有公转,由于自转的结果,使地球上一切运动的物体都要考虑科里奥利力所产生的影响,在北半球,科氏水平分量总是指向运动的右侧,南半球则相反。我国位于地球北半球,长江水从上游流到下游(即从西南方流向东北方),科氏力对水的作用,使水向右岸偏转。但这种力对形成水涡的影响较小,我想科氏力对水流影响虽然很小,也有可能是水流形成右旋涡的一个原因吧?产生水涡的原因肯定还与水流的其它性质有关。我一时还搞不清楚。但我决心今后继续观察水流的奥秘,为探求水涡的形成原因作出努力。
上述是我对水流形成旋涡的一点浅薄的认识,就是:“水在流动过程中受到粘滞力、重力、地球自转产生的科里奥利力以及还可有其它作用而形成的”。
最后顺便指出:水涡对水中生长的鱼类较少也和水涡的影响有直接的关系。如何阻碍水流过急和水涡形成对长江水类动物生长提供有利条件,是我们今后研究的一大课题,为造福人类做出贡献。
此文获第六届安徽省青少年创造发明比赛和科学论文讨论会二等奖。
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