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我们之前看到的江河溪流最终都会流入大海。孩子们(和一些早期的哲学家)以为河流总是会流向大海的……因为河流就是应该这样啊。这种想法显然是不对的——你能找到一条在海岸附近发源的河流,却朝着和大海相反方向的内陆流去。现实中,河流都只往低处流。它们只能往低处流——因为它们受到重力的操控。对重力的认识非常重要,这不仅能帮你理解河流的流经路径,而且你飞行体验的安全舒适也都仰赖于它。坦率地说,人们对各种各样力的认识总是有所偏差。
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力场(force field)
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在这个实验中,你需要将一只球抛入空中。如果你在飞机上,用纸球也行(不过别抛得太高了)。轻轻地把纸球抛向空中,它向上运动几英尺,然后下落,被接住。观察纸球的抛落过程。实验几次,试着找出纸球的抛落过程中的三个阶段——纸球在空中做上升运动,达到上升运动的顶点,然后落下回到手中。
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思考一下纸球运动的每个阶段。纸球离开你的手飞向空中,然后达到飞行的顶点,最后中途折回下落,这三个阶段中,如果忽略空气阻力,纸球分别受到哪些方向的力呢?
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每个运动阶段中,如果不计空气阻力,纸球都只受到唯一一种力的作用,这听起来有些不可思议。这就是竖直向下的重力。的确,你的手给纸球施加了一些向上的力,不过,从纸球离开手的那一刻起,唯一作用于它的力就只有向下的重力了。这意味着,在整个旅程中,纸球都在向下加速。从纸球被抛出的那一刻起,在加速度的作用下,它向上的运动速度就开始变慢了,而向下的速度则变快。
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当纸球到达飞行的顶点时,它就停住了。不过此时没有平衡的力能使纸球一直保持静止状态。它依然受到使它向下加速的力。同样,在下落过程中,纸球依旧受到向下的力并且明显向下加速。
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如果这不是你最初的设想,也不要感到困扰。在一份针对科学老师的问卷调查中就曾经出现过这个问题(当然,他们大多不是物理学家),大部分老师的答案都是错的。任何物体当它开始运动时,比如你的飞机,我们都有必要了解一下其中所牵涉的关于力的知识。
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在重力面前,我们毫无选择余地。重力永远都竖直向下(更精确地说是指向地心的方向)。因此,在重力的驱使下,水往低处流。一般情况下,海洋是本地大陆的最低处,这意味着,无论怎样河流终将入海。不过,也存在着这种情况:陆地上有一处地势很低。这样的话,水将会汇积于此。
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如果仅仅只有一支小水流汇入此地势低处,而蒸发和渗透的水量又大于等于流入的水量,水流不断汇集于此形成湖泊。否则,水平面将不断上升,最后从周围地面的最低点满溢出来,形成了一条全新的自主成形的水流,朝着地势更低的下游流去。
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飞行中的科学 从河流到海洋
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河流入海时,许多河流会在河口形成三角洲。三角洲的形成是一个缓慢的过程,日复一日,河水挟带的泥沙在入海口沉积下来。三角洲的主要类型有扇形三角洲、鸟足形三角洲和尖形三角洲。河流注入海洋时,水流向四处扩散,动能显著减弱,流速也慢了下来。这意味着河水所挟带的泥沙分离并沉淀了下来,形成一片向海面伸出的平地,外形像英文字母V,日积月累,沉积平地不断向前推进,最终形成了三角洲。
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不过,不是所有的河流都能形成三角洲。许多河流的入海口更加宽阔,与海洋的分界线也没有那么明显,入海口中某个区域的水介于海水与河水之间。在这种河口处通常会形成泥滩或是一些时而会被海水淹没的开阔的区域。
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人们经常用盐水与淡水之间的区别来表述海水与河水的不同。的确,如果你尝一口海水,它给你留下大致的印象就是咸咸的味道。但是现实中,海水本身并不含盐。它的成分包括钠离子和氯离子(当然也含有一些其他的成分)。离子是指原子失去或得到一个或几个电子而达到的稳定结构。钠离子比钠原子少了一个电子,因此带正电,而氯离子比氯原子多了一个电子,因此带负电。
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钠本身是一种不稳定的金属,遇水会发生爆炸反应。几乎所有的钠在自然界中都以化合物的形式存在。化合物是由不同种类的原子组成的分子。(分子可以由单一种类的原子组成,如氢气分子是由两个氢原子组合而成的。)海水中的钠离子来自于如硅酸钠之类的岩石(硅酸钠由钠、硅和氧三种元素组成)和碳酸钠(碳酸钠由钠、碳和氧三种元素组成)。河流入海的旅途中,沿途的碳酸钠溶解于河水中,被带入海洋。海水拍打岸边那些含钠的礁石,也会将钠带入海洋。
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氯也是一种能产生剧烈反应的元素。它是一种绿色的气体,有剧毒,第一次世界大战中的化学毒气战中就出现过它的身影。(人们用氯化合物给游泳池消毒,氯能使人中毒也能消灭大多数细菌。)海水中的氯离子大多来自海底火山和排气孔洞,它们向海水中喷射大量的化学物质。在普通的海水中,氯离子和钠离子漂散在水中,它们既不和海水中的其他离子发生反应,相互之间也不结合。但是,海水蒸发时,离子的密度变大,带正电的钠离子吸引带负电的氯离子,两者结合在一起,形成晶状的氯化钠,通常我们称之为盐。
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飞行中的科学 水,到处都是水
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假如是远距离飞行,你也许会在水面之上飞行很长一段时间。地球表面百分之七十几的面积都被水覆盖,这占到了地球表面的三分之二还要多。从太空中看,地球最显著的特征就是水。这玩意让整个星球看起来都是蓝色的。以整数计算,地球上的水有14000000立方千米之多。这个量太大了,你或许难以对此产生确切的概念。1立方千米相当于1000000000000公升的水。(你想象一个水做的立方体,它的每条边的长度都是1千米。)
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那么,为什么我们总是不断听人谈到水资源短缺呢?为什么非洲的很多地区会因为缺水而造成农作物歉收呢?将地球上的水按人头来算,我们每人分到的水量是0.2立方千米。说得更精确点,人均得水量是212100000000升。
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