《物理马戏团》是吉尔·沃克最知名的著作，已经译成十多种语言，风行世界三十多年，仍持续受到广大读者的欢迎，是物理迷们的顶级手册。《物理马戏团(热力学和流体问题)》共二章节，内容包括让你冰火交融的热学问题、让你冰火交融的液体问题。本书给供物理爱好者阅读参考。

你相信人能赤脚在热炭上行走吗？在寒冷的冬天，为什么热水管比冷水管更容易炸裂？怎么踢出香蕉球？人在糖浆中能游得跟在水中一样快吗？你知道流体向上爬的韦森堡效应吗？

物理并不是那些必须在物理教室里才能解决的问题。物理现象和物理问题每天都在发生，且与我们生活、工作、恋爱、甚至生老病死息息相关。希望《物理马戏团(热力学和流体问题)》（作者吉尔·沃克）能唤起你对物理的兴趣，找到你自己世界的物理马戏团。当你在做饭、搭飞机或只是懒洋洋地趟在小溪边，却开始思索物理问题时用到《物理马戏团(热力学和流体问题)》就值得了。总而言之，请各位以发掘趣味的心情来面对这些问题。

第一章 让你冰火交融的热学问题

1.1 在天花板上赛车002

1.2 真空效应004

1.3 行驶列车的空气动力学005

1.4 塔科马海峡大桥的坍塌007

1.5 建筑的空气动力学008

1.6 风筝 011

1.7 跳台滑雪012

1.8 速降滑雪者的速度 013

1.9 回旋镖014

1.10 如何扔卡片016

1.11 自转的种子018

1.12 飞蛇019

1.13 网球表面的空气阻力020

1.14 沿着人墙改变方向的足球021

1.15 高尔夫球的空气动力学024

1.16 棒球的空气动力学025

1.17 板球的空气动力学027

1.18 鸟的V字形飞翔029

1.19 糖浆中的游泳速度030

1.20 航迹云031

1.21 浴帘为什么向内飘动032

1.22 土拨鼠和巨蚁窝034

1.23 浴缸漩涡035

1.24 咖啡漩涡038

1.25 茶叶聚集，橄榄自旋038

1.26 河流蜿蜒040

1.27 在水中旋转042

1.28 水附着在旋转的鸡蛋上042

1.29 槽中循环水的流动模式043

1.30 运河水位045

1.31 孤立波045

1.32 潮涌047

1.33 潮汐048

1.34 芬迪湾的潮汐049

1.35 死水050

1.36 龙卷风051

1.37 遭遇龙卷风053

1.38 海上龙卷风和漏斗云054

1.39 尘卷风、雾卷风和汽卷风055

1.40 环形涡058

1.41 虹吸和马桶060

1.42 行走于水上的蜥蜴061

1.43 在船上漂浮的铅棒062

1.44 浮棒和敞口瓶064

1.45 坝孔，干船坞065

1.46 飞行员在空中的意识丧失066

1.47 蛇、长颈鹿、恐龙的血液循环067

1.48 蜥蜴类动物会游泳吗068

1.49 恐龙和鳄鱼的胃石069

1.50 康达效应070

1.51 茶壶效应072

1.52 深海潜水之后的上升074

1.53 大象也潜水076

1.54 深海潜水、潜水艇逃生077

1.55 喀麦隆的尼欧斯湖080

1.56 跳房子与乘坐草坪椅飞行的关系081

1.57 中世纪教堂窗户玻璃的流动083

1.58 奇怪的黏液084

1.59 汤的反转现象087

1.60 弹跳的液体流088

1.61 爬上棍子的流体089

1.62 液体线圈089

1.63 水波091

1.64 波涛汹涌、惊涛骇浪091

1.65 海浪冲向海滩093

1.66 通过窄口的波浪094

1.67 波动和晃动095

1.68 鸭子和航空母舰的尾迹097

1.69 冲浪099

1.70 鼠海豚和海豚运动101

1.71 边缘波102

1.72 滩角105

1.73 油与波浪106

1.74 漂浮液滴107

1.75 飞溅的液滴109

1.76 苏打水、啤酒及香槟中的气泡112

1.77 肥皂泡与啤酒泡沫117

1.78 爆裂的气泡120

1.79 鲸鱼和气泡网121

1.80 水黾122

1.81 棒上成珠与唾液线124

1.82 沙漠蜥蜴的雨水蓄集127

1.83 滨鸟的捕食127

1.84 固体表面上的水滴和液膜128

1.85 早餐麦片结合在一起131

1.86 沙堡132

1.87 劣质咖啡的外观134

1.88 酒泪和其他液面游戏135

1.89 添万利的虫状图案137

1.90 热咖啡和其他液体中的图案137

1.91 咖啡污渍中的图案141

1.92 呼吸图形143

1.93 莲花效应144

1.94 蚜虫和液体大理石146

1.95 漆刷、湿头发和浸泡的曲奇饼干147

1.96 油炸土豆148

1.97 鸭子保持干燥150

1.98 土豆切片、鸟屎和汽车151

1.99 弹射的蘑菇孢子152

1.100 水落下时的波浪153

1.101 水钟、水薄片和水链154

1.102 踩踏湿海滩和流沙156

1.103 建筑物和高速公路的坍塌158

1.104 流沙粒效应160

1.105 行人流动和逃离惊慌161

1.106 沙堆及其自我组织流163

1.107 沙漏和筒仓内的流动165

1.108 巴西坚果效应和震荡粉末168

1.109 雪崩气球171

1.110 沙纹和运动172

1.111 沙丘174

1.112 “白龙堆”及其他沙化现象177

1.113 防雪栅栏和风积物178

1.114 雪崩180

1.115 远程山体滑坡181

1.116 岩崩182

1.117 飘动的旗帜和彩带184

1.118 轻飘的喷泉和咆哮的瀑布186

1.119 跳动的喷泉188

1.120 浇注：倒置的啤酒玻璃杯189

1.121 滴水191

1.122 肥皂泡的形状192

1.123 气泡的路径194

1.124 反泡沫195

1.125 竿子拾米196

1.126 投掷铁饼198

1.127 标枪投掷199

1.128 两艘船的聚集201

1.129 电缆和电线的空气动力学201

1.130 冲浪板203

1.131 转弯时的浮力204

1.132 沙洲的波反射205

1.133 雨和波浪206

1.134 盐的振荡器207

1.135 “盐指”和盐喷泉209

1.136 提升的水穿过高大的树211

1.137 水中成排的干草212

1.138 云街和森林防火条214

1.139 包装M＆M糖豆215

1.140 一堆苹果215

1.141 粉末图案216

1.142 液体振荡器218

1.143 油滴在甘油上移动219

1.144 空中的气球220

1.145 弗莱特纳船221

1.146 直布罗陀海峡、墨西拿两岸、西西里岛两岸222

1.147 颗粒飞溅224

1.148 轻轻的脊上流水224

1.149 蜿蜒的细流225

1.150 水上的胡子渣和樟脑驱动船227

1.151 路面上的油渍229

1.152 水滴到甘油上的图案230

1.153 被云母覆盖的水上橄榄油指状物231

1.154 鸡油振子232

第二章 让你冰火交融的液体问题

2.1 死去的响尾蛇236

2.2 探测火的甲虫237

2.3 蜜蜂杀死黄蜂238

2.4 挤在一起的动物239

2.5 不穿宇航服在太空行走240

2.6 液体掉在热锅上和插入熔融铅中的手指241

2.7 可怕的吞咽245

2.8 在热炭上行走246

2.9 解释走火槽的原理248

2.10 即将结冰的水和过冷水249

2.11 吃海冰250

2.12 冷却率和热水253

2.13 水在空中结冰255

2.14 用一桶水来保护储存的蔬菜256

2.15 在果园里喷水防冻256

2.16 将热水泼向很冷的空中258

2.17 冰柱258

2.18 屋檐上的冰坝261

2.19 电线上的不透明冰和透明冰262

2.20 冰钉和其他形式的冰263

2.21 不透明的冰块267

2.22 融化中的冰里的图案268

2.23 冰冻的池塘和湖269

2.24 冰冻的碳酸饮料270

2.25 炸裂的水管272

2.26 触摸或者舔冷水管274

2.27 冬天的隆起物，永久冻土上的冰核丘274

2.28 北极冰多边形277

2.29 花园中生长的石头和有图案的地面278

2.30 犁出的巨石280

2.31 死猫炸弹和冰冻消失281

2.32 雪花的形成282

2.33 滑雪283

2.34 滑冰和做雪球284

2.35 在冰上行走286

2.36 圆顶冰屋287

2.37 雪卷288

2.38 雪崩289

2.39 融雪形成的图案290

2.40 用盐给人行道解冻291

2.41 家庭自制冰激凌293

2.42 喝热咖啡，吃热比萨295

2.43 烧开水296

2.44 煮鸡蛋298

2.45 在炉子上或者火焰上做饭299

2.46 用篝火做饭301

2.47 做比萨303

2.48 在微波炉中加热304

2.49 炸爆米花308

2.50 炒鸡蛋309

2.51 间歇喷泉和咖啡过滤器310

2.52 玩具噗噗船313

2.53 热的长度效应314

2.54 铁路油罐车的损坏316

2.55 晾干悬挂的衣物317

2.56 温暖的大衣318

2.57 热植物320

2.58 北极熊的毛321

2.59 沙漠中的黑色袍子和黑绵羊321

2.60 咖啡的冷却速度323

2.61 用多孔陶瓷来冷却水325

2.62 鞠躬鸟326

2.63 巨大的鞠躬鸟328

2.64 热管和土豆签330

2.65 雾蒙蒙的镜子331

2.66 眼镜上凝结的水333

2.67 在干旱的地区收集水335

2.68 湿泥干裂337

2.69 飞机上膨胀的果汁罐339

2.70 膨胀的气泡和气球341

2.71 在高海拔地区制作蛋糕344

2.72 隧道中的香槟345

2.73 卡在瓶子里347

2.74 冬天的打雷347

2.75 烟囱的羽状烟348

2.76 烟信号和蘑菇云351

2.77 壁炉里的火353

2.78 蜡烛的火焰356

2.79 喷射大火359

2.80 食用油燃烧361

2.81 灌木丛大火和森林大火362

2.82 风暴性大火363

2.83 护堤和建筑物的温度调节364

2.84 温室或者封闭轿车的热度366

2.85 热岛367

2.86 橡皮圈热力学368

2.87 焚风和切努克风370

2.88 沸腾水的考验371

2.89 加热房间的能量372

2.90 冰室的方位373

2.91 辐射计玩具和它的逆过程374

2.92 水井和风暴375

2.93 昆虫和虾组成的烟376

1．1在关花板上赛车

当一辆赛车转过国际汽车大奖赛赛道上的水平弯道时，完全依靠摩擦力保持它在赛道上的平衡。然而，如果车辆行驶速度过快，摩擦力就会失效并导致车辆滑出弯道。在早期，车辆转过水平弯道的时候一定得要小心慢驶。但是现代的赛车经过精心设计，车身紧紧向下压向赛道，轮胎因此具有了很好的抓地力。事实上，这种向下的压力被称做负升力，它的力量非常大，因此有些车手甚至扬言，他们能够头冲下让赛车沿着长长的天花板行驶。是什么导致负升力的产生呢？而一辆赛车真的能像在好莱坞科幻电影《星际战警》第一部中表演的那样，头冲下在天花板上行驶吗？

当计时赛中只有一辆车单独行使并完成转弯动作的时候，负升力才是可信的。但是一名经验老到的车手却知道在赛车行驶过程中负升力会消失。究竟又是什么让负升力消失的呢？

答案：赛车承受的大约70％的负升力，是由于一个或多个风翼使经过的气流上升形成的。其他的负升力被称为地面效应。它们与汽车底部的气流有关。赛车行驶速度越快，这两种负升力就越大。在国际汽车大奖赛中，赛车往往都以高速行驶，这时车子承受的负升力要大于重力。因此，如果赛车想要从普通赛道开上天花板(而不减速)，这个处于颠倒状态的负升力就将大于并抵消向下的重力，车手确实就能像在《星际战警》中表演的一样头冲下开车了。

地面效应是由经过车底收缩的气流形成的。当气流被挤进车底狭小的通道时，速度提高的同时压力的消耗也增加了。因此车底部的压力要比上部的小，压力差就将车子压向跑道。在比赛中。赛车手可以紧跟前车来减小空气阻力，这种技巧被称做“真空效应”。然而，头车扰乱了该车底部气流的稳定性，消除了它的地面效应。如果该车没有预计到地面效应的消失并相应减速，那么它滑出跑道冲向墙壁就是不可避免的了。

美国通用公司的查普雷2J赛车，是赛车更早期利用地面效应的赛车之一。它有两个风扇，能够吸收从车前端开放入口处进入的空气。车两侧的裙脚紧贴地面，能够防止空气从两侧进入气流中。车子底部的低压能让它保持在快速转弯的时候不会偏离车道，从车子风扇里排出的气流降低了车尾部形成的气旋，并减小了施加在车体上的空气阻力。由于上述原因，导致了车子在直道上行驶时速度较快，且在转弯时也无法被超越。这个设计实在是好过头了，因此，它被禁止在赛车时使用。

1．2真空效应

在各种不同的赛车活动中，赛车手会利用其他赛车制造的“真空效应”，要完成这个技术动作，一辆车几乎要直接贴在前车的后边。很明显，这个动作十分危险，但车手们能从中得到什么好处呢？

答案：尽管车辆在设计时都考虑到了空气动力学的因素，但赛车时车子还是会遇到诸多的阻力。其中一种就是车头与车尾之间的压力差。在车头处，空气的不断撞击形成了高压。在车子尾部。气流破碎产生了气旋，从而减小了压力。因此，车子头尾两端的压差降低了行车速度，车子要保持高速就必须消耗更多的燃料。

如果一辆车在另一辆车之后行驶，两辆车都会得到好处。后车扰乱了前车尾部气旋的形成，而使前车两端的压差会相应减小。后车前部的空气撞击也会减少，同样地它前后的压差也会减小。  后车车手可以利用“弹弓超车”超越前车：后车车手稍稍退后，与前车拉开一定距离，让前车能够产生气旋。低压气旋能够降低前车的速度，并把后车向前推动。只要准确地把握时机，后车车手就能够加速冲进气旋区然后冲至U前车的边上。

据报道，在1960年美国全国汽车比赛协会的戴托纳500比赛中，小约翰逊成为赛车史上首次利用了这项空气动力学技巧的赛车手。尽管人们认为他的车子速度要慢于其他车，他依然赢得了这场比赛。

真空效应还常被用于其他比赛，例如，自行车赛。这种技巧也受到了动物的青睐，例如，鹅妈妈带领小鹅游过池塘的时候会让它们排成一条直线跟在她的身后。当然了，因为它们移动的速度很慢，所以不用担心空气动力学的问题，但是由于母鹅打头平息了波浪，小鹅们仍然从中得到了很大的好处。P2-5

1968年的一个漆黑枯燥的夜晚，我的脑海中出现了“物理（飞行）马戏团”，那时我还是马里兰州大学的一名研究生。是的，事实上，对于大多数研究生来说几乎所有的夜晚都是漆黑枯燥的，但我想说的是那天晚上格外的漆黑枯燥。当时我是一名全职助教，那天早些时候我给我的一名学生莎朗出了一个测试题。她的题答得很差，最后却反过来质问我，她说：“这到底跟我今后的生活有什么关系啊？”

我跳起来对她说：“莎朗，这是物理！它跟你生活的方方面面都有关系！”

此时，她转过身子面向我，眼睛盯着我，用紧绷的声音和有节奏的语速对我说：“那你给我举出些例子。”

我想了半天一个也没想出来。学了六年物理，我竟然连一个例子都举不出来。

那天晚上我突然意识到，我面对的问题和莎朗一样：这个叫做物理的东西是人们在物理实验室里研究的，与莎朗（或者我）的现实生活却没有什么太大的关系。于是，我决定要搜集一些现实生活中的例子，而且为了吸引莎朗的注意力，我给这一系列的合集起了一个名字叫“物理（飞行）马戏团”。通过日积月累，我逐渐充实了这个合集。

很快，人们就来找我要《物理（飞行）马戏团》材料的副本了，一开始是莎朗班上的同学，然后是我的研究生同窗，接着一些老师也来要材料。在马里兰州大学的物理系把我的这份材料印制成“技术报告”后，我与“约翰威利”出版社签订了图书出版合同。

1975年，《飞行马戏团》出版了；在1977年我又进行了修订。从那以后，这本书被翻译成11种语言在世界各地出版。本书是《物理马戏团》的第二版，已经重新进行了编写和设计。

我刚开始编写《物理（飞行）马戏团》的材料的时候，只能通过一页一页地翻看几十种期刊，寻找与本书相关的论文。诚然，我那时把这件苦差事比喻成在一座贫瘠的山腹里寻找金子——这金子既稀少也难以寻得。

如今，每年有数百篇可能与《物理（飞行）马戏团》有关的文章发表，在我看来这就像是找到了一座大金矿。现在，我再也不局限于在那几十本期刊上寻找资料了；而是直接查阅400种期刊，同时用搜索引擎整理其他的几百种材料。大多数时间我只需坐在电脑前轻松地用手指敲敲键盘。我希望莎朗能够看到我找到的这些有趣的东西。通过我的这些工作，你们将会发现物理“和你的生活有千丝万缕的联系。”

物理飞行马戏团网站

请你进入www.flyingcircusofphysics.com网站查找与本书相关的内容：

超过10000篇与自然科学、工程学、数学、医学和法学有关的引用资料。这些资料根据图书种类进行分类并已标明难易程度。

物理飞行马戏团名称的由来

根据早期那些玩命飞行员令人毛骨悚然的飞行特技表演，我给最初的材料合集命名。我认为这样的飞行表演一般被人们称为“飞行马戏团”，而我也希望那些铤而走险的飞行员形象能够吸引一些人来读我的作品。

据我了解，飞行马戏团最早是指乘火车四处巡演的马戏团，后来又有一架德国飞机被人们以这个名称命名，它因飞行如马戏表演一样惊心动魄而得名，并和驾驶它的著名德国飞行员红色男爵著称于世，红色男爵在第一次世界大战期间将他的飞机涂成血红色，威慑他在空中的对手。

我采用飞行马戏团这个名字一年后，戏剧表演团蒙提派森（也称“蒙提巨蟒”）的飞行马戏团也在英国崭露头角。那年，这个名字应该已经在大西洋两岸流行起来了。（不过，“死鹦鹉”的搞笑段子可完完全全是蒙提派森原创的。）  参考书目

所有引用资料都已列入物理飞行马戏团的网站，这些资料根据图书种类进行分类并已标明难易程度。该网站包含超过10000篇引用资料。

请把你们的资料发给我

我非常希望收到读者对本书的更正、评价、新点子及各种引用资料。如果您想给我发来引用资料，希望您能发给我全文而不是缩写，还有该资料完整的页码。但如果无法做到这些，即使是一个片段也能引起我的兴趣。如果您能给我寄资料的复印件或者网址就再好不过了。

我基本上不将网址列入引用资料，因为我不能保证时时检查网站是否依然还在运营。

我是全职的老师，也是本书全职的作者，还要投入双倍的时间完成物理学基础的教科书的写作工作。我的时间真的很紧张，而且精力也有限。所以，请谅解我不能回答每一封来信和每一条留言。

关于克利夫兰州立大学

如果你想到一所可靠并且是中等规模的大学上学，那么你可以选择来坐落在俄亥俄州克里夫兰的克利夫兰州立大学（www.csuohio.edu）。我已经在这里教了30年的书了，而且还没有要隐退的打算（尽管我听说自然规律最终会让我退休）。我就是这么一个在一间小小办公室里工作，身边堆满各种研究论文，在电脑键盘上敲敲打打赶在截稿日前拼命赶稿的家伙。

关于教科书

本书适合的读者应学习过小学的初级物理或物理科学课程，如果你想配合本书阅读一些物理教科书，那么我向你们作如下推荐：

《万物如何运转：日常生活中的物理知识》，作者是路易斯A，（由约翰威利出版社出版），在介绍物理学的过程中没有辅助任何数学原理；

《物理学》，作者是约翰D卡特奈尔和肯尼斯W约翰逊（由约翰威利出版社出版），在代数知识的基础上介绍物理学；

《物理学基础》，作者是戴维哈利迪、罗伯特雷斯尼克和吉尔沃克（由约翰威利出版社出版），在微积分知识基础上介绍物理学。

致谢

我需要感谢很多人，因为每当我认为“一切希望都将破灭的时候”他们会站出来鼓励我，当然这只是其中一部分原因。另外也是因为许多人在我完全痴迷于工作和了解我“每天都要工作得像活不到明天一样！”的想法时对我的宽容。

吉尔沃克和玛莎沃克（他们是我的父母，在我还是十几岁时，他们肯定曾经度过无数个不眠的夜晚，担心我的未来），鲍勃飞利浦（我的高中数学和物理老师，是他为我开启了通往新世界的大门），费尔迪拉沃尔（他把我带进教师这一行），乔雷迪希（他在将《物理飞行马戏团》的原稿作为马里兰州大学物理系的技术报告刊发时帮了我很大的忙），费尔莫里森（他是第一个鼓励我出版飞行马戏团的人，随后还在《科学美国人》杂志上为我的书写了一篇精彩的图书评论，这也许就是我在此后的13年中一直为这本杂志写“业余科学家”专栏的原因），丹尼斯弗兰纳甘（他是《科学美国人》的编辑，是他录用了我并给予我多年的指导），唐纳德狄耐克（20世纪70年代约翰威利出版社的物理图书编辑，他给了我《物理（飞行）马戏团》的第一份合同），卡尔卡斯伯和伯纳德哈默麦希（他们为了我的写书工作着想，特意聘用我作克利夫兰州立大学的助理教授），戴维哈利迪和罗伯特雷斯尼克（是他们允许我在1990年接过《基础物理学》教科书编写的接力棒），艾德米尔曼（是他教会我如何写教科书），玛丽珍桑德斯（她是克利夫兰州立大学的校长，是她建立起了这样一个活跃的学术气氛让《物理（飞行）马戏团》得以完成，她还用批判的眼光评论了本书的许多篇手稿），斯图尔特约翰逊（约翰威利出版社的物理图书编辑，他指导我完成这本书及此后各版次的《物理学基础》），卡罗尔西泽尔（她通读了本书的手稿，并对很多内容做出了必要的修改），玛德琳莱瑟（本书的设计师），伊丽莎白斯维恩（约翰威利的图书制作编辑，负责制作编辑本书），克里斯沃克、希瑟沃克和克莱尔沃克（我长大了的孩子们，是她们容忍我痴迷于我的写作和我对她们一直以来的唠叨），帕特里克沃克（我正在成长中的孩子，他不仅容忍我常年在地下室工作，还教会了我如何在攀岩馆里对付岩壁上那些突起的小点），还有（最最重要的）玛丽格里克（我的妻子，她为本书贡献了许多好的想法，而且每次在我大喊“所有希望都破灭了！”的时候都会鼓励我继续走下去）。

物理就在：

第一次约会时；

酒吧里；

一架航班上；

洗澡和上洗手间时；

整理庭院时。