北京市中科医院 http://www.xuexily.com/npxxc/npxjk/816.html在我国的潮州韩江之上有一座著名的桥叫做广济桥。这座桥与泉州的洛阳桥、赵县的赵州桥、北京的卢沟桥并称为中国四大古桥。这座桥建于南宋,民间传说它是八仙和广济和尚建造的。在清朝雍正年间,当地知府铸造了两个铁牛,意在镇桥御水。但是天不遂人愿,在道光时期,韩江发了大水,把一只铁牛给冲走了。人们沿江顺流寻找,却始终没有找的这只被冲走的铁牛。时过境迁,年后,大清早已灭亡,新中国成立,人们在广济桥上游米处发现了铁牛。经过确认,这正就是当年被洪水冲走的镇江铁牛!那么,为什么这个1.4吨的铁牛会一个世纪后,能够逆流而上,重新出现在人们的眼中呢?其实古人已经做出了解释。在纪晓岚的《阅微草堂笔记》中的《河中石兽》中写道:盖石性坚重,沙性松浮,水不能冲石,其反激之力,必于石下迎水处啮沙为坎穴,渐激渐深,至石之半,石必倒掷坎穴中。如是再啮,石又再转,转转不已,遂反溯流逆上矣。纪晓岚说的是石头,但这与铁牛的道理是一样的。他的意思是河水掏空了石头、铁牛这样重物前方的沙石,将它们一点一点的运到了上游。这是古人的智慧,但是读者朋友们有没有想过,如果用当代的流体力学知识分析一下这个奇怪的现象,结果将是怎样的呢?首先,我想给大家介绍一下流体力学中广为人知的方程——伯努利方程。它不像欧拉方程、纳维-斯托克斯方程、本构方程那样晦涩难懂,而是具有很方便的实用性。具体来说,它的表达式为:如果我们不考虑高度的变化,这个方程可以理解为动压和静压是守恒的。所谓静压,就是我们通常所说的压力。而动压呢?就是与流体运动所具有动能相当的压力能大小。速度越大,流体所具有的动压也越大。当运动的流体静止时,所对应的动压会转变为静压,也就是流体压力会增加。此外,我们还需要了一下流动边界层的概念。之前的文章也介绍过流动边界层。以河水为例,河水经过河底时,速度并不是均匀的,由于粘性的作用,紧挨着河底的水是静止的随着高度的增加,速度也跟着变大。我们把固体壁面附近,速度从0过渡到主流速度的区域叫做边界层。这就是说,在河水里,靠近河底的位置水流速度是比较小的。换句话说,河底水流的动压更小。有了这两个知识我们就可以解释为什么水底的铁牛会被运送到上流。河水为什么会掏空铁流前方的泥沙而不是直接绕开铁牛。在正常流动的河水里,压力与重力已经平衡,河水沿着直线向前流动(不考虑其他影响)。当河水遇到铁牛的时候,主流区域的水会滞止,动压转变为静压,压力提高。同样,河水底部边界层也会滞止,动压也会转变为静压。但是,不同指出就在于底部边界层里的河水速度较低,转变的静压与主流区想必也就更少。这样原本受力平衡的河水不再平衡。主流河水的压力增加的多,流动边界层增加的少,这样主流的河水就会流向河底的边界层。而且,河水并不是在铁牛表面突然滞止,在铁牛前方就已经开始减速了,所有这个作用会发生在整个铁牛前方的流场之中。这样就形成了下图的偏转流动。上面我们说都流动,如果从三维立体的角度来看,会在物体前缘附近形成一个漩涡,这个漩涡会绕着物体想两侧发展,形成一个U形的涡管。因为这个涡管很想马蹄铁,所以英文里面叫做马蹄铁涡,人们通常有叫它为马蹄涡。无论是图中的圆柱体,还是我们研究的铁牛,只要物体表面存在突起,都会有形成或大或小的马蹄窝的趋势。日积月累,经过一个多世纪的作用,铁牛就被搬运到上游了。除了铁牛逆流而上的例子,再生活中同样可以看到这种现象。在冬天下雪的时候,如果风也比较大,那么雪停后就可能看到地面石头,大树树根,房屋前面的积雪比较少,甚至会露出地面,而它们后面的积雪却比较多,这都是马蹄涡的作用。今年冬天,读者们可以留心一下哦。如果您喜欢我们的文章,记得
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