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摩擦力为什么会“消失”

时间:2023-02-10 理论教育 版权反馈
【摘要】:原来,“罪魁祸首”就是水池中的水。类似的故事发生在英国。管子中部有一个喷嘴同一段细管相连,多氧素从喷嘴喷向水流的下游。在喷嘴右边“下游”的D区,是均匀区。这里的摩擦力比较小。令人吃惊的是,这里的摩擦力已经大大降低了。“想说爱你不容易”的例子是,在我们需要物体快速运动的时候,摩擦力一定会“反其道而行之”——像前面消防队员水龙头中的水那样,或者在我们需要“车子快跑”的时候。

“啊,提高了40%,这不可能!”

法国的海军工程师们惊叫起来。

像其他船厂一样,20世纪40年代巴黎的一家海军造船厂,也用人工水池来检测舰船模型的性能。这个模型长约2米,是真船大小的1/100。

每过几个月,工程师们就要在同样的水池、同样的船模和同样的功率下,重复试验。

可是有一天,他们发现试验绪果无法重复了。实验室里一片困惑,于是有了前面的惊叫。

原来,“罪魁祸首”就是水池中的水。因为换大水池中的水费用很高,所以他们好几个月没有换水了,于是水中就滋生了一种小海藻。这种海藻会分泌出微量的高分子——一种长链的多糖,它能减少固体和液体间的摩擦力。找到了原因,工程师们很快就解决了这个问题:往水池里多加些氯气,防止海藻滋生。这样,船模就立即降到稳定而正常的速度。

那么,可不可以发明一种高分子物质,来减少固体和液体间的摩擦力呢?

科学家们发明出来了,而且得到了实际应用。

一幢高层大楼的11层发生火灾,上面有一个小女孩困在大火里。消防队员把水龙头对准了11楼,可是,不管他的水龙头怎样威猛,水也只能射到8楼。怎么办呢?

消防队员把一小撮奇妙的高分子材料——长链的多氧素加到水里,消防龙头的水柱立刻增高了30%。水喷到了11楼,小女孩得救了!

消防队员“以少胜高”——10升水里只加了2克多氧素,而它1千克才几十元。他们的功劳有科学家的一半——多氧素大大地减小了水和水龙头之间的摩擦力。

类似的故事发生在英国。布列斯托尔市是英国西部一个已经建城800多年的港口城市,它的下水道,是19世纪中叶的维多利亚时代建造的,后来日益陈旧,不堪重负。要检修整个系统费用极高。市政工程师们又想起了多氧素——加进一丁点就让污水“健步如飞”。

为什么在溶液里有了一点高分子物质,固体和流体之间的摩擦力就会大减呢?

在水里加一点高分子物质——就像在汤里加一点面条,会使水的黏度变大。一般来说,黏滞的流体总比清澈的流体流得慢——就像蜂蜜比牛奶流得慢一样。但是,在水中加了高分子物质以后,我们却看到了恰恰相反的现象水反而流得快了。

有研究者认为,多氧素的小颗粒可能会堆积在一起,在流体中形成一个个小弹簧,产生弹性效应,因此降低了摩擦力。

那么,摩擦力的降低到底和液体的边界层有没有关系呢?科学家们争论了10年之久。

有趣的是,解决争端的,并不是理论,而是德国科学家进行的一个聪明的实验。

这个实验是在一个流着水的长管子里做的。管子中部有一个喷嘴同一段细管相连,多氧素从喷嘴喷向水流的下游。显然,管子里的流体明显被分成了三部分。

在喷嘴左边“上游”的P区,是纯水区。通过测量P1、P2的压力差,可以知道这个区域里的摩擦力比较大。

在喷嘴右边“下游”的D区,是均匀区。由于液流引起的湍流,多氧素流到这里的时候,已经和水很均匀地混合起来了。这里的摩擦力比较小。这一点。符合我们前面在大楼救火、城市下水道里看到的情况。

“中游”L区在高分子喷嘴A和区域D之间。由于水流速度相当快,多氧素一旦进入水里,不会反向流动。在这个区域,高分子开始逐渐充满管子,但是还没有到达管壁。令人吃惊的是,这里的摩擦力已经大大降低了。显然,在L区不可能形成上面所说的湍流边界层。

实验结果很明确——摩擦力下降,和边界层的性质无关。

法国海军造船厂在半个世纪之前就看到了这一现象,虽然至今还没有完全弄明白到底是什么原因。但是,上面的实验事实胜于10年无谓的争辩。这给了我们一个很重要的启示。

出生在德国的玻恩(1882~1970),1943年在英国工作的时候,做了一个题为《物理实验和理论》的报告。报告的最后一句话是:“对那些想要学会科学预见艺术的人们,我建议他们不要把自己约束在抽象的推理上,而应当尽力去译解大自然文库所传达的自然界密码,这个大自然文库就是——实验事实。”

这句精彩的名言,出自玻恩这位量子力学的创立者之一、1954年诺贝尔物理学奖两位得主之一的理论物理学家,就显得更加精彩。于是,我们再次想起了那句同样精彩的名言:“实践是检验真理的惟一标准。”

当然,多氧素加进水中以后,摩擦力并没有完全消失,但是大大减小了。

摩擦力让人又恨又爱、爱深恨也深。

“想说爱你不容易”的例子是,在我们需要物体快速运动的时候,摩擦力一定会“反其道而行之”——像前面消防队员水龙头中的水那样,或者在我们需要“车子快跑”的时候。

“爱你在心口易开”的例子是,如果没有摩擦力,铁钉和螺钉会从墙上或螺母中滑出来,我们的手也拿不住东西,行驶的车辆刹不住车。1927年12月21日,伦敦地面结了冰,车辆行动都发生困难,大约有1400人摔坏了手脚,被送入医院。

“爱有多深,恨也有多深”的例子是,如果没有摩擦力,车辆无法启动和行驶;而一旦行驶起来,又想摩擦力小一些而“多装快跑”,并且节约燃料。但是,在“紧急刹车”的时候,我们却希望它是“无穷大”,让车辆“戛然而止”——不过,此时车辆中的人也会因惯性而“勇往直前”,和车辆中前面的物体“亲密接吻”了。

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