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第22章 流体力学知识(1)

我们先读一段《庄子·逍遥游》的记述:

夫水之积也不厚,则其负大舟也无力。覆杯水于坳堂芝上,则芥为之舟;置杯焉则胶,水浅而舟大也。

风之积也不厚,则其负大翼也无力。故九万里,则风斯在下矣,而后乃今培风;背负青天而莫之夭阏者,而后乃今将图南。

“坳堂”指厅堂中小洼地,“芥”是小草片,“胶”即粘之意;“培风”指大风、旋风,“莫之矢夭阏”释为无所窒碍。这段文字表明,古代人知道:液体要有一定深度,才能使相应的物体浮在它上面;大气要有足够厚或高度,才有力量承托巨大的翅膀或飞行物。大鹏展翅九万里,是由于其下有大气支托,后有快速流动或旋转的风,因此,大鹏能背负青天而无所阻碍,才能飞往南海。《庄子·逍遥游》中这段文字,是对流体静力学(指液体)和动力学(指气体)最早的科学猜测。

以下再具体讨论古代人有哪些流体力学知识。

(第一节 )浮体及其规律

古代人对浮体现象已有大量的实际应用事例。建造船舶;自秦始皇起修筑灵渠,至唐宋时代设斗门(船闸)36座,壅高水位,开启斗门,使船舶上山越岭,辟南北之水上交通;建造浮桥;宋僧怀丙打捞掉落江中的铁牛,这是浮力起重的工程创举,等等。对浮体的物理规律最早做出讨论的是墨家。《墨经》写道:

《经下》:

形之大、其沉浅也,说在衡。

《经说下》:

形沉形之衡也,则沉浅非形浅也,若易五之一。

在墨家看来,一个形体极大的物,在水中沉没较浅,下沉部分与整个物体平衡,就像市场上以五件甲种商品等价交换一件乙种商品一样。因此,《墨经》曰:“说在衡”,或“沉形之衡”。在《墨经》“沉形之衡”的“沉”字表述中,没有讲清楚是“沉”在水中那部分物所排开的液体。墨家企图表述浮体定律,然而,或者因文字简略未曾表述清楚,或者没有看出浮体沉入水中部分的体积正是它所排开的液体的体积,因此在“沉形之衡”一句中表述不确切,也不科学。《说》文强调“则沉浅非形浅也”,这意思又似乎告诉人们,墨家不是将沉入水中的那部分物体看做是形体;而“易五之一”的比喻,又表明墨家似乎懂得沉入水中那部分体积就是排开水的体积,是被排开的水的重量与整个浮体平衡,这才谈得上“易五之一”的等价交换。如果这样理解“沉形之衡”而不失墨家原意,那么《墨经》还是清楚后来以阿基米德名字命名的浮体定律。

至东汉末年,人们的确清楚地知道浮体所排开的水的重量等于浮体的重量。早卒的神童曹冲(196—208)提出“以舟量物”的方法就是个证明。

据《三国志·邓哀王冲传》载:

邓哀王冲,字仓舒。少聪敏岐嶷,生五六岁,智意所及,有若成人之智。时孙权曾致巨象,太祖欲知其斤重,访之群下,成莫能出其理。冲日:“置象大船之上,而刻其水痕所致,称物以载之,则校可知矣。”太祖大悦,即施行焉。

引文中,“称物以载之,则校可知矣”,意思是先牵象至丹上,刻下舟的排水线;然后称物至舟中,直至该物使舟也沉没至同一排水线上,此时物重即象重。

有可能的是,曹冲并非我国历史上第一个发现以舟量物的人。据《符子》记载,东周燕昭王(前311-279年在位)曾命人以舟称量大猪。由此可见,“以舟量物”还是中国的传统。

(第二节 )液体比重及其测定法

由于饮水、计时器漏壶等需要,古代人注意测定水的比重。《后汉书·礼仪志》记述道:

日冬至……权水轻重,水一升冬重十三两。

北魏道士李兰创制秤漏,规定“漏水一升,称重一斤,时经一刻”。宋代程大昌专门写下了《水土斤两轻重》一文,指出各地水质之别,并说:“世传水之好者,比他水升斗同而铢两多。”在历代本草著作中都有关于水的篇章。在本草药物学家看来,水的质地与治疗疾病颇为相关。李时珍引唐陈藏器《本草拾遗》说:

近乳穴处流出之泉也,人多取水作饮、酿酒,大有益。其水浓者,称之重于他水。煎之,上有盐花,此真乳液也。

卤水比淡水重,事先知道卤水比重对盐业生产极为重要。海边盐民早已知道以类似近代浮子式液体比重计测定卤水。宋代乐史(930-1007)记下了以十个莲子测定卤水之情:

取石藻(莲)十枚,尝其厚薄,全浮者全收盐,半浮者半收盐,三藤以下浮者则卤未堪。

“全浮者全收盐”,相当于该盐水浓度为100%;那么,“半浮者半收盐”,即其浓度为50%。浮三莲以下,盐水浓度太淡,不可用此盐水煎盐。注意乐史说的“尝其厚薄”一句,即对这十个莲子要有选择。

姚宽(1105—1162)记述了他自己测试盐卤的方法,他写道:

予监台州(今浙江临海等县)杜渎盐场,日以莲子试卤。择莲子重者用之,卤浮三莲、四莲味重,五莲尤重。莲子取其浮而直;若二莲直或一直一横,即味差薄;若卤更薄,则莲沉于底,而煎盐不成。闽中之法,以鸡子(鸡蛋)、桃仁试之,卤味重则正浮在上;卤淡相半,则二物俱沉。与此相类。

乍看起来,这两段引文有不可理解之处:莲子(或鸡蛋、桃仁)要么全浮,要么全沉,怎么会浮几莲沉几莲呢?又怎么会有竖浮、横浮之别呢?值得注意的是“尝其厚薄”和“择莲子重者用之”二句,即莲子是有选择性的。笔者曾以莲子置淡水和盐水中试验,确有沉者、有浮者。北魏贾思勰曾注意到莲子两端重量差异,他在“种莲子法”中指出:将莲子“抛于池中,重头沉下,自然周正”。莲子、鸡蛋等是古代人选取不同比重而又同一类物质的理想的东西。假定在选择莲子中,择其大小相当而重量不同者,则较重者比重大、较轻者比重小。将它们放人盐确中,浮沉状况就不一样了。如果将十个或五个这样的莲子依次放人各种浓度的盐水中,古代人按统计方法计算其浮沉数,就可以知道各种盐水的大致浓度。浮起的莲子数越多,该液体的浓度就越大。这种以鸡蛋、莲子、桃仁测试液体浓度(或比重)的方法,正是近代浮子式比重计的始祖。莲子、鸡蛋、桃仁的外形都不是正圆形,当它们的比重与待测液体的比重相近时,它们在水中呈直立悬浮状态:当它们的比重比液体小,甚至小很多时,它们几乎全浮在液面上,又因其形状与重心的关系,使它们在液面上取横躺形式;当它们的比重比液体大时,它们就沉没在容器底。因此,如果某个莲子(或鸡蛋、桃仁)在液体中呈现浮而直立状态,就表明该液体的比重与该莲子相接近。这就是姚宽要求“莲子取其浮而直”的道理。

后来有关记载逐渐增多,方法也有所进步。元代陈椿在《熬波图》中记述的方法是,预先制备“浮子”,即将莲子分浸浓度不同的四等卤中。将这种“浮子”分别放入待测溶液,看它们浮沉状态,即可测知溶液比重为几何。

由于各种液体的比重不同,古代人也曾发现异重液体的分层叠置现象。例如,方以智曾将金与银同人坩埚熔化,发现“金在底;银则黑,浮于面”。同样,“银中杂铜者,熔时投以锡,则铜如在水上作冰片,取出”。“本草言,金银铜铁置汞上则浮。此非也。铜铁则浮,金银则沉”。类似现象在《物理小识》卷七的“煎矿”、“铜矿”条中都有所记载。正是根据这些经验,方以智将熔炼炉中的金属分层现象总结道:

重者在下,浮土在上,以次分焉。

(第三节 )表面现象、层流和旋涡

由于液体的表面张力,液体往往呈现出一些有趣的表面现象,如球形液滴、毛细管现象、肥皂泡现象、表面薄膜等等。古代人对此都有所观察和认识。

外表涂有油脂的一根金属针,仔细地放在水面上,虽其比重大于水,但它仍会浮于水面。这是表面张力的实验性证明。早在汉代,人们就做了这样的实验。刘安《淮南万毕术》写道:

首泽浮针。注云:取头中垢以涂塞其孔,置水即浮。

这个针浮水面的实验,在历代一直被流传着。迄明代,妇女们以阴历七月七日(古代神话,这天的晚上为牛郎织女在天河相会的日子)向织女星乞求智巧,也谓“乞巧”。她们相聚在一起,表演“丢巧针”或“丢针儿”。这种表演或许是《淮南万毕术》所载针浮水面实验的普及化而已。明末成书的《帝京景物略》写道:

七月七日之午,丢巧针。妇女曝盎水日中,顷之,水膜生面,绣针投之则浮。则看水底针影,有成云物、花头、鸟兽影者,有成鞋及箭刀、水茹影者,谓乞得巧。其粗影如槌,细如丝,直如轴蜡,此拙征矣。妇或叹,女有泣者。

“水膜生面”,即日光照射一定时候的水,其表面出现了许多气泡薄膜。仔细地将针放在水面上而不下沉,正是这些气泡膜的表面张力支撑着针的缘故。至于水底针影的各种形状,与水面气泡、光线方向和天空背景等因素有关,是纯粹偶然的。在公元1758年成书的《帝京岁时纪胜》和1906年成书的《燕京岁时记》上也都有相似的记载。利用表面张力的“丢针”成为中国历代妇女在七夕日的传统娱乐活动之一。

人们不仅发现了以上的表面张力演示实验,解释了针浮水面的原因,而且,宋代人还发明了表面张力演示器,用以检验油漆或桐油的质地。宋代张世南在《游宦纪闻》中写道:验漆之美恶,有概括为韵语者云:“好漆清如镜,悬丝似钩钓;撼动虎斑色,打著有浮沤。”验真桐油之法,以细篾一头作圈子,入油蘸。若真者,则如鼓面鞔圈子上。渗有假,则不著圈上矣。

好漆能挂起一条丝,搅动它时其表面呈浮泡;上等桐油能在竹篾圈上形成一层薄膜,这都是纯净液体的表面张力所起的作用。我们知道,杂质会使液体的表面张力减小。当桐油含杂质多而成次品时,由于其表面张力减小了,就不能在竹篾圈上形成一薄层鼓面。《游宦纪闻》所述,表明古代人掌握有关表面张力的经验知识。这根竹篾圈也一定在宋代甚至宋以前被定性地引用了许多世纪。可以想像,当时油漆贸易市场上,买卖双方大概都手持一根竹篾圈,它是现代给学生演示表面张力的常用仪器的祖先。

张世南生活于12、13世纪之间,表面张力演示器诞生于南宋或更早的北宋时期。在题为《物类相感志》一书中有类似记载,其演示器取材更为简单、方便。市上购买桐油者,随地摘取一草茎,将其一端圈成圆圈,即可代替张世南所描述的竹篾圈。《物类相感志》写道:

看桐油法,以草圈蘸之,中有膜在草上者,谓之上秤。

“上秤”似为今日“上乘”之意。草圈上这层油膜,正是桐油表面张力所致。

对于层流现象较好的观察记载,见之于明清之际揭暄在方以智《物理小识》中的注文。他写道:

物空浮疾,水涌水迟。故外浮者恒倍于内,中流者恒迅于边;流行之水力于停贮之水,湍激之水力于流行之水。

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