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在我们生活的世界中，各种各样形形色色的事物和现象，其中都必定包含
着科学的成分。在这些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你
还一知半解的。面对未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待
呢？！“形形色色的科学”趣味科普丛书，把我们身边方方面面的科学知识活灵
活现、生动有趣地展示给你，让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识！

内容简介

在我们生活的世界中，各种各样形形色色的事物和现象，其中都必定包含着科学的成分。在这些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你还一知半解的。面对未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科学”趣味科普丛书，把我们身边方方面面的科学知识活灵活现、生动有趣地展示给你，让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识！

空气和水是我们日常生活中最常见的流体，它们虽然有类似的运动方式，但是却有着迥异的性质。飞机为什么能够飞行？水槽中的水为什么越接近排水口流速就越快？游泳衣的材料设计为什么要模仿鱼类？新干线的外形设计又有什么玄机？读读这《流动中的力量：图解流体力学》，你就明白了！

《流动中的力量：图解流体力学》适合青少年读者、科学爱好者以及大众读者阅读。

作者简介

小峰龙男

953年生于东京。1977年毕业于东京电机大学工学部机械工学专业，现在任教于东京电机大学高等学校，是NPO法人组织科学技术立国创生推进会会员。兴趣爱好是自行车组装和绝版自行车修复。另外，还主管着机器人工作教室和电子工作教室，每年与300余名中小学生共同享受着手工制作的乐趣。著作有《机械工学基础》（SOFTBANK Creative）、《机构学基础》、《电路结构与基础》（技术评论社）、《图解机械电子学》（讲谈社）、《详解机械电子学》（东京电机大学）等。

坂本纪子（Design Studio Palette）

美术指导。

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目　　录

第1章流体的性质
001 看我七十二变流体的流动性
002 应用流体流动性的应用混凝土搅拌车和轻合金轮胎
003 自行车轮胎的空气压压强是怎么产生的?
004 压强的单位是帕斯卡压强单位的符号是Pa
005 用吸管喝果汁时果汁的运动关于压强的分析方法
006 从重量到力重力和力
007 空气和水产生的压强气压和水压
008 水受热不会膨胀,但空气受热后会膨胀受热和体积变化
009 水受到挤压也不会缩小,空气受到挤压会缩小受力和体积的变化
010 火灾报警器和燃气发动机体积变化的应用
COLUMN 关于气塞现象的思考
第2章流体性质的应用
011 水和空气的黏度不一样黏性

第1章 流体的性质 001 看我七十二变 流体的流动性 002 应用流体流动性的应用 混凝土搅拌车和轻合金轮胎 003 自行车轮胎的空气压 压强是怎么产生的? 004 压强的单位是帕斯卡 压强单位的符号是Pa 005 用吸管喝果汁时果汁的运动 关于压强的分析方法 006 从重量到力 重力和力 007 空气和水产生的压强 气压和水压 008 水受热不会膨胀,但空气受热后会膨胀受热和体积变化 009 水受到挤压也不会缩小,空气受到挤压会缩小受力和体积的变化 010 火灾报警器和燃气发动机 体积变化的应用 COLUMN 关于气塞现象的思考 第2章 流体性质的应用 011 水和空气的黏度不一样 黏性 012 倍力装置的结构 帕斯卡原理 013 汽车的制动装置 帕斯卡原理的应用 014 流体作用于物体上的力 浮力 015 物体是漂浮还是下沉取决于比重的大小 比重和浮力 016 利用浮力搭建运载船只的电梯 闸门 017 下落的水滴是球体 表面张力 018 表面张力和空气的作用力 水滴的变形 019 液体会渗入缝隙的原因 毛细管现象和浸润 020 液晶板毛细管现象 毛细管现象的应用 021 古人的智慧—水平面的创造 水平面和连通管 022 从房屋建筑到户外 水准测量 COLUMN 游来游去的樟脑船 第3章 流体流动的性质 023 使船只平稳的力 复原力和力矩 024 无动力喷泉的结构 高度差产生的能量 025 下落的水流能把水吸上来 虹吸原理 026 作用于液面的力的平衡 质点的平衡 027 浴池里的涡流和杯子里的涡流 自由涡流和强制涡流 028 涡流的组合 兰金复合涡流 029 空气和水流动的相关概念 流线 030 人和汽车都具有与流体相同的特点 流体的思考方法 031 水龙头的调节和水的流动 层流和湍流 032 物体的形状带来的阻力 压强和摩擦力 033 空气产生的各种阻力 作用于物体的阻力 034 让流动混乱能够减小阻力 分离和涡旋 035 低温水中产生的泡沫 气穴现象① 036 “水中的气泡”有利也有弊 气穴现象② COLUMN 碳酸饮料和气穴现象 第4章 运动流体的性质 037 家用自来水管道中的流体力学知识 水的流量 038 流量的守恒 连续性方程式 039 流体的能量守恒定律 伯努利定理 040 伯努利定理的应用 伯努利效应① 041 流体的速度和压强的应用 伯努利效应② 042 测量飞机和F1赛车的速度 皮托管 043 从压强计的读数变化中了解速度的变化 静压和速度水头 044 能量一定会有损失 损失水头 045 喷流而出的水的性质 流线和伯努利定理 046 水的流动和消防设备 压强水头和损耗 047 流体的流势 流体的运动量 048 软水管洒水的特点 动量守恒定律 049 用软水管洗车 流体的撞击 050 流体不会瞬间停止 水击作用 COLUMN 病房里的空气流动 第5章 日常现象和流体的运动 051 流线弯曲的流体压强 流线曲率定理 052 分析杯子中的涡旋 二次流 053 表面上产生的力的作用 作用力和反作用力 054 通过操作空气而带来舒适的空调设备 柯安达效应 055 流线曲率和曲线球 马格努斯效应 056 关于升力的分析方法① 伯努利定理和升力 057 关于升力的分析方法② 流线曲率定理和升力 058 关于升力的分析方法③ 反作用力 059 机翼表面的流动① 柯安达效应和升力 060 机翼表面的流动② 循环 061 机体周围的流动 循环流动和循环 062 导流罩的必要性 分离和涡旋 063 物体后部的流动 卡门涡列 064 风吹电线发出的响声和摇摆球 涡旋的作用力 065 涡振动和涡列的预防方法 通过凹凸预防涡旋 066 用螺旋保护大型建筑物 长桥和输电线 067 卡门涡列的应用 涡列的频率 COLUMN 花与电动自行车——从兴趣聊起 第6章 流体机械 068 分析流体的流控技术 流体逻辑器件 069 喷嘴和感应器 射流振荡器 070 出入口上的空气阀 流体的压力输送方法 071 输送污水的方法 下水道设备 072 水井和温泉的深度 潜水泵 073 白天发电、晚上抽水 水轮机和水泵 074 利用气泡的扬水装置 气动轴水泵 075 在很小的空间内产生巨大的力 液压机械 COLUMN 历史遗迹和流体元素 参考文献

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看我七十二变

流体的流动性

水和空气是我们身边最具有代表性的流体。流体本身并没有特定的形状，能够被装进任何形状的容器中，就像风和河流一样，能够自由地流动，这就是流体的流动性。如图1所示，把水装进瓶子中，容器的下部就会聚积水，而容器的上方则会充满空气，虽然我们用眼睛看不到。将这个容器倾斜，水和空气的形状很容易就会发生变化。

具有这种流动性的物体不仅有空气和水，沙漏中的沙粒也能够沿着颈部管道向下流动。就像自来水管道的水龙头能够控制水流大小那样，如果沙漏的颈部管道变粗，沙子流出的时间就变短，反之沙子流出的时间就变长。如上所述，细微的粉状体等物质也与流体一样具有流动性。在工厂的生产车间，小螺丝钉等微小零部件的运送过程利用的是振动作用，这就是送料机（零部件供给装置）的工作原理。送料机不仅能传送零部件，还能将东倒西歪的零部件通过震动作用在传送过程中整理得依头顺尾，这就是送料机的特征。像送料机上的小螺丝钉那样，“全体成员”自由地改变姿态并同时移动的形式与流体的流动性非常相似。

电动吸尘器在工作时将空气和垃圾同时吸进内部，然后在吸尘器内部将垃圾从空气和垃圾的混合流体中分离出来，仅将空气排出。对于微小的垃圾和灰尘等细微的物体，很难将它们一个一个拣出来，电动吸尘器将它们混杂在空气中，赋予它们类似流体的流动性后，就能够一起将它们全部吸收了。

煤气罐能把工厂生产的煤气暂时储存起来，然后根据消费者的具体消费量来调整供给量，并方便运输。提供这种服务的地方就是煤气供应站。煤气供应站利用的就是流体的流动性。煤气能够装进任何容器，所以我们将煤气装进煤气罐中，并调整供应量，便于储存保管。

流体流动性的应用

看我七十二变 
 流体的流动性 
 水和空气是我们身边最具有代表性的流体。流体本身并没有特定的形状，能够被装进任何形状的容器中，就像风和河流一样，能够自由地流动，这就是流体的流动性。如图1所示，把水装进瓶子中，容器的下部就会聚积水，而容器的上方则会充满空气，虽然我们用眼睛看不到。将这个容器倾斜，水和空气的形状很容易就会发生变化。 
 具有这种流动性的物体不仅有空气和水，沙漏中的沙粒也能够沿着颈部管道向下流动。就像自来水管道的水龙头能够控制水流大小那样，如果沙漏的颈部管道变粗，沙子流出的时间就变短，反之沙子流出的时间就变长。如上所述，细微的粉状体等物质也与流体一样具有流动性。在工厂的生产车间，小螺丝钉等微小零部件的运送过程利用的是振动作用，这就是送料机（零部件供给装置）的工作原理。送料机不仅能传送零部件，还能将东倒西歪的零部件通过震动作用在传送过程中整理得依头顺尾，这就是送料机的特征。像送料机上的小螺丝钉那样，“全体成员”自由地改变姿态并同时移动的形式与流体的流动性非常相似。 
 电动吸尘器在工作时将空气和垃圾同时吸进内部，然后在吸尘器内部将垃圾从空气和垃圾的混合流体中分离出来，仅将空气排出。对于微小的垃圾和灰尘等细微的物体，很难将它们一个一个拣出来，电动吸尘器将它们混杂在空气中，赋予它们类似流体的流动性后，就能够一起将它们全部吸收了。 
 煤气罐能把工厂生产的煤气暂时储存起来，然后根据消费者的具体消费量来调整供给量，并方便运输。提供这种服务的地方就是煤气供应站。煤气供应站利用的就是流体的流动性。煤气能够装进任何容器，所以我们将煤气装进煤气罐中，并调整供应量，便于储存保管。 
 流体流动性的应用 
 混凝土搅拌车和轻合金轮胎 
 在我们的日常生活中，从如何利用水和空气这类问题出发，与流体相关的技术和学问得以逐渐形成。图1中展示的螺旋式抽水机是古希腊数学家阿基米德（公元前287 年至公元前212 年）的功绩之一，是螺旋相关的数学概念转化成实用性技术和力学知识的一个典型例证。螺旋式抽水机的工作原理是，通过管道内具有螺旋面的轴承旋转，通过螺旋面水被从低处带到高处。螺旋式抽水机的用途非常广泛，主要用于灌溉或者将浸入船体的水排出船外等。在日本江户时代的佐渡金山有一种水轮装置，其原理被广泛应用于运送流体以及各种各样的流动物体，如从低洼的坑里往上打水，以及今天被广泛使用的螺旋式输送机等。混凝土搅拌车的滚筒内侧设置了一对螺旋状的扇叶，在运输过程中通过滚筒的旋转带动扇叶旋转来搅拌水泥以防止其凝固，送到目的地后通过反方向旋转滚筒，利用扇叶的螺旋面将混凝土排出车外。 
 金属在常温下是固体，加热到熔点以上金属也会融化变成液体，于是金属也具有了流动性。把熔融金属从浇口注入用耐热材料制作的模具中，冷却凝固后取出，就像把水冷却变成冰那样，便制作出与模具的空洞部分形状相同的产品。如上所述，利用液体的流动性制作形状复杂的产品的加工方法，称为铸造。 
 图2中展示的汽车所用的轻铝合金轮胎就是采用“压力铸造法”制作出来的， 
 它是在高压作用下将熔融金属以较高的速度填充进金属制铸型中制作而成的。利 
 用这种铸造方法，在一个模具损耗破损之前，能够一直使用该模具进行批量生产。 
 铁壶、装饰性工艺品等产品，则是采用“砂型铸造法”制作出来的，所谓砂型铸造 
 法，指的是用沙子制作铸型，然后将熔融金属填充到铸型型腔，等凝固后打碎铸 
 型取出产品的铸造方法，砂型铸造法中一个模具只能使用一次，只能制造一个 
 产品。 
 自行车轮胎的气压 
 压强是怎么产生的？ 
 自行车的脚蹬太沉，骑着很费劲，这时用手指捏捏轮胎可能会发现，轮胎里 
 面气太少，软塌塌的。这是很多人都有过的经验，只要用打气筒再打进一些气，自 
 行车就又能正常行驶了。这时候应该打进去多少气才好呢？如图1所示，是不是用 
 大拇指按按，觉得硬邦邦的就行了呢？认真观察某些轮胎后不难发现，轮胎的侧 
 面除有轮胎大小的标识外，还有一个“正常气压”的标识。一般来说，自行车轮胎 
 的气压正常值被指定为300kPa( 千帕斯卡)左右，不过要想知道这个准确的数值， 
 就不得不使用压力计这一测量工具。如果没有压力计，那么“用大拇指按按，觉得 
 硬邦邦的就行了”这个大概标准还是很有用的。但如果轮胎的气压太大，反而会 
 因为路面的凹凸不平导致行驶的时候非常颠簸，所以还需注意一下，轮胎的气压不 
 能太大。自行车轮胎的气压，一般是指轮胎中内胎的压力。给轮胎打气之后，内胎 
 就会膨胀，因为轮胎很坚硬，所以当内胎膨胀到一定程度后，就会受到外胎的限制， 
 不能继续膨胀，因此内胎的压强就变大了。 
 如图2所示，把内胎从轮胎中拿出来后再往里打气，内胎会不断膨胀，就算觉得膨胀得差不多、应该变硬的时候，用手捏捏会发现，内胎还是软塌塌的。这是为什么呢？只有内胎时，就算打进去空气，因为限制内胎膨胀的力只有内胎的材质橡胶本身所具有的收缩力，这个力并不强大，所以内胎一直软塌塌的并会继续膨胀下去。轮胎之所以变得硬邦邦的，是因为外胎限制了内胎的膨胀，向容积一定的内胎内注入更多空气，就产生了很大的压强。

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书摘插画

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