探秘河底“吃人”的“元兇”

林萬(wàn)豪 孔維嘉 林秋雨

我們村村委附近有一條那郊河。有一年暑假，村里幾個(gè)小孩私自下那郊河游泳，差點(diǎn)發(fā)生溺水事故，幸虧河流附近的村民及時(shí)發(fā)現(xiàn)并施救，才避免了一場(chǎng)災(zāi)難的發(fā)生。上岸后，一個(gè)小男孩一邊發(fā)抖一邊說(shuō)，一開(kāi)始河水很平靜，但游經(jīng)某個(gè)地方時(shí)，突然感覺(jué)有一股力量把他往下拉，他一下就慌了神，于是趕緊呼救。聽(tīng)到這件事，我們都產(chǎn)生了一個(gè)共同的疑惑：為什么會(huì)這樣？河底是不是存在什么秘密？

回到學(xué)校后，我們與科技老師討論了村里發(fā)生的這件事。老師仔細(xì)詢問(wèn)了河道的周邊環(huán)境和近幾年那郊河周邊發(fā)生的變化，當(dāng)聽(tīng)到說(shuō)前幾年有村民在河里抽沙時(shí)，老師說(shuō)，抽沙會(huì)造成河床深淺不一，可能會(huì)留下深坑，而深坑會(huì)導(dǎo)致水流分層并形成漩渦，如果人在此區(qū)域游泳，極易發(fā)生溺水事故。老師建議我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這個(gè)問(wèn)題，或許能夠找到河底“吃人”的“元兇”。

探究河道的水流實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)討論，我們決定制作一個(gè)模擬河道，以探究河道的水流問(wèn)題。一開(kāi)始，我們用一個(gè)1米長(zhǎng)的長(zhǎng)條形紙盒做水槽，作為河道模型，用透明的玻璃杯模擬河底深坑，在紙盒底部中間挖一個(gè)與玻璃杯杯口直徑相當(dāng)?shù)膱A孔，用膠水把玻璃杯固定在圓孔處。為了防止紙盒被水泡壞，我們?cè)诩埡斜砻嫣琢艘粚铀芰夏?，并用燕尾夾做好固定，防止塑料膜在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中移位。但經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紙盒不夠堅(jiān)固，效果不理想，為此我們換用PVC材質(zhì)的雨水槽來(lái)模擬河道。

水槽一端放置潛水泵另一端開(kāi)孔連接水管。先在水槽內(nèi)放滿水，再打開(kāi)潛水泵的開(kāi)關(guān)，讓水槽內(nèi)的水形成穩(wěn)定的水流。為了模擬物體經(jīng)過(guò)河底沙坑時(shí)的現(xiàn)象，一開(kāi)始我們用紙屑代替物體。當(dāng)水流動(dòng)時(shí)，紙屑隨水漂動(dòng)，經(jīng)過(guò)模擬沙坑時(shí)，觀察紙屑的位置變化和運(yùn)動(dòng)情況。經(jīng)過(guò)幾次實(shí)驗(yàn)后我們發(fā)現(xiàn)，紙屑太輕，不一定每次實(shí)驗(yàn)都能沉底，于是為了讓實(shí)驗(yàn)效果更明顯，我們把紙屑換成了更重一些的塑料小球。

為了探究河道里不同位置、不同深度的水流速度，我們用小型葉輪電機(jī)連接一個(gè)靈敏電流表來(lái)進(jìn)行測(cè)量，用電流的大小來(lái)大概判斷流速的大小。（由于我們沒(méi)有測(cè)量水流流速的專用儀器，所以只能根據(jù)電流大小判斷水流流速的大致大小，水流速大則電流大，水流速小則電流小。）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們得到如下數(shù)據(jù)。

從以上兩個(gè)表中我們可以發(fā)現(xiàn)，水的流速在中間層最快，在水面較慢，而水底的流速與河道情況有關(guān)：越近河底，水流速越慢；在同一水層，水底有坑的地方的流速比沒(méi)有坑的地方的流速快些；在同一深度的地方，離岸近，水流速慢，河流中間流速最快。

解釋物體被吸入河底沙坑的現(xiàn)象

經(jīng)過(guò)觀察，我們看到了塑料球隨河水流動(dòng)而流動(dòng)，當(dāng)塑料小球流經(jīng)玻璃杯杯口上方時(shí)，會(huì)慢慢沉入杯中并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，接著從靠近杯壁的地方旋轉(zhuǎn)上升。塑料小球的不同狀態(tài)，說(shuō)明水流經(jīng)河底沙坑的時(shí)候，水流的流層變化與河底沙坑水的流速變化共同作用形成了漩渦，從而造成漩渦中部流速快、壓強(qiáng)小，靠近杯壁周圍流速慢、壓強(qiáng)大，進(jìn)而形成向下的負(fù)壓區(qū)，最終導(dǎo)致塑料小球被卷入杯底。

根據(jù)流體力學(xué)原理，在平整的河床里，水流動(dòng)時(shí)，離岸越遠(yuǎn)，流速越快；離河底越近，流速越慢。這就形成河水分層流動(dòng)，水產(chǎn)生向上的托力。而一旦遇到河底有深沙坑，水流的流層就會(huì)被改變，沙坑上方水的流速比周圍流速要快，形成一個(gè)壓力向下的水域。當(dāng)物體流經(jīng)此區(qū)域時(shí)，就會(huì)比四周區(qū)域下沉更深，再加上水底漩渦的作用，該水域就變得復(fù)雜而詭異。

綜上所述，在河里游泳容易發(fā)生溺水事故的“元兇”是水域河底情況復(fù)雜，流速變化不定，如果河底有沙坑，那么該處易形成漩渦并產(chǎn)生向下的負(fù)壓區(qū)，也就容易出現(xiàn)文章開(kāi)頭小男孩講述的經(jīng)歷。此外，我們也不能忽視人在面對(duì)突發(fā)狀況時(shí)身體所發(fā)生的變化，如易產(chǎn)生驚慌焦慮心理、失去對(duì)身體的控制能力、因驚慌而浪費(fèi)體力，最終錯(cuò)失自救機(jī)會(huì)。

但防溺水最根本的方法還是要對(duì)中小學(xué)生進(jìn)行安全教育，堅(jiān)決執(zhí)行防溺水“六不準(zhǔn)”：不準(zhǔn)私自下水游泳，不準(zhǔn)擅自與他人結(jié)伴游泳，不準(zhǔn)在無(wú)家長(zhǎng)或老師帶領(lǐng)的情況下游泳，不準(zhǔn)到無(wú)安全設(shè)施、無(wú)救護(hù)人員的水域游泳，不準(zhǔn)到不熟悉的水域游泳，不準(zhǔn)不會(huì)水性的學(xué)生擅自下水施救。

（本項(xiàng)目獲2021年廣西青少年科技創(chuàng)新大賽中學(xué)生科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，指導(dǎo)老師為徐華、鐘強(qiáng)、陳源侃。）

欄目責(zé)編：韋 力