當我們開車去郊外或露營,遇到一條溪流擋在前面,溪水看起來並不深,我們可能會想:「我的車子夠重,還是四輪驅動,應該能順利開過去吧!」但是,這種情況其實比我們想像中更危險,因為車輛在水中的表現遠遠不如在陸地上那麼穩定。
首先,我們要了解一個重要的物理概念——浮力。當你把一個物體放進水中時,水會對這個物體產生一個向上的力量,這就是浮力。浮力會隨著物體進入水中的體積增加而增大。比如當車子進入水中,越多部分被水淹沒,車子所受的浮力就越大。
這裡我們可以想像,車輛就像一個空心的金屬盒子。如果水淹到車輛的底部(比如輪胎高度),車輛會開始受到水的浮力影響,雖然這個浮力在水位較低時不會完全讓車子浮起來,但會減少車輛壓在地面上的重量,讓車輪和地面的摩擦力變小。這就像你站在游泳池裡,水只到腳踝時,你還能站得很穩,但當水到達腰部時,你開始覺得自己變得輕飄飄的,稍微一動就不太穩定了。
當我們的車輛在水中行駛時,不僅要考慮浮力,還有水流對車輛的推力。水流就像一股強大的風,不斷向車輛施加壓力,試圖將它推走。我們可以想像,水流越快,這股推力就越大。推力的大小還取決於水流撞擊到的車輛表面積。車輛越大,水流對它的推力也越大。
想像一下你站在一條快速流動的小溪裡,水只到你的小腿時,你或許能穩穩站住。但如果水位上升到膝蓋甚至大腿,那麼水流的壓力就會大大增加,甚至讓我們失去平衡。同樣的道理也適用於車輛。當水位很低時,水流對車輛的影響可能不明顯,但隨著水位上升,推力增大,車輛就可能開始滑動。
當然以上都只是原則,讓我們具體看看車輛在不同高度水位下遭遇的情境,並用一些數字來說明水位上升到底有多危險。
當水位達到 30 公分(大約是車輪的高度),水流的推力已經可以達到幾百牛頓(1 牛頓約等於你舉起一個 100 克重物體所需要的力)。即使這時的推力不算非常大,但浮力已經開始讓車輛的重量變輕,與地面的摩擦力減少。這意味著,雖然車輛仍能保持穩定,但已經開始變得不那麼安全。
當水位達到 60 公分(大約淹過一半的輪子),水流的推力更大,浮力進一步增加,使車輛與地面的接觸力更小。其中,假設車輛的受力面積約為 1.5 平方公尺,如果水流速度為 2 公尺/秒,水流對車輛的推力可達到 700-1000 牛頓。這相當於數個人合力推車,足以讓車輛開始滑動。在這種情況下,車輛非常容易被水流推走。事實上,根據我們的計算,在這樣的水位下,車輛可能已經無法穩定地停留在原地,特別是在水流速度較快的情況下。
水流推力的大小可根據以下公式計算:
F推=1/2⋅Cd⋅A⋅ρ水⋅v水2
當水位達到 90 公分(大約到車門的高度),浮力接近車輛的總重量,這時車輛的重量已經大幅減少,幾乎處於懸浮狀態。這時,無論是水流還是輕微的車輛移動,都會使車輛被沖走。這種情況下,車輛的穩定性幾乎完全喪失。
許多人可能會認為,車輛比人重,應該更不容易被沖走。然而,事實恰恰相反。在水中,車輛受到的浮力和水流推力遠遠超過人體的情況。雖然車輛的重量較大,但它的受力面積和浮力也更大,這使得它在特定水位和水流速度下,反而比人體更容易被沖走。
例如,當水位達到膝蓋高度時(約 60 公分),一個成年人的浮力和水流推力雖然明顯,但仍能憑藉足部與地面的摩擦力保持穩定。然而,車輛此時的浮力和推力已經相當顯著,摩擦力可能無法再支撐車輛的穩定性。
安全的水位是多少?
根據物理學計算和實際案例,我們可以得出一個結論:當水位超過 30 公分 時,不論是車輛還是行人,情況都開始變得危險。當水位達到 60 公分 時,車輛和人都會被水流推走,並不存在「我的車子夠重,應該能順利開過去吧!」。因此,建議在水位超過 30 公分時,應該避免開車或走進溪水或洪水中。特別是當你不確定水流速度的時候,任何水位的洪水都應該引起警惕。一旦水位超過 60 公分,務必放棄車輛,盡速往高處移動。
車輛重量和性能並不能保證在洪水中安全行駛。水的浮力和推力會隨著水位上升迅速增加,只要車輛失去抓地力,就會立刻被沖走。當遇到溪水暴漲或洪水時,應該謹慎行事,不要低估水流的力量。記住,水位看似不深,但它對車輛和人的影響卻可能是致命的。
Trees surrounding river under orange sky in Migia, Ukraine by Scopio from Noun Project (CC BY-NC-ND 2.0)