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第23章 流体力学知识(2)

这段文字包含了丰富的内容。空心物体置于水中必浮在水面;即使用力将它压在水底,它又会随外力撤消而立即浮于水面。这就是“物空浮疾”。地下泉水向地面涌出,其流动速度总是缓慢的,这叫“水涌水迟”。浮在水面上的物体比沉浸在水中的同样物体运动得较快,也就是“外浮者恒倍于内”。今天我们知道这种现象的原因,是物体在水中和水面上运动时所受的阻力极不相同。“中流者恒迅于边”,是指河流中央流动的水比其岸边的水流速度要快得多。我们知道,当河流中流水无涡流,可以将它看做是平稳层流的流动时,这个结论是完全正确的。至于最后两句,指出流动的水其作用力比静止的水大,湍急水流的作用力又比通常水流大。这显然是对水流流速及其动能关系的观察论述。这种论述在中国占代典籍中屡见不鲜。战国时期,《管子’度地》写道:“夫水之性,以高走下,则疾至于漂石。”《孙子兵法·势篇》写道:“激水之疾,至于漂石者,势也。”王充在《论衡·状留篇》中写道:“是故湍濑之流,沙石转而大石不移。何者?大石重而沙石轻也。”

揭暄关于“中流者恒迅于边”的论述尤其值得我们注意。1839年德国水利工程师哈根(G.H.L.Hagen,1797—1884 J、1 840~1841年法国生理学家泊肃叶(Jean—Louis—Marie Poiseulle,1799-1869)各自独立地从实验中归纳出圆管的层流速度分布公式。这公式所包括的内容之一就是“中流者恒迅于边”。揭暄是从观察明槽流或河道平缓定常流动中得到的定性总结,他的观察结论和150余年之后泊肃叶等人的数学分析与实验结果有相同处,不能不说明中国古代人观察的细致。揭暄还对旋涡水流的运动情形作了如下描述:

譬如泄水,旋转入涡,远缓近急,而于近涡处,其急剧状有莫可名言者。海水归墟亦然。

揭暄通过这个观察发现旋涡径向流速各点不同,越近旋涡中心流速越大,而至涡心处,“其急剧状有奠可名言者”。用现铺话说,涡心即点涡处,其流速可以视为无限大。揭暄的观察结与现代流体动力学结论完全一致。对旋涡流速分布情况,揭暄还进一步解释说:

近之者为其所掣,势迫而急,愈近则愈急。

他在旋涡流中放一漂浮物体,又观察到该物体因旋涡运动而不随水流下,却逆流向上。他说:以回水观之,水势流下,旁置一物,则反逆上。

揭暄的旋涡实验及其观察结论在流体动力学史上是有价值的。他还以此现象解释天象观察中所见的逆留现象。

除此之外,明代徐霞客还观察到喷泉的喷水高度与泉源高度相等。他在旅行到云南鸡足山悉檀寺,观察了锡管喷泉后说:

即疑虽管植沼中,必与沼水无涉,况既能倒射三丈,伺以不出三丈外?此必别有一水,其高5此并。彼之下,从此坠;故此上,从此止。其伏机当在沼底,非沼之所能为也。至此问之,果轩左有崖高三丈余,水从崖坠,以锡管承之,承处高三丈,故倒射而出亦如之。

徐霞客记述的锡管类似今Ei自来水管或虹吸管。他的结论“此别有一水,其高与此并”的说法,也就是源泉高度与锡管喷水高度相同。这个说法正是自然界中能量守恒原理的例子及其表述方式之一。

在徐霞客之后,明末方以智又一次就“过山龙”(即虹吸管)人水口与出水口高度指出:“其来处何高,则所激之高可与之比。”

在西方,1641年托里拆利发表《重力运动沦》一书,除讨论抛物体运动外,还讨论了液体通过小孔的流动。其中曾指出,通过流管的水流可以上升到与水源的水面几乎相当的高度。此后,伯努利在他1738年发表的《流体动力学》书中,将这种现象作为其说明运动流体的总机械能保持恒定的一个例子。对此做出实验论证的托里拆利比徐霞客的发现晚几年,而与方以智约略同时。

(第四节 )徐有贞水箱放水实验

两个完全相同的水箱,盛满同质同量的水。一个水箱底开一大孔,一个水箱底开数小孔,所有小孔的孔面积之和等于大孔面积。如此做放水实验,哪个水箱的水先放完?这是19世纪期间重要的水力学实验之一。法国数学家和工程师彭赛列(Jean-Victor Poncelet,1788—1867)和洛斯布罗斯(Losbros)于1827—1835年,史密斯(Hamilton Smith)于1885年等都先后做了这样的实验。当小孔为锐缘方孔时,水箱中的水通过小孔的流量为:

Q=CA2gh=0.61A2gh

式中C或0.61为流速系数,它是从开孔面积与理想流速中计算而得的放水量和实际放水量之比;A是小孔面积;h为水箱内水高。实验还发现,当孔的直径小于1英寸(2.54厘米)时,流速系数C会随孔径的减小而稍有增加。因此,在孔面积相同时,多个小孔的水箱比单个大孔的水箱放水要快。当h与A相时,孔口形状与孔缘锐度也会影响流速系数,流速系数随以下种孔口形状而依次增大:圆形、正方形、三角形、矩形。这是说,矩形小孔的流速系数最大,当先将水箱内的水放完。

大约比欧洲的这个实验早400年,明代水利专家徐有贞做了水箱放水实验,并得到类似的实验结论。徐有贞于景泰三年(1452年)官左佥都御史,赴山东治理黄河,在今阳谷县张秋镇“相度水势,条上三策:一置水门,一开支河,一浚运河”。为了决断以哪一种方法治河为宜时,他做了水箱放水实验。据载,实验结果以开支河为上。方以智对此记述道:徐有贞张秋治水,或谓当浚一大沟,或谓多开支河。乃以一瓮窍方寸者一,又以一瓮窍方分者十,并实水发窍,窍十者先竭。

这里的瓮也就是水箱。从记载看,似乎并未指明两瓮开孔窍的面积是否相等的问题。其实不然。按照中国文化传统,比较事物轻重、大小、多少等问题时,必须要以等积、等量、等距为前提。《孟子·告子下》云:

金重于羽者,岂谓一钩金与一舆羽之谓哉?

因此,方以智记载的两个瓮,一个开一大孔一方寸;另一个开十小孔,以方分为单位,其总面积理所当然地也为一方寸。这样才能谈上比较此二瓮的水哪个先放完。、方以智在此记述两瓮开孔面积时遵循中国传统文化的表述方式。

从方以智记载看,开方寸的大孔似以正方形最简便;开方分的十个小孔,从理论上看其边长为10分,这一数值对于开孔而言不易精确。其小孔很可能是面积为10平方分(2分×5分或1分×10分)的矩形孔。假设,两瓮均为内半径1尺的圆柱形容器,起始水高均为2尺,取大、小孔的流速系数分别为0.61和0.63,则按照上述公式计算,开10小孔的瓮比开1大孔的瓮早约6秒钟将水放完。由此可见,徐有贞的水箱放水实验本质上与彭赛列等人完全相同。从实验要求的小孔尺寸到实验结果也都基本一致。徐有贞是世界上最早做这种水箱放水实验的人。

关于徐有贞水箱放水实验的事实还有一些其他文献的记载。我们不一一例述了。

徐有贞(1407—1472),字元玉,吴(今苏州地区)人。初名埕,宣德八年(1433年)进士,景泰元年(1450年)改名有贞。史称其“为人短小精悍,多智数,喜功名。凡天官、地理、兵法、水利、阴阳方术之书,无不谙究”。他著有《武功集》五卷传于世。在水箱放水实验基础上,他决定以多开支渠、建闸门修治黄河。三个月内完成了起于张秋,接通黄河、沁河的“广济渠”、“通源闸”等多条渠道。景泰七年(1456年),“山东大水,河堤多坏,惟有贞所筑如故”。

事实上,水箱的小孔出流与多开河道支渠毫不相关,因二者物理原理完全不同。令人感兴趣的是,徐有贞以此实验说服了皇朝近臣,使他们同意他以多开分水河治理河道的主张。他的治河成功与水箱放水实验都是科学史上值得重视的事件。

(第五节 )大气压

由大气压所造成的虹吸现象,早为汉代人所知道。在西汉汝阴侯夏侯灶(?-前165)墓中出土竹简,曾记述道:泄并以半口母动,口管之水将自汲也。

由井中自汲之管可能是一种虹吸管。如果这竹简记载尚有脱字而存疑,那么,据载,后汉宦官张让(?-189)曾使其“掖庭令”毕岚造“渴乌”即虹吸管是完全可靠的。《后汉书·张让传》载:又使掖庭令毕岚……铸天禄暇蟆,吐水于平门外桥东。转水入宫;又作翻车、渴乌,施于桥西,用洒南北郊路,以省百姓洒道之费。

唐代李贤注云:“翻车,设机车以引水。渴乌,为曲筒,以令引水上也。”可见,渴乌就是今日的虹吸管。

在毕岚之后200余年,北魏道士李兰创制的秤漏中使用了虹吸管。据载,李兰“以铜为渴乌,状如钩曲,以引器中水”。在这里,渴乌将漏壶中上壶的水引至下壶。迄今,留下的最早虹吸图画是唐代吕才所制的五级漏壶中的渴乌。

唐代杜佑在其《通典》中曾专门叙述了“渴乌隔山取水”的方法。他写道:

以大竹筒雌雄相接,勿令泄漏,以麻漆封裹,推过山外,就水置筒,入水五尺。即于筒尾取松桦干草,当筒放火,火气潜通水所,即应而上。

杜佑记述了制造虹吸管的材料、方法,以及如何造成该管局部真空。所谓“以火气潜通水所”,用现代话说,是加热虹吸管内空气,使其膨胀而造成局部真空。其中,历史文献未曾述及的一点小诀窍是,在加热渴乌内空气之后,要在出水端用干草烂泥封围。过一两个时辰之后,即渴乌内空气冷却之后,拨开干草烂泥,水即流出。古代人还注意到渴乌引水过山的条件,“必上水高于下水,则可为之,至平则止”,在流水中“必需上流高于下流”。当然,古代人还没有发现,“上水”、“上流,”处(即虹吸管人水处)与虹吸管弯曲顶端的垂直高度差不得韶讨一个大气压所容许的高度。

《关尹子·九药篇》写道:瓶存二窍,以水实之,倒泻;闭一则水不下。盖(气)不升则(水)不降。井是千仞,汲之水上,盖(气)不降则(水)不升。

《素问》根据这种现象总结出“是以升降出入,无器不有”的结论。而唐代王冰在此注中更详细地阐述道:

虚管溉满,捻上悬之,水固不泄,为无升气而不能降也。空瓶小口,顿溉不入,为气不邮而不能入也。由是观之,升无所不降,降无所不升,无出则不入,无入则不出也。

可见,古代人认为,滴定管所以能吸水而入,是由于其中空气出尽或被排斥的结果;而一旦空气进入管中,水就会被排斥出去。水与空气在管中彼出此进,互相交换其存在的空间,从而形成了诸如虹吸管、滴定的吸水现象。这在经验事实上不无道理。但是,古代人从未将管内升水与外界大气压存在这二者貌似分开的现象统一起来,因此,他们始终没有从这些技术发明和经验事实中获得存在大气压的理性认识。

直到明代,庄元臣还道:

注水于瓶,闭一窍而水不得出,气守之也;置水于盎,覆匏而水不得入,气拒之也。

古代人以管内“气”的出入或有无来解释水在管内的升降。这是中国古代物理学的特色,也是“元气说”不容许真空或局部真空存在的必然。有一些人并不以为古代中国人的这种解释是通向科学的途径。实际上,只要想想伽利略时代伽利略等人对此类现象的解释就会明白中国古代人的解释之意义。

中世纪人们以为,自然界厌恶真空;伽利略认为,真空有阻力,它是以水柱高度来量度的。虹吸管不能提升10米深以下井内的水,是由于管内存在“真空力”的缘故。其后,维维安尼(V.Viviani,1622—1703)、托里拆利将管内液体高度与管外大气压力联系起来,才最后正确地解释了虹吸管的高度问题。

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