水往哪流究竟谁说了算？

　　自然界中有很多我们习以为常的现象，这些见惯不怪的现象中蕴含着深刻的物理学原理。比如，＂水往低处流＂就是如此。也有很多水往高处流的现象，但经常被我们无视。本文为您讲述流水中蕴含的物理学原理，讲述物理学的思维方法。
　　一、如果回答是因为引力，那么你就错了
　　＂大河向东流啊，天上的星星参北斗……＂，这是电视剧《水浒传》主题曲中的歌词，这个歌词明确说明了，我国境内的主要河流，都是向东流入大海。这是因为我国的地势总体上是呈现西高东低态势，所以河流都是从高（西）向低（东）流。
　　搞物理的人与普通人不一样的地方是，这帮人都是好奇宝宝，光是知道了水总是向低流是不可能满足他们的好奇心的，他们会问下一个问题——为什么水要从高处向低处流？很多小伙伴可能会脱口而出，这是因为地球引力的作用。但如果你真的这样简单回答，那么你就错了。
　　最简单的一个案例就是——空间站里的水滴，同样在引力的作用下，但并不会向下流，而是以一个近乎完美球形的方式，悬浮在空中。由此可见，引力并不是导致水向下流动的唯一原因。那么还有什么其他因素影响我们的观察到的现象呢？
　　二、参考系不一样，物体的运动状态不同
　　＂大地在我脚下，国计掌于手中……＂，当我们站在长江之边，看滚滚江水奔流赴海的时候，本能的会以脚下的大地作为参照物。当以大地为参照物建立了坐标系的时候，我们所处的地方就会形成以地球为静止参考点的三维坐标，就有了上、下、前、后、左、右。
　　此时，重力的方向是指向地球的中心，在我们看来就是指向下方的。在倾斜的河床里面的水，受到两个力的作用：重力与河床的支持力。但这两个力的合力不为零，并且沿着河床指向下游的方向。
　　如果您还记得惯性定律（牛顿第一定律），物体在不受外力或者合外力为零的情况下，将保持静止或匀速直线运动状态。现在水受到的合外力不为零，所以它的运动状态会发生改变。我们看到的结果就是——河水沿着河床向下游（低处）流淌。
　　那么空间站里的水滴静止不动又是个什么情况呢？
　　其实还是一个坐标系选择的问题。假如我给你一架超级望远镜，能在地面上看到那滴水，你就会发现，它其实是在与空间站保持同步的状态下，围绕地球旋转，因为你本能地选择以地球为参照物。之所以在空间站内，看到水滴静止不动，是因为将空间站当做了参照物。
　　三、降雨过程是合力作用的结果
　　除了河水从高向低流，还有另外一种自然现象也是如此——降雨。那个物理博士们讨论雨点能不能打死人，被一个＂农民工＂打脸的笑话咱们就不提了（千万不要误会啊，绝对没有看不起农民工的意思）。雨滴的运动状态，同样取决于它的受到的合力情况。
　　漂浮在天上的云朵中的小水滴，受到地球的引力与上升气流给它们的支持力，当这两个力达到了平衡， 垂直方向合力为零，所以小水滴就会漂浮在空中。当云层越来越厚，小水滴的体积越来越大，上升气流的支持力小于重力的时候，合力不为零并指向地面，小水滴在合力的作用下，向地面运动，就是降雨。
　　在下落过程中，随着速度的增加，小水滴受到的空气阻力不断增大，最后与重力重新平衡，就会在垂直方向保持匀速直线运动。换句话说，小水滴不能被重力无限加速，所以小水滴是不可能打死人的。这里面，空气起到了的＂防弹衣＂的作用，将重力赋予小水滴的能量，控制在人体能接受的范围之内。
　　空气防弹衣的效果也是有限的。当小水滴在空中以小冰块（冰雹）的形式出现的时候，如果这些小冰块体积比较大，空气的阻力作用就不明显。在我国西北一些地区，偶尔出现的大冰雹，经常有打死大牲畜的案例。我就曾经遭遇过一次这样的冰雹，依靠一个摩托头盔保住了小命。
　　四、有外力的情况下，水能往高处流
　　刚才老郭在冒雨驾车前往办公室的途中，前风挡玻璃上的水滴就是在往上流。前几天看到一则笑话：＂相亲的时候女孩给男孩提了一个问题，问什么时候水往上流，男孩没答上来，女生转身走了。＂原因就是男生肯定没车，否则他不会没有发现雨水在风挡玻璃上往上流的现象。
　　水究竟往什么地方流，这个事情不能怪水，取决于水所受到的合力的方向。高速行驶中的汽车前风挡玻璃，受到来自前方的空气阻力，这些空气施加的压力也会作用在小水滴上，当空气的压力与重力的合力大于小水滴与玻璃之间的黏滞力的时候，小水滴就可以沿着玻璃向着合力的方向运动了。
　　在如今现代化的城市里，水向上运动并不是什么稀奇事，只是我们平时都不在意而已。几十年前，住宅楼不是很高的时候，我们经常能看到水塔，今天的楼越盖越高，这种占地面积很大的水塔已经不多见了，更多的是高层建筑旁边的加压泵站。
　　从管道中输入的水，经过泵站的加压，可以到达几十米，上百米的高度。即使是在顶楼的居民，只要拧开水龙头，也能哗哗地出水。这就是因为水管中的水受到的压力大于了重力的缘故，这些水在压力与重力的合力作用下，被送上了高层建筑的顶楼。
　　五、没有外力的情况下，水也能往高处流
　　前面我们说的＂水倒流＂现象都是在施加了外力的情况做到的，自然界中还有很多我们未曾留意的＂水倒流＂现象。比如植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管，通过这些小细管，植物可以把土壤中的水分输送到顶端的叶子里面。这种现象叫做毛细现象。
　　毛细现象是发生在一些线度小到足以与液体弯曲表面的曲率半径相比较的毛细管中发生的现象。水的表面就像一张张紧的橡皮膜，如果水与容器壁之间是浸润关系，则水面是向下凹进去的，那么这张膜就会产生一个向上的拉力，从而带动下面的水向上运动。
　　不学物理的人想象不出这种力有多大，这里告诉你，水面这种膜的张力是地球引力的10^30次方倍以上。在下雨的过程中，雨滴之所以没有被空气分子给＂撞碎＂，也是由于小水滴表面上存在着这种强大的表面张力维持着小水滴的形状。
　　你可能会接下来问下一个问题，这种远超重力的水面张力，为什么没把杯子里的水给提起来漂到空中呢？这是因为，这种力的作用距离很短，超过一个很小范围就不存在了。所以这种力才只能在很细的管子里发挥作用。
　　日常生活中，毛笔吸取墨汁、用毛巾擦清除脸上的水、验孕棒、使用咽试子提取病毒样品等等，都是利用水的毛细现象。
　　六、水的行为的微观本质
　　水之所以会有多种多样的行为，其根本原因在于其特殊的分子结构。水中的氢原子与氧原子之间以共享电子对的方式相连接，由于氧原子抢夺电子的能力比氢原子强，所以电子对是偏向氧原子一边。氢氧键就像一根两端带着不同电性的短棒，两个短棒之间成104.45°角。
　　水分子在相互碰撞过程中，很容易因为这种短棒的极性相互结合形成水的分子团，刚才说过，这种力是引力的10 ^30倍以上。也有一些氢的原子核会在碰撞中被撞出去，脱离氢氧键，形成游离的氢离子，然后再与其他的游离的氢氧根离子结合。这种抱团、撞散、再组合的过程一直都在水的内部动态进行中。
　　水的所有行为，都是由于水的微观结构和外部环境共同作用的结果。
　　全文总结
　　简单的一个流水现象我们就说这么多。通过对流水现象的分析，我们要记住两个道理：第一，观察的角度会影响我们看到的物体运动效果（参考系）；第二、任何一个现象都是系统现象，是内因和外因共同作用的结果。
　　正是由于这两个原因，物理学家们在设计实验的时候，会根据情况选择不同的参考系，也会在实验中采用隔离法让被研究的物理量在实验中处于可观察的状态。比如，在研究自由落体的时候，要在抽成真空的管子里进行，这样就可以屏蔽掉空气阻力的作用，让重力成为唯一的影响因素。
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