流体运动时涡流是如何产生的

有许多日常物理现象，错综复杂，决不是用物理学上的简单的原理所能解释清楚的。比如在有风天气里的海洋上的波浪，以及轮船在航行的时候，从船头散向平静的水里的波浪。旗在刮风时为何哗喇哗喇地飘得那么急？海岸边上的细沙为什么排列得象波浪一样呢？从工厂的烟囱里冒出来的烟为什么会成一团一团的呢？

要懂得这些以及其它类似的现象，必须懂得液体和气体的涡流的特点。

下面介绍一下关于涡流现象及其特点，

设想在管子里流着一种液体，假设液体里的所有微粒在管子里都是顺着一些平行线平静的前进着，这样一种最简单的液体运动——在物理学里叫做“片流”运动。这是一种理想的液体的运动，一般是不易见到的。

液体常见的运动叫做涡流，即液体在管道里并不沿直线流动，而是呈许多旋涡状从管壁流向管轴，这种运动叫做湍流。比如自来水管里的水就是这样流动的（细水管除外，细管里的水是片流的）。一种液体在一定粗细的管子里的流动速度达到一定大小的时候，即达到所谓临界速度的时候，总会有涡流发生的。

如果让一种透明液体流过一根玻璃管，在液体里放一种非常轻的粉末，例如石松子粉，我们就能看到管内的液体发生涡流的情况。这时候可以清楚地看到从管壁向管轴行进的涡流。

涡流的这种特点，被利用在制造冷藏器和冷却器的技术上。在管壁冷却的管子里，有涡流的液体一定会使所有液体接触冷却壁比没有涡流的液体快。还应注意的是，液体本身是热的不良导体，若不去搅拌它们，它们冷却或增加温度都非常驻慢。血液和它所流过的各个组织之间所以能够那样快地交换热和物质，也就是因为血在血管里的流动不是片流而是涡流的缘故。

上面对管子所说的一切，同样能适用在露天的水沟和河床上，在它们里面的水也是涡流前进的。在精确测量河流速度时，仪器会出现一种脉动现象，特别是靠近河底的地方，脉动现象表明水流在经常改变方向，即呈现涡流。河水不但沿着河床前进，同时还要从河岸流向河中央。因此说河水深处水的温度一年四季都保持+4℃，这种说法是不正确的。因为在靠近河底的地方流动着的水的温度，总是在被搅和着，跟河面上的一样（湖里的情况就另当别论，由于那里的水是静止的）。

在河底附近形成的涡流会带动轻沙，使河底出现沙“波”。同样的沙波也可以在波浪所能淹到的海边沙岸上看到。如果靠近水底的水流是平静的，那么海底的沙面就会是平滑的了。

这样说来，在被水冲过的物体的表面附近是会出现涡流的。关于这一点，可以拿顺着流水放的绳索会曲折成蛇形这样的例子来说明（把绳的一头系住，另一头让它自由漂在流水里）。这是什么道理呢？原来，在绳的某一段附近出现涡流的时候，这一段绳就会被涡流带过去，可是过一会儿，另一个涡流又使这一段绳发生相反的运动。结果，绳受涡流不断的作用，就弯曲成蛇形了。

上面我们谈了水里的涡流，空气里能否产生涡流呢？大家经常见到过旋风从地面上卷起尘土、杂草等轻小物钵，这就是沿地面出现了空气涡流的缘故。当空气沿着水面运动时，在出现空气涡流形成旋风的地方，由于空气压力已经降低，水也就会升高起来，形成波浪。在沙漠里和沙丘的斜坡上产生的沙波，也是出于同样的原因。

若你从上面懂得了绳在流水里曲折的情况，也就不难明白旗为什么能在风里飘扬的原因了。同样，由于炉子里的气体流过烟囱时也是作着涡流运动的，所以从工厂里的烟囱冒出来的烟是一团一团的。在烟离开烟囱以后，由于惯性关系，这种运动还要继续一些时候。

空气的涡流运动对于飞行也有很大的作用。飞机的机翼具有特殊的形状（我们已在前面提到了），使机翼上面的涡流作用被加强了，形成了低压区，结果机翼的下面受到向上的托力（机翼上、下两面的压力差）。鸟类展开翅膀飞翔的时候，也有类似的现象。

在多风季节，屋顶容易被狂风掀翻。这是由于空气的涡流在屋顶上方造成了一个空气稀薄的低压区域。屋顶下面的空气为了要平衡这个压力，就向上顶，结果就把房屋的盖子掀起来，酿成了悲剧。由于同样的原因，大的窗玻璃在刮风的时候会从里向外被压碎，这种现象若用流动着的空气里压力减小的道理来解释（伯努利原理），会更简单些。

当温度和湿度都不相同的两个气团彼此贴着流过的时候，每一个气团里都会发生涡流，也大半是这个原因，因此在天空中便出现了奇形怪状、变幻莫测的云。