都江堰好文章.doc

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1、都江堰是一个伟大的工程，一个经历了时间考验的工程。相关解说已经很多；不过一些颂扬文章似乎稍欠准确，而许多学术著作或许略嫌高深——李冰想来也不能看懂啊。因而斗胆介绍些力学概念，做几句浅显的解说；欠妥、错误之处，还请大家批评。左侧为内江，水从底部宝瓶口流出，飞沙堰完全出露；外江现已建闸控制，并新凿引水渠道。分水堤似鱼,前端称为鱼嘴.背景都江堰市曾受汶川地震重创,而都江堰及相关旧时建筑(参见李轻舟博士的博文照片)没有损坏.1 力是物体间相互作用，可分为体积力和面力体积力指一定体积或质量的物体所受到的力，如重力即地球对物

2、体的引力。又，火车启动时悬挂物体向后偏斜：绳子拉力与物体重力的合力使其向前加速；不过，车上看来物体静止，可认为火车向前加速产生向后的“惯性力”，其大小与质量成正比：惯性力与绳子拉力、物体重力平衡。人在公交车上最好以丁字步站立，且侧身面向前方以应对惯性力。绳子拴系沙包旋转，需要向内拉力使速度方向改变；或称沙包旋转产生惯性力即离心力，与人手拉力平衡。若绳子拉断，沙包不是沿着绳子方向离心而去，却是沿着速度方向即切向而去——没有力，速度就不发生改变。面力是作用在面积上的力，可分解为正压力和剪切力。前者与作用面垂直，后者沿

3、着作用面。流体不能抵抗剪切力——浮在水面的木片，只要有水平拉力，就可以使下方的水体与其一起运动。静止流体内只有正压力，且数值不随方向变化——船底有洞水就上喷。 2 流体中压力随深度线性增加在流体中取一个柱体，做力平衡分析，上下面受力差异就是柱体水的重量。面积都是相同的，因而压力差与就与高度差成比例；当然，同一高度流体的压力相等。面力的变化是体积力的累积。一个大气压约1.0kg/cm^2，即1cm^2的水平面堆积到无穷高的空气重1kg，相当于10m水柱。地表附近空气密度约是水的1/800；因而800m深矿井压力增加

4、1m水柱。又，空气密度随压力即高度而变化，气压随高度上升并非线性减小，但测量气压可算出高度。火车加速时，水箱里的水将受到水平方向的惯性力；水面倾斜，与悬绳垂直。火车上的“视重力”就是沿着悬绳方向。压力沿深度的增加与重力加速度成比例，而沿水平方向增加与火车加速度成比例（见上图）。圆桶内水旋转而产生离心力，单位质量的离心力与半径成正比，水表面将成为抛物面。沿半径方向压力因离心力累积而增加，沿深度方向压力因重力累积而增加。 3 流动的阻力流体具有黏性，因而(1)流体与固体接触处速度总是相同而没有分离和滑移：管道内水流速

5、度中间最高而管壁处为零，河岸及河底水速为零；(2)流体若在垂直于运动方向有速度变化，则相互之间就会有粘性摩擦。粘性摩擦使得流体的流动产生能量损失。势能（高度）、动能（速度）和压力都是能量，其总和随流动而减小，即流动需要克服阻力。流动速度的大小或方向的改变引起局部阻力损失，随着流动距离增加产生沿程阻力损失；两者均与流速相关。深夜用水较少，家中自来水压力就高。又，若减少水管出口面积，则出口阻力增大，水流量将减小，因而水达到出口过程的能量损失就小，即出口处压力增高，喷出速度可能增加。此外，水暖总是用较粗的管道将热水先送

6、至顶楼而后再向下分送：管道较粗，阻力损失较小，所需能量或压力主要是克服重力势能；而向下分送，正好利用重力势能克服流动阻力。河底可能高低变化，但水面高度总是降低：水体损失势能而克服流动阻力。河流断面缩小则局部阻力增大即能量损失增大，引起上游水位提高、水面坡度变缓即壅水，其范围随流量而增加；水深加大、河面增宽而流速减小，沿程阻力降低即能量损失降低，且引起水中沙石沉积。水库是最显著的壅水，其尾端淤积会抬高水位且逐渐向上游扩展。 4 河道的弯道河流弯道的水面也因水流离心力而在凹岸偏高、凸岸偏低。不过，河底宽度减小、水体速

7、度较小，因而离心力较小；水体压力的不平衡而产生环流。显然河流会对凹岸进行冲刷，而环流会把水体中的泥砂输送到凸岸而聚集，凹岸成槽而凸岸成滩。土质堤岸的平原河流因之不断变化而蜿蜒曲折。蜿蜒河流的总长可达直线距离的3倍呢。这也为用水提供了便利。凹岸冲刷成槽而凸岸淤积成滩会持续发展，因而得在河流凹岸引水、建港，而在凸岸种地、建房。当然，大洪水出槽之后也会对一些河曲裁弯取直。平原地区持续抬升，河流将下切，一旦嵌入岩层则形状不再显著变化。河流蜿蜒于山间，接纳雨水，也使得水面坡降变缓。 5 都江堰的布置都江堰不是一天建成的。李

8、冰在公元前250年从岷江引水，当然要寻找合适的地点开渠——玉垒山位置较高且山体较薄。据说以火烧水激的方式开出长80m、宽20m的导流渠即宝瓶口（图中右下角）。这是一个艰巨的工程——开挖深度达到40m呢。开渠之后遇到的问题想来是，非洪水季节水量较小；而增加导流渠的宽度是困难的，渠道过宽也难以应对沙石俱下的洪水。通常的方法是筑坝拦河以提高水位；不过，只要看到洪水夹石带砂而下，