风是气体分子水平运功的宏观现象,是由压力梯度不同造成的。
首先,我们得理解什么是压强,压强是单位面积的气体压力。气体是由一个一个的小分子组成的,小分子无时无刻不在运动,气体分子实在是太多了啊,所以他们往往运动一会儿就会跟其他小分子撞上那个,因此,整体来看,气体小分子的运动方向式杂乱无章的。想象一下,如果有一面墙,小分子会不会撞到上面呢?当然会,撞到上面会怎样呢,会有力,你手拍到桌子上是不是会疼啊,那就是力的作用,分子撞击壁也是同样的道理,这些所有力,就是压力,对于一块固定大小的墙,我们可以用力除以墙面积,这就是压强。
为什么要计算压强呢?压强这么抽象,计算压强是为了更好的比较压力。对于同样的气体,如果一面墙的面积大,显然,他受到撞击的分子就越多,压力就会变大,因此我们默认大家的强度一样大,选择一块固定大小的墙,来更好的比较压力。
那面积相同之后,谁的压强大,就变成了谁的压力大,那压力受什么影响呢?显然,如果气体分子数越多,压力就越大,因为气体分子数多了,撞击墙面的次数就变多了,压力当然要变大,当然,这里应该是粒子数密度,即单位体积里的密度,原因和我们引入压强的概念的原因相同;另一方面就是气体分子的速度了,速度越快,单个分子撞到墙上的力就越大(动量定理易得),这里也可以做个实验,不过这里就不建议用手拍桌子了,除非你不怕疼,这里可以用饼干啊,巧克力啊拍桌子,拍的速度越快,越容易碎。
那气体压强不同,为什么就有风了呢?你看啊,压强大的气体要么气体分子数目多,要么气体分子速度快,无论哪种,气体分子都会倾向于向压强小的地方运动。大家都往那方向走,就是风了。
我们举个例子,实际上你可以用嘴吹出风,风还不小嘞,大概有五六级风吧。那嘴吹风是什么原理呢。我们可以先控制横膈膜和肋间肌让肺部扩张,这时肺里的空间大了,气体分子数密度就少了,压强少于外界,在压强差的作用下,气体从外界进入肺部,这是吸气,可能也算是风吧。吹气时则压缩肺部,让肺里的空间变小,粒子数密度就上升,压强差的作用下,气体就要由肺部往外界吹,这时我们就吹出风了。
当然,大气中的风情况就会复杂一些。受太阳辐射,有的地区升温特别快,气体温度高了以后,如果由容器束缚,容器壁压强就会变大,但如果在开放空间,那气体体积会变大,体积变大以后密度减小,气体就会在浮力作用下上升。也就是说,气体升温以后,会变得稀薄,就容易往上走,那这里的气体分子数就会减少,局部压强就会降低,这时如果周围由冷的地方,那里的气体体积缩小,密度变大,反而要下沉,压强也更大。这时冷空气就会从下面插进热空气的底部,这时就形成了风。
我觉得这里可以举一个城市风的例子。城市中央受人类活动影响,会产生大量热,导致城市中心气体受热膨胀上升,因此城市中心气压低,而郊区产热不多,相对于城市来看,空气较冷,气压较大,因此空气就会从郊区往城市中心流动,形成城市风,这时城市的局部小气候。
需要注意的是,大气的运动是非常复杂且不可预测的,今年刚拿了诺奖不是,因此,以上只是原理上的叙述。