自然界中有很多我們習以為常的現象，這些見慣不怪的現象中蘊含着深刻的物理學原理。比如，“水往低處流”就是如此。也有很多水往高處流的現象，但經常被我們無視。本文為您講述流水中蘊含的物理學原理，講述物理學的思維方法。

“大河向東流啊，天上的星星參北鬥……”，這是電視劇《水浒傳》主題曲中的歌詞，這個歌詞明确說明了，我國境内的主要河流，都是向東流入大海。這是因為我國的地勢總體上是呈現西高東低态勢，所以河流都是從高（西）向低（東）流。

搞物理的人與普通人不一樣的地方是，這幫人都是好奇寶寶，光是知道了水總是向低流是不可能滿足他們的好奇心的，他們會問下一個問題——為什麼水要從高處向低處流？很多小夥伴可能會脫口而出，這是因為地球引力的作用。但如果你真的這樣簡單回答，那麼你就錯了。

最簡單的一個案例就是——空間站裡的水滴，同樣在引力的作用下，但并不會向下流，而是以一個近乎完美球形的方式，懸浮在空中。由此可見，引力并不是導緻水向下流動的唯一原因。那麼還有什麼其他因素影響我們的觀察到的現象呢？

“大地在我腳下，國計掌于手中……”，當我們站在長江之邊，看滾滾江水奔流赴海的時候，本能的會以腳下的大地作為參照物。當以大地為參照物建立了坐标系的時候，我們所處的地方就會形成以地球為靜止參考點的三維坐标，就有了上、下、前、後、左、右。

此時，重力的方向是指向地球的中心，在我們看來就是指向下方的。在傾斜的河床裡面的水，受到兩個力的作用：重力與河床的支持力。但這兩個力的合力不為零，并且沿着河床指向下遊的方向。

如果您還記得慣性定律（牛頓第一定律），物體在不受外力或者合外力為零的情況下，将保持靜止或勻速直線運動狀态。現在水受到的合外力不為零，所以它的運動狀态會發生改變。我們看到的結果就是——河水沿着河床向下遊（低處）流淌。

那麼空間站裡的水滴靜止不動又是個什麼情況呢？

其實還是一個坐标系選擇的問題。假如我給你一架超級望遠鏡，能在地面上看到那滴水，你就會發現，它其實是在與空間站保持同步的狀态下，圍繞地球旋轉，因為你本能地選擇以地球為參照物。之所以在空間站内，看到水滴靜止不動，是因為将空間站當做了參照物。

除了河水從高向低流，還有另外一種自然現象也是如此——降雨。那個物理博士們讨論雨點能不能打死人，被一個“農民工”打臉的笑話咱們就不提了（千萬不要誤會啊，絕對沒有看不起農民工的意思）。雨滴的運動狀态，同樣取決于它的受到的合力情況。

漂浮在天上的雲朵中的小水滴，受到地球的引力與上升氣流給它們的支持力，當這兩個力達到了平衡， 垂直方向合力為零，所以小水滴就會漂浮在空中。當雲層越來越厚，小水滴的體積越來越大，上升氣流的支持力小于重力的時候，合力不為零并指向地面，小水滴在合力的作用下，向地面運動，就是降雨。

在下落過程中，随着速度的增加，小水滴受到的空氣阻力不斷增大，最後與重力重新平衡，就會在垂直方向保持勻速直線運動。換句話說，小水滴不能被重力無限加速，所以小水滴是不可能打死人的。這裡面，空氣起到了的“防彈衣”的作用，将重力賦予小水滴的能量，控制在人體能接受的範圍之内。

空氣防彈衣的效果也是有限的。當小水滴在空中以小冰塊（冰雹）的形式出現的時候，如果這些小冰塊體積比較大，空氣的阻力作用就不明顯。在我國西北一些地區，偶爾出現的大冰雹，經常有打死大牲畜的案例。我就曾經遭遇過一次這樣的冰雹，依靠一個摩托頭盔保住了小命。

剛才老郭在冒雨駕車前往辦公室的途中，前風擋玻璃上的水滴就是在往上流。前幾天看到一則笑話：“相親的時候女孩給男孩提了一個問題，問什麼時候水往上流，男孩沒答上來，女生轉身走了。”原因就是男生肯定沒車，否則他不會沒有發現雨水在風擋玻璃上往上流的現象。

水究竟往什麼地方流，這個事情不能怪水，取決于水所受到的合力的方向。高速行駛中的汽車前風擋玻璃，受到來自前方的空氣阻力，這些空氣施加的壓力也會作用在小水滴上，當空氣的壓力與重力的合力大于小水滴與玻璃之間的黏滞力的時候，小水滴就可以沿着玻璃向着合力的方向運動了。

在如今現代化的城市裡，水向上運動并不是什麼稀奇事，隻是我們平時都不在意而已。幾十年前，住宅樓不是很高的時候，我們經常能看到水塔，今天的樓越蓋越高，這種占地面積很大的水塔已經不多見了，更多的是高層建築旁邊的加壓泵站。

從管道中輸入的水，經過泵站的加壓，可以到達幾十米，上百米的高度。即使是在頂樓的居民，隻要擰開水龍頭，也能嘩嘩地出水。這就是因為水管中的水受到的壓力大于了重力的緣故，這些水在壓力與重力的合力作用下，被送上了高層建築的頂樓。

前面我們說的“水倒流”現象都是在施加了外力的情況做到的，自然界中還有很多我們未曾留意的“水倒流”現象。比如植物莖内的導管就是植物體内的極細的毛細管，通過這些小細管，植物可以把土壤中的水分輸送到頂端的葉子裡面。這種現象叫做毛細現象。

毛細現象是發生在一些線度小到足以與液體彎曲表面的曲率半徑相比較的毛細管中發生的現象。水的表面就像一張張緊的橡皮膜，如果水與容器壁之間是浸潤關系，則水面是向下凹進去的，那麼這張膜就會産生一個向上的拉力，從而帶動下面的水向上運動。

不學物理的人想象不出這種力有多大，這裡告訴你，水面這種膜的張力是地球引力的10^30次方倍以上。在下雨的過程中，雨滴之所以沒有被空氣分子給“撞碎”，也是由于小水滴表面上存在着這種強大的表面張力維持着小水滴的形狀。

你可能會接下來問下一個問題，這種遠超重力的水面張力，為什麼沒把杯子裡的水給提起來漂到空中呢？這是因為，這種力的作用距離很短，超過一個很小範圍就不存在了。所以這種力才隻能在很細的管子裡發揮作用。

日常生活中，毛筆吸取墨汁、用毛巾擦清除臉上的水、驗孕棒、使用咽試子提取病毒樣品等等，都是利用水的毛細現象。

水之所以會有多種多樣的行為，其根本原因在于其特殊的分子結構。水中的氫原子與氧原子之間以共享電子對的方式相連接，由于氧原子搶奪電子的能力比氫原子強，所以電子對是偏向氧原子一邊。氫氧鍵就像一根兩端帶着不同電性的短棒，兩個短棒之間成104.45°角。

水分子在相互碰撞過程中，很容易因為這種短棒的極性相互結合形成水的分子團，剛才說過，這種力是引力的10 ^30倍以上。也有一些氫的原子核會在碰撞中被撞出去，脫離氫氧鍵，形成遊離的氫離子，然後再與其他的遊離的氫氧根離子結合。這種抱團、撞散、再組合的過程一直都在水的内部動态進行中。

水的所有行為，都是由于水的微觀結構和外部環境共同作用的結果。

簡單的一個流水現象我們就說這麼多。通過對流水現象的分析，我們要記住兩個道理：第一，觀察的角度會影響我們看到的物體運動效果（參考系）；第二、任何一個現象都是系統現象，是内因和外因共同作用的結果。

正是由于這兩個原因，物理學家們在設計實驗的時候，會根據情況選擇不同的參考系，也會在實驗中采用隔離法讓被研究的物理量在實驗中處于可觀察的狀态。比如，在研究自由落體的時候，要在抽成真空的管子裡進行，這樣就可以屏蔽掉空氣阻力的作用，讓重力成為唯一的影響因素。

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