我们的1654 作者:小样有型

    梅乐芝经理的科普文章（三）

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    我本人要请假一天，单位突然有急事，忙到现在。

    梅乐芝经理的这本科普文的第一二节正在重写，先发第三章，由于要给汉唐集团用，欢迎大家指正。

    第3节重力-浮力

    走在地球上，都能感觉到重力的影响，比如爬山就比走平路累。不过有意识思考分析这个问题的人是英国人牛顿。或许有其他人在牛顿之前分析过，但尚未发现文献记录。牛顿发现，地球上缺乏支撑的物品，总是落在地面上，而月球却一直挂在空中，造成这种情况的原因就是地球对任何物体都有吸引力，我们通常称之为重力。而月球一直在远离地球，地球又在吸引月球，二者刚刚好达到平衡。如果月球远离的趋势更大一些，月球就一去无影踪。如果地球吸引力更大一些，月球就一头扎进地球的怀抱。但不必赞叹我们的运气，那些远离趋势和吸引力达不到平衡的卫星，早就消失了。只有达到平衡的，才能等到我们出现。

    重力使大气得以存在，海洋得以形成。水有重量，并且我们的身体大部分都是水，我们大致就相当于一个人形的水囊。大气也有重量，这个重量压在我们身上，就是大气压。

    我们在水中游泳或走动，和在地面上跑走相比，就感到很吃力。而在地面上跑走，其实是在大气中进行的，但是感觉差异如此之大，是因为大气和水相比，稀薄得多。当然如果跑得飞快，也能感到迎面风的力度在增加。

    大气：

    我们生活的大气层厚度可以达2000公里，但实际上从地面算起，超过10公里就非常稀薄了。（在地球上，地面高度变化很剧烈，使用海面作为高度的基本指标可以保证数据统一。所以后面的高度都是按照海平面为基础的，称之为海拔高度。）超过100公里，可以完全忽略。对于我们实际可以接触到的情况，从地面开始10公里，命名为对流层，我们看到的大气现象，比如风、雨、雷等等，都是在这里发生的。在对流层内，随着高度增加，平均气温在下降。从10公里开始到50公里，是平流层。这里空气稀薄，基本没有水份，在高度相同的区域，温度恒定，高度10公里保持着零下55度。随着高度增加，温度在增加。高度上升到30公里后，温度上升到0度左右。现在的客机，都保持着平流层飞行。

    这上百公里厚的大气压在我们身上，就是我们平常承受的大气压，定义为1个大气压。这么厚的大气为什么没把我们压伤呢？我们体内有向外的压力，刚好和外面的大气压平衡，所以我们没事。如果内外压失去平衡，就会出问题。现在航天技术使人上到太空，那里的大气可以完全忽略。这样人内部的压力没有外部平衡，，肺内的气体全部流失，腹腔内的气体会极度膨胀。宇航员在太空修理飞船时，都穿着厚厚的宇航服，保证了人体内外部压力平衡，提供空气呼吸，保持体温等等。在木星上，也有浓厚的大气层，并且木星的吸引力远远大于地球，所以那里大气压力比地球大得多，我们在那里就会被压扁。

    现在旅游普及，生活中沿海的人到高原旅行，经常有高原反应。这并不是内外压力差造成的，因为身体的内外压会缓慢进入平衡状态。而是因为随着高度增加，大气逐渐变得稀薄，人体需要的氧气供应不足造成的。另外高度增加，大气温度在缓慢降低。高原平均气温降低，昼夜温差增加，也促使身体不适。比较好的解决方法是在旅游前一段时间进行身体锻炼，主要是增强心肺功能，比如游泳。

    观察：

    1如果体会不同高度大气压力的变化呢？在坐火车时，如果从平原（海拔高度低）经过高原（海拔高度高），或到达高原。保持长时间安静或睡眠状态，会发现耳鸣或耳疼痛，听到的声音音量比实际小。这是因为人的内耳封闭空间的压力和外面的大气压不平衡导致的。坐飞机也会出现这种情况。如何解决？深深地打上几个哈欠，可以让内耳和外面进行空气交换，恢复压力平衡。运气好的时候还可以听到气流在内耳进出时的声音呢，只是并不悦耳。

    2如何体会高度不同，大气稀薄程度不同？在低海拔生活的人，到达高海拔地区以后，因为大气稀薄，导致氧气供应不足，为了弥补，人会自发进行深呼吸。通常人是偶尔进行深呼吸，这时候全程进行深呼吸。前提是心肺功能足够正常，不然只能与氧气罐为伍或回家

    （本章未完，请翻页）。与此类似，人在久坐以后，呼吸一直处于浅呼吸状态，供氧不足。这时候打哈欠，伸懒腰，都是补氧的自发动作。当供氧不足时间较长后，身体会调整，降低对氧气的需要，就进入休眠状态。二氧化碳含量增加，也会产生同样效果。所以进入封闭的空间、洞穴等，发现困意十足，这是危险的信号，赶紧离开，不然就离不开了。

    3有机会坐飞机的话，观察窗外可看到，在任何时候，都是万里晴空，那些**雷电，都在飞机下方。这时候，你就处于平流层中。如果你发现飞机周围有云，那一定是飞机高度不够。

    4在某些地区，暖湿的空气被风吹向山脉，而随着山高度的增加，温度下降，空气中的水蒸气凝成水，以雨的形式降到地面。这是地形成雨。中国雨城有四川雅安和台湾基隆。世界上的雨城是印度的吉拉朋齐，那里可以连续下几年的雨。都是受地形影响下雨。在另外一些地方，空气越过山脉进入谷地，受地形压缩，高度降低时，温度增加很快。但是空气中的水蒸气不增加，空气显得干燥，温度增加越高则越干燥。形成焚风。比如四川德荣的太阳谷，美国加州的硅谷。观察附近的地区，寻找地形降雨和焚风。这个本身是很普遍的现象，在外出旅游时，观察山两侧植被的差别，可以估计出此地风的方向。若山两侧植被基本没差异，说明什么？

    5夏威夷群岛，在南岛语系人没有抵达之前，存在大量的鸟类，其巢穴都构建在陆地上。人类抵达后，大量灭绝。夏威夷雁的祖先是加拿大雁，迁徙中被风吹至夏威夷。通常鸟类长途迁徙，高度抵达对流层顶部。而对流层高度在极地区域是8千米，赤道区域可达1万3千米。这就是为什么这些鸟会被吹偏方向的原因。

    6第一次世界大战，德国克虏伯公司制造了“巴黎大炮”，射程120公里，炮弹可抵达32公里高度。为什么大炮的射程如此远？

    水：

    大气有压力，水同样也有。但大气的稀薄程度不均匀，10公里以上的大气总重量才占全部大气重量的四分之一。大气本身重量又很轻，最终100公里厚的大气和10米厚的水造成的效果是相同的。

    如何衡量水和空气在制造压力上的差异呢？我们引入密度，就是相同体积内的重量。使用密度时，一般让体积为某个具体数值。比如1个立方米，就是边长高都是1米的一个方块。讨论1立方米的空气和水的重量，这个重量值就是空气和水的密度。水的密度是1立方米是1000公斤，大气中最稠密空气的密度是1立方米是12公斤。因为水的密度远远大于空气，并且大气层不均匀，最终10米水等效100公里大气。

    海洋最深处是马里亚纳海沟，达到10公里以上，这个压力的效果和大气10公里的效果不可相提并论，此刻压力是大气压的1000倍。宇航员在太空，需要平衡1个大气压即可。在海底最深处，要平衡1000个大气压。所以探索海洋难度超过了太空。

    在游泳池中或小河中，会感觉到身体变轻，不怎么需要腿部力量支撑。这又是怎么回事呢？

    观察上面左右2个图。左边青色部分是水，绿色的十字部分也是水。右边青色部分是水，橙色的十字部分是某物体。左右两图中绿色和橙色部分的形状完全相同。先观察左图。青色部分的水保持形状不变，是因为绿色部分有水填充着。如果绿色部分的水消失了，青色部分的水的形状就要变化，水面就降低了。观察左右两图中青色部分的水，发现两部分水的形状没有任何区别，这说明右图中橙色部分的物体对青色部分水所产生的效果和左图中绿色部分水对青色部分水产生的效果完全相同。否则两边的青色部分会有差别。现在观察左图，绿色部分的水保持在中间位置不移动。按照牛顿的观察，此部分水是有支撑的，否则就会沉下去到底。而这个支撑的力和绿色部分水的重量完全相同。对于右图而言，青色部分并不知道橙色部分是什么，仅仅知道橙色部分对青色部分作用的效果等同于橙色部分充满水，那么青色部分对橙色部分的作用就是产生支撑力，等于橙色部分全部都是水的重量。现在命名这种支撑力为浮力。现在我们把水全部换成汽油、酒精或者什么其他液体，那么上述的分析不变。也就是说浮力（或者说支撑力）的大小就等于某个物品所占据液体体积所

    （本章未完，请翻页）对应的液体重量。记录中以阿基米德讨论为最早。

    我们的身体主要成份是水，不易被压缩。假设是空气的话，我们就不能潜水。即便采用一些手段潜水，潜入10米，我们就要被压到原来体积的一半了。

    正常情况下，空气无所不在，如果想要消除大气压力，就要完全消除空气。某个空间中没有任何气体、液体或其他物质，我们称之为真空。比如太空中就可以称之为真空，而且这个真空比地面上我们制造出来的真空更干净。100公里厚的大气等效为10米高的水柱，也等效为076米的水银柱。因为水银的密度是水的10/076=134倍。如右图，取1米长的玻璃厚管，其中一端是封闭的，另一端开口。灌满水银，堵住开口放入水银池后放开堵口，水银池表面橙色部分承受大气压力，粉色部分承受玻璃管内水银压力，当两者相同时，水银面保持平衡。也就是说，100公里高的大气和076米高的水银柱产生的压力相同。而在玻璃管内超出076米的部分就是真空。实际上里面有少量水银蒸气。

    思考：

    1现在我们将液体换成气体，也就是说，空气对其中的物体有没有浮力？

    2鸟在空中飞行，飞机在空中飞行，是浮力起的作用吗？

    3早年农村可以见到手动式抽水机，在使用前要给上面的橡胶活塞倒些水来密封。那么井水最高能抽高多少米？

    4人蹲久了，突然站起来，为什么会眼前发黑、发晕？

    5接问题4，长颈鹿身高55米，什么情况对它生命可能造成威胁？

    生活中出现的压力和浮力：

    1自来水系统、喷泉

    2抽水马桶水箱（浮力结合杠杆实现自动注定量水、水压力实现冲）

    3打气筒

    4过桥米线的汤

    5血压计

    6孔明灯

    7公园里面的游船

    在地球上，任何物体都受到地球的吸引力，所以重力无所不在。我们生活在大气中，周围物体都受到大气的浮力。不过空气密度小，浮力很小，多数情况下都可以忽略。当某些物体很大时，浮力就是不可忽略的。

    古代的应用：

    船，是影响人类文明进程的工具。道路和运输，一直是制约文明交流和发展的主要因素。在现代机械和化工没有发展起来前，水运是性价比最高的运输手段。在4000年前，古希腊人就驾驭船，殖民地中海和黑海区域。南岛语系的人征服印度洋和太平洋也必须使用船。在运输量需求大的地方，人类开凿运河沟通水路。比如灵渠、京杭大运河、基尔运河、巴拿马运河、苏伊士运河。船的漂浮是依赖浮力，而前进的动力则可以是人力（希腊三桨座战船trireme）、风力（中国硬帆、阿拉伯软帆）、机械动力（蒸汽机富尔顿）、核动力（鹦鹉螺号）。

    近代的应用：

    1气球，包括热气球和氢气球。可以带人飞上天空，从新的角度观察世界。在飞机不成熟的年代，气球可以进行侦查（炮兵校准）、空中运输（齐柏林伯爵）。在航天技术不成熟的年代，气球可到达平流层顶部，进行天文观察。

    2挖掘石油，往油井中注入高压热水，可使石油自动喷出。像自流井是内部本身压力大，足以克服液体升高至地表对应的压力。在深井中采水，依靠泵水机强大的压力克服水自身的重力。采水溶性矿(岩盐)或热熔性矿(硫磺)，方法类似。

    观察：

    1香烟对身体有害，但是很多人在吸。观察吸烟的过程，看烟是如何进入身体的，注意站在上风口避免受害。

    2医院的输液系统，一般药瓶挂在比较高的位置，中间是调节流量的缓冲区，最低位置是输液针头，扎入血管。当无意中降低了缓冲区的高度，会发现血液倒流进输液管。

    3水枪抽水、医院抽血，都是利用真空原理。观察这些真空的制造过程。

    （本章完）

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