#为什么在平原的河流却会不停拐弯#
为什么地势平坦，河流却弯弯曲曲？
爱因斯坦1926年在普鲁士科学院宣读了一篇文章，
题目译作：“河道蜿蜒的成因和拜尔定律”。
此文发表于德文期刊《自然科学》（Die Naturwissenschaften , Vol. 14, 1926）
没找到德文原文，英文标题如图：
Einstein，1926
水流往往会弯弯曲曲地前进， 而不是沿着坡度最大的线下降，这是常见的自然现象。
河流并非一开始就这么弯，而是逐渐变弯·····弯的。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
河流们经历了什么？
高中地理告诉我们：北半球的河道右侧往往侵蚀得比较厉害， 而南半球的河道则相反。
这是地球自转偏向力的原因，即科里奥利力效应，也就是拜尔定律。
因此，有人会把河流弯曲的成因，仅仅归结为地球自转偏向力所致，这是种误解。
目前的共识是：
在一定条件下（河道局部弯曲、地球自转偏向力等），河道两侧和顶底的水流速度差异（摩擦力所致），导致水流在河道横截面，产生横向环流，造成两岸侵蚀程度不同，通常表现为一侧堆积，一侧侵蚀，以致河道越来越弯曲。
需要说明的是，由于水流沿着河道径向流动，这个横向环流在空间上表现为螺旋环流。
Hamblin, 2003，Earth Dynamic Systems (10th Edition)
这只是一种描述性地解释，
那么这其中涉及的因果关系到底是什么呢？
横向环流是如何产生的呢？
爱因斯坦通过力学分析，做了解答。
爱因斯坦举了一下小例子来讨论这种圆周运动——横向环流。
这个例子被称为茶叶悖论。
一个装满茶水的平底杯，杯底散聚有茶叶。
如果用勺子搅拌茶水， 会出现这样的现象：
起初，杯中的茶水几乎会像整体性地旋转，并带动底部的茶叶一起运动；
然而，随着搅拌的继续，茶叶很快会聚集在杯底中心。
茶叶聚集在杯子底部的中心，即使周围的茶水中仍有漩涡翻滚，它们也几乎维持静止。
茶叶悖论与二次流
这种现象的原因如下：
液体的旋转产生离心力，液体在杯壁附近还受到摩擦力，
因此杯壁附近水流的旋转角速度，会比中心附近的水流更小。
特别是， 底部附近的旋转角速度和离心力会比高处更小。
结果就是， 液体会做下图所示的圆周运动。
Einstein，1926
它会继续增加， 直到在杯壁摩擦的影响下趋于停止。
茶叶被圆周运动扫到杯子中心， 可以证明这种圆周运动的存在。
这个过程在流体力学中被称为：“二次流”：
二次流是一种复杂的运动，是对初始的搅动的响应，二次流会沿着圆柱形的杯壁向下流动，在杯子的中央部分向上流动。
可见，在离心力和摩擦力的共同作用下，会产生这种圆周运动。
同理，弯曲的河流也会发生类似的事情。
要产生这个离心力，河道需要一个起始的弯曲，
这可以由很多因素造成，例如：岩性差异、构造差异、地形因素、生物原因等等。
在弯曲河道的任一横截面处， 都有一个离心力，
朝着曲线外侧的方向（从A到B） 起作用（如下图）。
Einstein，1926
这个力，在河道底部附近要小于高处，
因为底部附近的水流速度因摩擦而减小。
这便产生了上图（右图）所示的那种圆周运动。
其实，不一定非要是离心力，只要是一个垂直于水流方向的力就行。
因此，由于地球的旋转， 即使河道没有弯曲，这种圆周运动也仍然会发生， 只不过规模较小。
地球的旋转会产生一个与水流方向垂直的力——科里奥利力，
其向右的水平分量，是每单位流体质量：2vΩsinΦ，
其中v 是水流的速度，Ω是地球旋转的速度，Φ是地理纬度。
由于河底摩擦导致这个力朝底部减小， 所以这个力也产生了这种圆周运动。
如上，我们解释了横向环流的成因。
但这仅仅是解释了河道中水流的规律，还没有真正涉及到河道弯曲的原因，
显然，河道弯曲是差异侵蚀作用的结果。
这我们需要注意水流横截面的速度分布， 它对于侵蚀起着决定性的作用。
因为在相同条件下，水流速度越快，侵蚀作用越强；
无论这种侵蚀依赖于力学因素还是物理–化学因素（如岩石、沉积物的溶解），情况都是如此。
因此， 我们必须着眼于影响河岸处流速梯度的因素。
为此，我们必须先知道河流中的（湍流）速度分布是如何产生和得到维持的。
首先，如果河道中此前静止的水，突然被一个均匀分布的加速力启动，
那么横截面上的速度分布起初将是均匀的。
但在河岸摩擦的影响下，
将会逐渐形成一个从河岸朝着横截面中心逐渐增加的速度分布。
原本在横截面上（大体上） 定态分布的速度，会在河流摩擦的影响下被逐渐搅乱。
W. W. Norton ; Robert Rauber，Earth Science[M], 2017.
流体动力学以如下方式描述了这个静态速度分布的建立过程：
在平面流的情况下，所有涡线都集中在河岸上。
它们分离开来，朝着水流的横截面中心慢慢移动，分布于一个厚度不断增加的层上。
河岸处的速度梯度因而逐渐减小。
在液体内摩擦的作用下，水流横截面内部的涡丝被逐渐消耗，并且被河堤处形成的新的涡丝所取代， 这样便产生了一种准静态的速度分布。
W. W. Norton & Robert Rauber，Earth Science[M], 2017.
重要的是，获得静态速度分布是一个缓慢的过程。
这就是为什么许多并不太明显的、却一直在起作用的因素，能对横截面上的速度分布产生很大影响。
现在我们考虑一下，因河道弯曲或科里奥利力所引起的圆周运动，会对河流横截面上的速度分布产生什么样的影响。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
运动最快的水流距离河岸最远，也就是说在河道底部中心的上方。
以上图A为例，（为看图方便，下文的左右指的是图面的左右，而非以河流东方向判断的左右）
圆周运动将会驱动河水速度最快的部分，朝右岸移动，
而左岸则会接收来自底部附近的速度特别低的水。
因此上图A中的情况下，对右侧的侵蚀必然比对左侧更强。
应当注意，这种解释本质上基于这样一个事实：
即河水缓慢的圆周运动会对速度分布产生相当大的影响，
因为通过内摩擦（抵消了这种圆周运动的后果）所做的速度调整也是一个缓慢的过程。
如上，我们已经揭示了河道蜿蜒的成因。
由这些事实不难推出一些细节。
侵蚀不仅在右岸较强，而且在底部右半边也比较强，因此往往会形成下图所示的轮廓。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
此外， 由于表面的河水将来自左岸，因此尤其在左侧，河水移动得不会像更深的河水那样快。
事实上， 这个现象已经被观察到了。
还应注意，圆周运动具有惯性。
因此，它只有在弯曲最大的地方以外才能达到最大，当然，这也适用于侵蚀的不对称。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
因此在侵蚀过程中，河道弯曲形成的波浪线必定沿着水流的方向前进。
最后，河流的横截面越大，圆周运动被摩擦消耗得就越慢。
因此，河道弯曲形成的波浪线会随着河流横截面的增加而增加。
总之，
在河道局部弯曲或地球自转偏向力的作用下，会产生一个垂直与河道的力，
加上河岸和河床的摩擦力，会形成横向环流（螺旋环流），
河流不同位置流速不同，导致两岸侵蚀程度不同，
通常表现为一侧堆积，一侧侵蚀，
随着时间的推移，侵蚀差异越来越大，河道便越来越弯曲。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
值得一提的是，
蜿蜒的河曲通常发育在平坦的下游地区
这已经是河流的暮年阶段，
扭曲的形态，像镌刻入大地的皱纹。
它们似乎不想这么快告别陆地，
而是尽可能地多绕点弯路，
多留恋一会，
这最后的、自由流动的时光。
因为，百川入海后，
谁还会记得每条河流本来的样子。
（PS: 为避免造成误解，特此说明：曲流河并非只发育在下游的平原，在中-上游，很多地形平坦的高原，同样可以发育河曲，例如若尔盖大草原等。）
Essentials of Geology[M], 13th Edition-Pearson , 2016.
世界主要自由流动河流全家福（Grill，2019，Nature）。
为什么地势平坦，河流却弯弯曲曲？
爱因斯坦1926年在普鲁士科学院宣读了一篇文章，
题目译作：“河道蜿蜒的成因和拜尔定律”。
此文发表于德文期刊《自然科学》（Die Naturwissenschaften , Vol. 14, 1926）
没找到德文原文，英文标题如图：
Einstein，1926
水流往往会弯弯曲曲地前进， 而不是沿着坡度最大的线下降，这是常见的自然现象。
河流并非一开始就这么弯，而是逐渐变弯·····弯的。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
河流们经历了什么？
高中地理告诉我们：北半球的河道右侧往往侵蚀得比较厉害， 而南半球的河道则相反。
这是地球自转偏向力的原因，即科里奥利力效应，也就是拜尔定律。
因此，有人会把河流弯曲的成因，仅仅归结为地球自转偏向力所致，这是种误解。
目前的共识是：
在一定条件下（河道局部弯曲、地球自转偏向力等），河道两侧和顶底的水流速度差异（摩擦力所致），导致水流在河道横截面，产生横向环流，造成两岸侵蚀程度不同，通常表现为一侧堆积，一侧侵蚀，以致河道越来越弯曲。
需要说明的是，由于水流沿着河道径向流动，这个横向环流在空间上表现为螺旋环流。
Hamblin, 2003，Earth Dynamic Systems (10th Edition)
这只是一种描述性地解释，
那么这其中涉及的因果关系到底是什么呢？
横向环流是如何产生的呢？
爱因斯坦通过力学分析，做了解答。
爱因斯坦举了一下小例子来讨论这种圆周运动——横向环流。
这个例子被称为茶叶悖论。
一个装满茶水的平底杯，杯底散聚有茶叶。
如果用勺子搅拌茶水， 会出现这样的现象：
起初，杯中的茶水几乎会像整体性地旋转，并带动底部的茶叶一起运动；
然而，随着搅拌的继续，茶叶很快会聚集在杯底中心。
茶叶聚集在杯子底部的中心，即使周围的茶水中仍有漩涡翻滚，它们也几乎维持静止。
茶叶悖论与二次流
这种现象的原因如下：
液体的旋转产生离心力，液体在杯壁附近还受到摩擦力，
因此杯壁附近水流的旋转角速度，会比中心附近的水流更小。
特别是， 底部附近的旋转角速度和离心力会比高处更小。
结果就是， 液体会做下图所示的圆周运动。
Einstein，1926
它会继续增加， 直到在杯壁摩擦的影响下趋于停止。
茶叶被圆周运动扫到杯子中心， 可以证明这种圆周运动的存在。
这个过程在流体力学中被称为：“二次流”：
二次流是一种复杂的运动，是对初始的搅动的响应，二次流会沿着圆柱形的杯壁向下流动，在杯子的中央部分向上流动。
可见，在离心力和摩擦力的共同作用下，会产生这种圆周运动。
同理，弯曲的河流也会发生类似的事情。
要产生这个离心力，河道需要一个起始的弯曲，
这可以由很多因素造成，例如：岩性差异、构造差异、地形因素、生物原因等等。
在弯曲河道的任一横截面处， 都有一个离心力，
朝着曲线外侧的方向（从A到B） 起作用（如下图）。
Einstein，1926
这个力，在河道底部附近要小于高处，
因为底部附近的水流速度因摩擦而减小。
这便产生了上图（右图）所示的那种圆周运动。
其实，不一定非要是离心力，只要是一个垂直于水流方向的力就行。
因此，由于地球的旋转， 即使河道没有弯曲，这种圆周运动也仍然会发生， 只不过规模较小。
地球的旋转会产生一个与水流方向垂直的力——科里奥利力，
其向右的水平分量，是每单位流体质量：2vΩsinΦ，
其中v 是水流的速度，Ω是地球旋转的速度，Φ是地理纬度。
由于河底摩擦导致这个力朝底部减小， 所以这个力也产生了这种圆周运动。
如上，我们解释了横向环流的成因。
但这仅仅是解释了河道中水流的规律，还没有真正涉及到河道弯曲的原因，
显然，河道弯曲是差异侵蚀作用的结果。
这我们需要注意水流横截面的速度分布， 它对于侵蚀起着决定性的作用。
因为在相同条件下，水流速度越快，侵蚀作用越强；
无论这种侵蚀依赖于力学因素还是物理–化学因素（如岩石、沉积物的溶解），情况都是如此。
因此， 我们必须着眼于影响河岸处流速梯度的因素。
为此，我们必须先知道河流中的（湍流）速度分布是如何产生和得到维持的。
首先，如果河道中此前静止的水，突然被一个均匀分布的加速力启动，
那么横截面上的速度分布起初将是均匀的。
但在河岸摩擦的影响下，
将会逐渐形成一个从河岸朝着横截面中心逐渐增加的速度分布。
原本在横截面上（大体上） 定态分布的速度，会在河流摩擦的影响下被逐渐搅乱。
W. W. Norton ; Robert Rauber，Earth Science[M], 2017.
流体动力学以如下方式描述了这个静态速度分布的建立过程：
在平面流的情况下，所有涡线都集中在河岸上。
它们分离开来，朝着水流的横截面中心慢慢移动，分布于一个厚度不断增加的层上。
河岸处的速度梯度因而逐渐减小。
在液体内摩擦的作用下，水流横截面内部的涡丝被逐渐消耗，并且被河堤处形成的新的涡丝所取代， 这样便产生了一种准静态的速度分布。
W. W. Norton & Robert Rauber，Earth Science[M], 2017.
重要的是，获得静态速度分布是一个缓慢的过程。
这就是为什么许多并不太明显的、却一直在起作用的因素，能对横截面上的速度分布产生很大影响。
现在我们考虑一下，因河道弯曲或科里奥利力所引起的圆周运动，会对河流横截面上的速度分布产生什么样的影响。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
运动最快的水流距离河岸最远，也就是说在河道底部中心的上方。
以上图A为例，（为看图方便，下文的左右指的是图面的左右，而非以河流东方向判断的左右）
圆周运动将会驱动河水速度最快的部分，朝右岸移动，
而左岸则会接收来自底部附近的速度特别低的水。
因此上图A中的情况下，对右侧的侵蚀必然比对左侧更强。
应当注意，这种解释本质上基于这样一个事实：
即河水缓慢的圆周运动会对速度分布产生相当大的影响，
因为通过内摩擦（抵消了这种圆周运动的后果）所做的速度调整也是一个缓慢的过程。
如上，我们已经揭示了河道蜿蜒的成因。
由这些事实不难推出一些细节。
侵蚀不仅在右岸较强，而且在底部右半边也比较强，因此往往会形成下图所示的轮廓。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
此外， 由于表面的河水将来自左岸，因此尤其在左侧，河水移动得不会像更深的河水那样快。
事实上， 这个现象已经被观察到了。
还应注意，圆周运动具有惯性。
因此，它只有在弯曲最大的地方以外才能达到最大，当然，这也适用于侵蚀的不对称。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
因此在侵蚀过程中，河道弯曲形成的波浪线必定沿着水流的方向前进。
最后，河流的横截面越大，圆周运动被摩擦消耗得就越慢。
因此，河道弯曲形成的波浪线会随着河流横截面的增加而增加。
总之，
在河道局部弯曲或地球自转偏向力的作用下，会产生一个垂直与河道的力，
加上河岸和河床的摩擦力，会形成横向环流（螺旋环流），
河流不同位置流速不同，导致两岸侵蚀程度不同，
通常表现为一侧堆积，一侧侵蚀，
随着时间的推移，侵蚀差异越来越大，河道便越来越弯曲。
Fundamentals of Geomorphology-Routledge (2017)
值得一提的是，
蜿蜒的河曲通常发育在平坦的下游地区
这已经是河流的暮年阶段，
扭曲的形态，像镌刻入大地的皱纹。
它们似乎不想这么快告别陆地，
而是尽可能地多绕点弯路，
多留恋一会，
这最后的、自由流动的时光。
因为，百川入海后，
谁还会记得每条河流本来的样子。
（PS: 为避免造成误解，特此说明：曲流河并非只发育在下游的平原，在中-上游，很多地形平坦的高原，同样可以发育河曲，例如若尔盖大草原等。）
Essentials of Geology[M], 13th Edition-Pearson , 2016.
世界主要自由流动河流全家福（Grill，2019，Nature）。
感觉深夜加班最难熬的时间段是十二点半到两点左右…这会儿最困最累毫无效率只想睡觉…但熬过这个点儿反而又精神了[笑cry][允悲]
ps：本条微博只是纯感叹，并非显摆自己多努力…实话说我2月工时数很不咋滴，工作节奏基本称得上轻松愉快[笑cry]今天熬夜纯粹是因为客户临时决定提前行动，不得不赶制文书…[允悲]
ps：本条微博只是纯感叹，并非显摆自己多努力…实话说我2月工时数很不咋滴，工作节奏基本称得上轻松愉快[笑cry]今天熬夜纯粹是因为客户临时决定提前行动，不得不赶制文书…[允悲]
生活中的那些莫名其妙的事情
1：一个普普通通的usb插头，用第一面插插不进去，用第二面插也插不进去，可是当你又换到第一面就插进去了（ps：所以为什么第一遍没插进去？）
2：一卷普普通通的胶带，你用它的时候要么找不到上一次用的豁口要么撕成一半（ps：个人经历，并非以一概全）
3:一个普普通通的物品（比如：遥控器），你需要它的时候怎么找都找不到，当你不找了之后你会发现它就在明处，而你就没发现（ps：本人经常遇到）
1：一个普普通通的usb插头，用第一面插插不进去，用第二面插也插不进去，可是当你又换到第一面就插进去了（ps：所以为什么第一遍没插进去？）
2：一卷普普通通的胶带，你用它的时候要么找不到上一次用的豁口要么撕成一半（ps：个人经历，并非以一概全）
3:一个普普通通的物品（比如：遥控器），你需要它的时候怎么找都找不到，当你不找了之后你会发现它就在明处，而你就没发现（ps：本人经常遇到）
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