解读液体压强与流速的关系

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  索马里附近海域素有世界航运生命线之称,同时也是海盗活动最猖獗的区域,被国际海事局称为世界上最危险的海域之一.为了保证中国商船在亚丁湾、索马里海域的安全,自2008年12月26日起,中国海军护航编队穿行4400多海里,横跨太平洋、印度洋两个大洋,赴亚丁湾、索马里海域开展护航任务.护航编队一般采用前后护航(如图1)形式,而不是采用“并排”护航,同学们,你知道其中所蕴含的物理道理吗?
  
  
  要想弄清楚其中的道理,我们不妨从一个小实验谈起.把连通器CDE底部的A端接在水龙头上,关闭阀B,拧开水龙头,待液面静止后,我们会发现C、D、E三个水平管上方细管中的液面相平;如果打开阀门B让水流出,我们会发现C、D、E三个水平管上方细管中的液面不再相平,E管上方的液面最低(如图2所示).根据我们学过的连通器原理可以知道,当水不流动时,连通器中各容器的液面总保持相平.当水流动时,C、D、E三个水平管上方细管中水柱的高度却不相同,这就意味着C、D、E三个水平管中液面的深度不相同.根据液体的压强公式p=ρgh,可以判断出C、D、E三个粗细不同的水平管中水的压强是不相同的,E管中的液面最低,h最小,所以压强最小.这与我们知道的连通器的原理是不同的,是什么原因呢?
  
  
  科学家们经过大量的科学研究发现:“流动液体的压强与流速有关,流速越大的位置,压强就越小”.我们知道,流量=流速×横截面积(其中流量的单位“m3·s-1”,流速的单位“m·s-1”,横截面积的单位“m2”).实验中,C、D、E三处水的流量是相同的.但是由于E处水管的横截面积最小,所以E处水的流速最大,而C处水管的横截面积最大,所以C处水的流速就最小.正是因为C、D、E三处水的流速不同才导致了三处的压强不同,E处水的流速最大,压强最小,所以液面最低.
  现在我们就可以来解释为什么护航编队通常不采用“并排”护航了.如果并排护航,两船同向行驶.假如两船(如图3)向右行驶,则上方船只下方的水相对于船向左流动,而下方船只上方的水相对于船也是向左流动.那么两船之间水流的速度就是两个相对水流速度的叠加,是两者的和.这样两船之间水流的速度就大,此处的压强就小;而两船外侧水的流速相对较小,压强较大.这样两船外侧的压强大,就会从两侧同时产生压力迫使两船相互靠近,容易发生撞船事故!同学们,你明白了吗?有鉴于此,有关部门就规定:除追越情况外,在航道内航行的船只,不准与其他船只并排航行!
  
  正是了解了“流动液体的压强与流速有关”,才给了我们更多的启示和创造灵感,水翼船就是其中之一.水翼船,顾名思义这种船的船身之下附有水翼.装在船身下的水翼,其形式和机翼一般,上下两面均有曲度,上面弧度较大下面接近直线.当船运动时(如图4),翼面上方的水流从A处运动到B处时,液面变得狭窄,而流量是一定的,所以水流流经B处时的流速变快,故而此处的压强就小;而翼面下方液面相对较宽,流速小,压强大,水翼上方受到向下的压强小,而下方受到向上的压强大,这样就会对水翼产生一个向上的压强差,从而产生一个向上的升力,将船体托出水面,消除大部分水的阻力,使船只可以高速航行.据记载,这个办法是1861年英国的机翼设计师莫伊偶然发现的.莫伊认为,在水里试验机翼的性能比空中好,因为水的密度是空气的600倍.于是他在小船上装了三副水下翼进行试验.结果发现,小船即使以中速行驶,船身也“几乎升出了水面”.达到一定的速度时,船体完全越出水面,船体与水面摩擦力消失.正是这个偶然的发现,给了我们更多的灵感,才使得“船”有了更多的家庭成员和用途!有兴趣的话,同学们还可以登陆一些网站,去了解水翼船的更多信息.
  读到这里,你一定手痒了吧?那同学们们不妨就动起来,按照下面的提示玩一玩吧!准备两只小纸船、一支大注射器,一大盆水,将两只纸船并排放在水面上使其静止不动(如图5),然后用大注射器向两船之间的水面快速注水.猜猜看,两船将怎样运动呢?赶快试试吧!
  
  最后,谁仔细阅读别莱利曼的《趣味物理学》中的一件记事.
  别莱利曼著的《趣味物理学》记述了这样一件事情:1912年秋的一天,世界上最大的轮船之一的远洋货轮“奥林匹克”号正在海上航行,此时一艘比“奥林匹克”号小许多的铁甲巡洋舰“豪克”号从后面追上来,在距“奥林匹克”号约100m的海面上,与“奥林匹克”号并排疾驶,就在这时,小军舰“豪克”号好像受到了一种巨大力量的作用,竟自扭转了船头,舵手的操纵早已失灵,几乎笔直地向巨轮冲来,祸事发生了,“豪克”号铁甲巡洋舰舰首把巨轮“奥林匹克”号的船舷撞了一个大洞,有五位海员受伤,有些货物落水,损失惨重,事情发生后,海事法庭对此次肇事进行了审理,结果“奥林匹克”号的船长被判为有过失的一方.同学们,如果你是“奥林匹克”号的船长,你将怎样辩护呢?
  
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