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&esp;&esp;2医院的输液系统,一般药瓶挂在比较高的位置,中间是调节流量的缓冲区,最低位置是输液针头,扎入血管。当无意中降低了缓冲区的高度,会发现血液倒流进输液管。
&esp;&esp;3水枪抽水、医院抽血,都是利用真空原理。观察这些真空的制造过程。
&esp;&esp;梅乐芝经理的科普文章(四)
&esp;&esp;初夏,微风拂面,清爽宜人。山雨欲来风满楼,这时候风就较大,可以感受到风的力量。在沙尘暴肆虐的季节,吐鲁番的风飞沙走石,对人的生命构成巨大威胁。这时候风已经成为一种主宰力量。
&esp;&esp;风是空气流动的效果,从宜人的微风到暴虐的狂风,差别仅仅是空气流动的快慢。衡量快慢,我们引入速度这个指标,速度指标适合任意非静止物体,目前我们是描述空气流动的情况。速度就是一定时间内空气流动的距离。一般设为1秒,也可为1小时。如何体会速度快慢呢?人正常情况下的行走速度大约是1小时5公里,也就是1秒15米,写作15s。骑自行车大约是5s,跑得最快的人大约10s。电动自行车可达15s(危险!),长途汽车在高速路上25s以上,动车50s以上,客机250s,军用飞机可达1000s以上,航天火箭8000s。
&esp;&esp;描述风速通常用蒲福风级(beaufortscale),按强弱,将风力划为“0”至“12”,共13个等级。在20世纪50年代,风级扩展到17级,共18个等级。和我们日常熟悉的情况比较,可大致了解风级。5级风,风速大约是10s,和人极限快跑的速度差不多。10级风,速度大约是25s,和高速客车差不多。如果想要体验一下大风,高速公路上窗户开个小缝,用鼻子感受一下,就知道这个10级风的威力:人已经无法呼吸!早期的飞机没有密封舱,飞行员都是直接暴露在空气中,可以肯定,这种飞机的速度不如现代的高速客车。在陆地上很难感受到10级以上的大风。例外的情况是南极大陆,这里10级大风是很温和的情况。这里和其他地方不同,基本由冰覆盖,大陆中心地势高而冷,空气密度大,导致风是由中心向外吹,并且没有地形阻挠降低风速。极限情况超出了蒲福风级的最大值,有记录的最高风速是100s。
&esp;&esp;液体流动和气体流动有一定的相似性,地球上的液体主要是水(海水)。在海边可以观察海水的流动,平常速度很低,台风季节能看到海水的高速情况。但无法与空气的高速比较。但水的密度远远大于空气,因此破坏力也很大。一般主要考虑风的因素是因为风可以深入陆地,并且带来大雨,影响范围广。而海浪仅仅对海边有影响,除非出现大海啸,影响范围增加,破坏力巨大,也是必须提防的情况。一般天气预报对台风进行密切跟踪,预测破坏地区和力度,以做好防范准备。
&esp;&esp;在日常生活中,空气和水的流动效果表现为多种形式。观察小河,小河中的水看作水流,在河面宽广的区域,水流缓慢,在河面狭窄的地方,水流快速。这是什么原因呢?无论河面宽窄,河水不会消失,那么河水的出水量不会变化。比如说1秒出水1吨。那么宽河面处,水量大,只能流得慢些,不然河水供应不上。河面窄的地方,必须流的快些,不然水就溢出了。也就是说无论在河的那里,水的横截面水的流速是固定不变的,这个就是河的出水量。实际生活中有大量类似情况。
&esp;&esp;思考:
&esp;&esp;使用管道煤气进行烹饪,在做饭高峰时期,比如晚饭,就发现煤气量很小,气量阀门即便开到最大,气量也小。比如半夜做个宵夜,打开煤气就发现气量很充足。将煤气使用情况和上述的河水流量对应起来。
&esp;&esp;夏天天热,空调使用很普遍。在最热的时期,会出现分片停电现象。在冬天需要供暖时期,也会出现。原因何在?
&esp;&esp;咸海,曾经是世界(五)
&esp;&esp;第5节热
&esp;&esp;夏天感到热,冬天感到冷,通常我们以自己的冷热感觉作为对环境的判断。但这种判断并不准确,甚至会出现判断相反的情况。比如同样的井水,夏天酷热时节,这水真是沁人心脾啊,冬天一双冻僵的手则觉得真是春天般的温暖。所以精确衡量冷热需引入温度的概念。我们生活的环境最容易接触的就是水,以水的结冰点定义为0度,沸腾点为100度(在海平面的高度)。这就是瑞典人摄耳修斯对温度的划分。荷兰人华伦海特制定了另外一种划分方法,把一定浓度的盐水结冰温度定为0度,把纯水结冰温度定为32度,水沸腾的温度定为212度。通常我们称为摄氏温度或华氏温度。我国采用摄氏温度划分,以下叙述中温度全部采用摄氏温度。
&esp;&esp;温度定义好以后,对于宇宙任意物体的冷热效果,都用其温度来表达。原则上温度没有设上限,可以任意高(实际上,光速给出了对应温度的上限),但有下限,最低到零下27315度,记为-27315c。这个令人意外。太阳内部温度上百万度,某些恒星表面1万度以上,太阳表面温度5500c。地球表面最热的地方是火山口,可达1000c以上,在南极洲,最冷的地方可达-89c。大多数地球的生命可以存活的温度范围大致从0c到50c。少数可以生活中极限环境中。冻原的细菌可以在-150c生存,海底热泉附近的细菌可以在400c生存。多数哺乳动物的体温和我们接近,维持在37c左右。我们的体温基本恒定,如果体温过高或过低,都会危及生命。
&esp;&esp;温度高低不同我们感觉热冷不同,但并不是温度决定一切。在炉子上烧开水,烧开小锅水和大锅水的时间不同。身体暴露在0c的空中,人体还可以坚持很长时间,但人体泡在0c的水中,很快就要丧生。造成以上差异的就是热量。
&esp;&esp;首先,热量可以传递。烧开水时,无论是燃气还是电炉丝,其温度都在800c以上,开水温度才100c,所以热量是由燃气通过锅传至水。气温0c,我们体温37c,那么热量就由身体传到空气。热量的变化带来了温度的变化。我们定义热量,单位用卡。如同定义长度,单位用米一样。1卡就是1克水升高1摄氏度所需的热量。大锅水比小锅水量大,升高一度需要的热量多,而炉子提供的热量固定,所以烧得慢。温度上升或下降是因为热量的进入或丧失。而热量的进入或丧失是因为热量进出的两方温度有差异。
&esp;&esp;其次不同物质在温度变化时热量需求是不同的。在所有物质中,同重量物质等温升高水需要的热量最多。换而言之,在重量相同、降温数量相同情况下,水降温时释放的热量最多。加热1克空气使得温度上升1度需要的热量仅是水的六分之一,而且1克空气的体积几乎是1克水的1000倍!身体向空气传热时,体表的空气很快就被加热,同时皮肤丧失热量因而温度下降。两者温度相同时不再进行热量传递。而距离皮肤较远的空气温度又低于皮肤表层空气温度,所以热量又继续向远离皮肤的方向传递。导致皮肤表层空气温度下降,而这又导致皮肤继续向空气散热。身体内部也类似。从肌肉到皮肤,温度逐渐下降。这样从肌肉到空气,形成了温度的连续下降的一个持续状态。比如:肌肉37c,脂肪内层35c,外层30c,皮肤20c,皮肤表层空气15c…远处空气0c。此时身体不断向外散热,维持着温度分布的稳定。如果身体产生的热量大于或等于保持上述温度分布而需要的热量,人体就能生存下去。在这种情况下,刮来一阵风,就破坏了体表空气形成的温度分布,直接让0c空气抵达体表,人体马上散更多的热出来。此时对身体的状况就相当于不刮风空气温度为-20c时的情况下,人体建立的温度分布。冬天气温不变,刮风和不刮风的日子,身体感觉完全不同。动物的皮外毛发密集,固定住大量空气不受风的影响,这样建立起静态的温度分布,最大限度地降低了恶劣气候的影响。人类使用动物毛皮做衣服,用羽绒填充衣服中间,也是同样原理。当人在水中时,比如在北极的冰海中,海水温度比0c还低一点。皮肤接触同样体积的水,重量几乎是同体积空气的1000倍,加热升温一度需要的热量是4000倍。维持同样的温度分布,人体散发的热量远远不够。所以体温会急剧下降。事实上全身卷缩起来,尽力保持腹部和腋窝的温度,可以生存15分钟。否则5分钟就丧生。而同样在北极附近,夏天后的第一场雪落在因纽特人裸露的皮肤上渐渐融化,他们迎来了新年,安然入睡。思考:
&esp;&esp;1四万年前,史前人类有了重大发明,双卷边缝纫技术,这样毛皮制作的衣服不漏风,他们得以进入当时寒冷的欧洲,随后又征服西伯利亚。沙漠中夏天也需要穿类似的衣服,为什么?
&esp;&esp;2大象身体没有毛,而它的近亲,猛犸象(最晚于4000年前灭绝),又称长毛象,浑身长满了毛。犀牛同样没有毛,但其近亲长毛犀牛也是浑身长毛(最晚1万年前灭绝)。估计这些灭绝的近亲应该生活在什么环境中?
&esp;&esp;3有冬泳爱好者,大冬天凿开冰面游泳。估计能游多久?为什么出水后浑身通红?
&esp;&esp;4初夏开始游泳,水温尚低。刚入水身体感觉很冷,一会就适应了。这说明什么?最后可以测量一下体表温度和水温,让没游的人用手指感觉一下即可。
&esp;&esp;5人体的热量来自体内储能。在身体热量供应不足时,会打冷颤,事实是肌肉在释放热量。很多时候喝高度酒来御寒,其实是在饮鸩止渴。这时候吃点高热量的东西是正经事。为什么?
&esp;&esp;6俄罗斯大妈,基本是胖子的代名词。南方人,比如岭南地区人,都显得干瘦。为什么?北极熊、海豹、海象都安然在冰水中生活,它们身体和人体的差异在哪里?
&esp;&esp;7大型鲸鱼经常在两极活动,人类自19世纪开始大量捕鲸。那是工业革命的时代,在石油工业尚未开始时,鲸鱼就是提供润滑油、蜡烛的天然仓库,为什么?
&esp;&esp;8有喜好晒日光浴的,在冰天雪地中全身赤裸晒太阳。可以肯定的是,当天天气无风。如果刮大风,还能坚持几分钟?
&esp;&esp;9肌肉温度低于正常状态,就丧失部分功能。如果温度严重不足,就表现为冻僵效果。人容易冻僵的部分有手脚耳朵鼻子。为什么?
&esp;&esp;10人体吸入空气,会对空气进行加热或散热。扁平鼻子易于散热。高窄鼻子加热快。观察鼻子就知道祖先在那里长期生活。
&esp;&esp;11生活在水边的鸟类,腹部有厚厚的绒毛,中间固定着大量空气。在水中时,这些空气就是隔离层,防止水直接接触到皮肤,起到良好的隔热作用。我们使用羽绒衣,就是将这些绒毛填充在衣服内层,形成隔热层。同样,棉花也是类似作用。
&esp;&esp;早穿棉袄午穿纱,围着火炉吃西瓜。这是说新疆一天内的情景呢。桑拿夏天,天还没亮,就热烘烘的,太阳露个头,蒸笼开始上汽。好一个马拉松式的减肥过程,但除了难受,还是那么胖。持续到凌晨,终于困得合眼了。这是长江流域的情景。
&esp;&esp;新疆的情况,说明昼夜温差很大。这也是新疆瓜果甜的原因。白天日光强,温度高,植物光合作用,合成大量糖分。晚上气温低,植物消耗低。综合结果糖分积累很高。为什么昼夜温差大呢?太阳出来了,天空晴朗无云,大量热量传到地面。而地面沙子比例很高,和水相比,同样的热量,沙子升高的温度是水的四倍。少量的热量就可以使沙子温度上升很高。地面温度上升了,空气又被地面加热,所以午穿纱。但在阴凉地方或室内,温度并不高。另外一个重要因素,空气中水蒸汽含量低,人出的汗很容易挥发,所以显得干爽。在高原昆明也有类似效果,只是程度要低些。太阳落山了,失去了太阳的热量补充。地面和空气中的热量依然向太空中以辐射的形式散发。虽然温度很高,但实际储存的热量较少,不存在阻碍散热因素,很快就散发完了,温度降低到辐射散热收支平衡的程度。所以晚上冷飕飕的。
&esp;&esp;长江流域的情况,说明昼夜温差小。桑拿的起因是空气中水蒸汽含量快达到极限了。这样人体排出汗很难挥发,都附着身体表面。感觉粘乎乎的,很不舒服。夏天时,副热带高气压笼罩着长江流域(参见16页图),气温高,空气对流弱,风少而小。尤其城市中缺乏植被进行辅助降温,导致整天闷热。气温虽然不如新疆高,但人体自身降温措施失效,躲在哪里都没用。空调可以使某密闭空间温度适宜,后果是恶化整个外部环境,并且恶化效果大于密闭空间的适宜效果。至于大多少,要看空调的效率高低了。所以桑拿天气还有一部分的人为贡献。地表泥土为主,含水量大,储存的热量大,散热时空气中的水蒸汽、云都是妨碍散热因素。所以晚上散热效果不佳。在地球同纬度的其他地区,大量都是沙漠。都是副热带高气压和人共同惹的祸,撒哈拉沙漠史前还是草原呢。当然气候是主要因素,环境太脆弱,人只不过小小地推了一把,就让环境万劫不复。同样的情况也出现在新疆东部和甘肃、内蒙西部。
&esp;&esp;在热带,气温一直很高,不存在四季情况,只存在雨季和旱季。而雨季和旱季交替依赖季风的风向。而暖湿气流只能来自海洋。西双版纳,旱季是11月到来年4月,雨季是4月到11月。那么对应的季风情况,就是11月到4月,刮东北风,所以旱季。4月到11月,刮西南风,风来自印度洋,所以雨季。而太平洋的气流最远可以抵达青海西宁,大西洋的气流最远抵达新疆伊犁河谷。青海和新疆大部分地区,甘肃中西部,内蒙中西部,没有海洋气流抵达。如果没有喜马拉雅山脉及青藏高原,印度洋的气流估计可以抵达。经常光顾这里的气流主要是西伯利亚寒流,因此降雨量很小。地貌以草原、沙漠为主,水主要来自冰川融化。在内陆河流经的地方形成绿洲和贸易中转站,间或可以进行农业种植。近几十年全球气候快速变暖,导致冰川积累不足,逐年退后,依赖冰川融水的地区水供应日渐窘迫。
&esp;&esp;思考:
&esp;&esp;1中国耕地面积,目前集中在华南、长江流域、华北和东北。耕地对水供给的要求较高。而草原要求很低。在历史上,长城是防御草原游牧部落进攻的主要屏障。农业耕作,对降雨量达要求是400毫米,中国的400毫米降水线和长城的路线比较吻合,这个是巧合吗?
&esp;&esp;2昼夜温差小的区域应该有什么要求呢?那些是主要因素?
&esp;&esp;3空气中水蒸汽含量使用湿度来描述,湿度达到100就说明目前空气中的水蒸气达到最大量了,无法再增加了。湿度和温度密切相关,温度越高,空气中允许存在的水蒸气越多。通常的湿度都是指当前温度下,空气中水蒸气的数量和最大可存在值的比例关系,称为相对湿度(绝对湿度是指水蒸气和空气数量的比例关系)。桑拿天气,湿度接近100,在自来水管道上,可以看到凝结大量水滴,为什么?另外地球上最干燥的地方在南极,为什么?阿塔卡马沙漠为什么比不过?
&esp;&esp;4早期文明,周围都有大河。埃及有尼罗和,苏美尔有幼发拉底河和底格里斯河,印度有恒河,中国有黄河。为什么?希腊没有大河,但其文明却扩散到地中海和黑海区域。而那些有大河的文明,却没有扩散开?
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