暑假来了,许多小朋友要出去玩,有些小孩甚至会在野外玩水。但是今天要告诉你,有一种看起来人畜无害的玩水乐园,实际上是一种危险的杀手。游泳或者玩漂流的时候,最好避开这种区域。
打开你家的水龙头,观察水流砸到水池里的时候,外层是否形成了一圈翻滚的水圈,这是怎么回事?慢慢调整水龙头的大小,让水速变慢,或者加快,看看会发生什么现象?你也可以用2个盆套在一起做实验,让水从里面的小盆里缓慢流出,观察水流到大盆里的时候,会发生什么变化?水流变快还是变慢了?有没有看到漩涡?放一个塑料瓶盖子在里面,调整水流大小,试一试,能不能让塑料瓶盖子困在一个位置翻滚?
那个水圈,以及不同流速产生的漩涡,在流体力学上叫做水跃(hydraulic jump)。首个记录水跃现象的人,没错…又是达芬奇。我为什么要说又?靠近低矮的水坝(低位差堰)、排水口、激流和平缓的水流交汇处,或者河里突出的岩石附近都是发生水跃的常见区域。这种地方很容易造成溺水,而且是很难救的那种。
缓慢流动的水叫做亚临界流(subcritical),因为在这种水流中,波的传导速度比水速要快。快速流动的水叫做超临界流(supercritical),也叫急流,因为波的传导速度不及水的流速。亚临界流和超临界流相遇时会发生什么事呢?此时就会出现水跃。
许多人都知道激流非常危险,从事皮划艇运动的人也会在遇到激流时小心翼翼。但是许多人都会忽略在水中障碍物附近的水跃的致命性。水跃的致命性,和它与水中障碍物的距离有关。如果水跃发生在离障碍物较远的位置,此时水跃并不那么危险。但是,当水跃就发生在障碍物附近,比如水坝下面的时候,这个现象被称为淹没水跃(submerged jump),或淹死水跃(drowned jump)。光听名字你就能感受它的恐怖了。
原来,在淹没水跃附近,会产生一个水流不断循环的区域。如果你没有足够的力气和技巧从这个区域里脱出,你就只能像上图的芭比娃娃男友这样,在淹没水跃里无限循环,最终被淹死。而想要别人游到这儿来这儿救你也是不太现实的,因为救援人员可能也会陷入这个淹没水跃陷阱。更为恐怖的是,靠近淹没水跃就可能被自动吸入。
水跃对于要游山玩水的人来说是个潜在的危害,但是它在工程学上也有不少用处。比如,水跃可以保持下游的较高水位,这对灌溉来说还是挺有用的。另外,水跃还可以在水流中加入空气,水净化处理时也需要用到这个现象。