为什么河流总是弯弯曲曲的,就不能是直的吗?

魅力科学君 2024-12-09 19:18:38

在地球上分布着为数众多的河流,尽管这些河流有大有小,长短不一,但它们都有一个共同的特点——从整体上来讲,它们都是弯曲的,这不免会令人困惑,为什么河流总是弯弯曲曲的,它们就不能是直的吗?

要回答这个问题,我们有必要先来了解一个有点反直觉的现象。想象一个场景,你有一个装着茶水的杯子,现在你搅动杯子里的茶水,让其旋转起来,在此之后,你停止搅动茶水的动作,那么请问,当茶水停止旋转之后,茶叶会停止在杯底的边缘区域,还是中心区域呢?

按照我们的直觉来讲,由于茶叶会受到向外的“离心力”,这会促使它们向杯底的边缘移动,因此这个问题的答案应该是杯底的边缘区域,然而实际情况却并非如此,假如你真的做了这个实验,你就会发现,当茶水停止旋转之后,茶叶总是会趋向于停止在杯底的中心区域。

实际上,这也被称为“茶叶悖论”,不过在过去的日子里,科学家已经揭示了其中的原理。

科学家发现,当茶水旋转时,由于杯底和茶水之间存在摩擦力,因此底部的水流速度就会比上层的水流更慢,在这种情况下,当水流在上层被“离心力”推着向杯壁运动时,它们会在重力作用下沿着杯壁向下流动,到达底部后,由于那里的“离心力”较弱,因此水流又会转向中心区域,然后向上流动,从而形成一种“横向环流”。

这种“横向环流”会驱使杯底边缘的茶叶向中心区域移动,由于茶叶的自身重量让它们很难上升茶水上层,因此在茶水停止旋转之后,它们就总是会趋向于停止在杯底的中心区域。

实际上,这种“横向环流”正是河流弯曲的主要原因。大自然中的河流,总是会倾向于直线流动,但由于诸如地形起伏、地转偏向力、地层的裂隙节理断层、河岸生物活动等等外在因素的存在,即使是一条河流原本是直的,它的流动路径也会免不了会因为受到扰动而具备了偏转的趋势。

我们知道,“离心力”其实是一种虚拟力,它的本质是物体惯性的表现,因此这样的情况一旦发生,就会造成河流的一侧产生“离心力”,根据前面我们所讲的“茶叶悖论”所蕴含的原理,在这种情况下,“横向环流”就会产生,如此一来,河流中的水就会形成一种连续的螺旋运动,它们既在其横截面上循环,又在前进方向上流动,为方便描述,我们可以将其称为“螺旋流”。

在“螺旋流”的作用下,河道的一侧会被不断剥蚀,逐渐形成“凹岸”,而剥蚀下来的沙石则会在河道的另一侧堆积,逐渐形成“凸岸”,随着时间的推移,“凹岸”越来越“凹”,“凸岸”越来越“凸”,于是河流也就变得弯曲起来。

需要知道的是,一个弯曲的河道往往会引发另一段弯曲河道的形成,这是因为当水流经过弯曲河道之后,会因为惯性而冲向河岸的另一侧,而在河岸的另一侧的阻挡之下,它们又会具备偏转的趋势,这就可能会导致上述的过程再发生一次,进而形成一个新的弯曲河道。

也正是因为上述原因,我们看到的河流才总是弯弯曲曲的,而不是直的。看到这里,你可能要问了,如果真是这样的话,那一个弯曲的河道,就应该会随着时间的流逝变得越来越弯曲,那当其弯曲到极致的时候,又会发生什么呢?

事实上,当河流的弯曲达到一定程度的时间,就可能发生河流“截弯取直”的情况,在这种情况下,河流会选择取直部位径直流去,而原本弯曲的旧河道就会被“废弃”,在此之后,“废弃”的旧河道就会形成湖泊,由于这种湖泊的形状与牛轭相似,因此它们也被称为“牛轭湖”。

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