书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第10章 力和运动(5)

阿基米德原理在航海、航空、及其生产建设与日常生活中,有着广泛的应用。人类很早就利用浮力了,最初只是无意识地应用它,后来人们分析、研究自然界中的现象,反过来,又生产出各种产品,服务于人类。比如,从井中打上一桶水,当桶还在水中时,好像向上提并不费力,但桶露出水面后,就感到越来越重。这就是因为桶在水中除受到向上的拉力和向下的重力作用外,还受到向上的浮力作用,所以人感到一桶水很“轻”;而桶露出水面后,浮力就开始减小,直到最后完全消失。

破冰船正是以类似的方式工作的。破冰船凭借着强大的发动机,使它向上倾斜的船头爬上冰面。船首露出冰面后,把它的首部重量全压在冰上,这样就能毫不费劲地把冰搞碎。为了增加船头的重量,在船头还装上专门的水舱,必要时注满水。如果冰层较厚,破冰船往往要后退一段距离,然后再向前猛冲,一次不行,就反复冲,直到把冰层冲破。破冰船不断前进,在冰上开出一条通道来。

打涝沉船也是利用浮力。像广泛使用的浮筒打捞法,就是把一些浮筒注满水沉放排列在沉船的两舷,然后将钢绳套在浮筒的桩头上,开动机器,向浮筒内充压缩空气,将浮筒内的水排出,浮筒受到的浮力就将沉船抬出水面。

同液体有浮力一样,空气也有浮力,气球和飞艇就是利用空气的浮力升入空中的。不过航空上把这种浮力称为升力。

气球和飞艇的主要组成部分是气囊。气囊内充有密度比空气小的气体,如热气、氢气或氦气。如果气球或飞艇自重加上所载物体的重量小于气囊排开的空气重量,即小于受到的升力,气球或飞艇就会升入空中。由于高空中空气越来越稀薄,密度减小,所以气球或飞艇受到的升力也就越来越小,以至于最后,气球或飞艇所受的升力等于它受到的重力,就不再上升而停在某一高度漂浮。当需要降落时,只需放出气囊中的部分气体就行。

气球和飞艇有着多种用途。气球用于气象和天文观测,进行各种科学试验、转播电视节目和进行通讯等。气球只能随风漂游,不能按照预定的航线飞行,而飞艇上装有发动机,可以控制飞艇的飞行方向和速度,所以它可用来进行空中运输、地质考察和治安防卫等。

在医学上,浮力还有一个特殊的用途——水疗法。如果人的四肢肌肉或关节有病、受伤;医生可以让病人浸在水中,利用身体受到的浮力作用,使病人只需要作很小的力,就能使四肢活动,进行理疗。

浮力还有许多用途,如农业生产上用盐水选种及港口气体防浪堤的建造等等。

空中的飞机掉不下来

很早人们就梦想像鸟一样在天空中自由飞翔,人们发现鸟有两种飞行方式:扑翼飞行和滑翔。最早人们注意到的是鸟的扑翼飞行,想象鸟一样靠翅膀上下扑动来飞行,结果失败了。最后人们转向学习鸟类的滑翔。对于鸟类的滑翔,很久以来人们一直迷惑不解,外国曾有人认为鸟的肚子里有热气作用。我国晋朝一个叫葛洪的人在仔细观察老鹰的飞行后,解释说,老鹰伸直两翅,并不扑动,反能盘旋飞行,且越飞越高,是因为有上升气流的缘故。基于鸟类滑翔的道理,人们造出了滑翔机和早期的飞机。

现在我们知道飞机能够在高空中飞行不落的原因,是因为受到一个升力作用,而使飞机获得升的主要部件是机翼。但是飞机是如何得到这一升力的呢?为解释这个问题,我们先做一个简单的实验:

将一乒乓球放置于一倒扣的漏斗内,先用一纸板托住漏斗口。这时用吸尘器从漏斗窄口向里吹气,并拿走纸板,此时乒乓球却掉不下来。这就是“升力”托住了球体。因为空气流过球与漏斗壁间窄缝时的流速大于流出漏斗口时的流速,所以漏斗宽口处的压力大于漏斗窄口处的压力,它克服了乒乓球的重力,使球支持着不落下来,即流速增加,压强降低,这在物理学上叫做伯努利原理。

飞机获得升力的情况和上面的实验相似,只是这时还要考虑机翼周围存在着的空气的环流。这种环流在飞机飞行中迭加到经过机翼的原平移气流上。在机翼上部,环流的方向与平移气流的方向相同,迭加结果使空气流的速度增加;在机翼下部,环流的方向与平移气流的方向相反,因而空气流速度减小。根据伯努利原理,机翼上方的压强减小,下方的压强增大,形成了一个向上并稍微偏后的总压力Q。把Q分为水平与竖直方向上的两个分力f、F,其中F就是飞机机翼受到的向上升力,它使飞机上升或保持飞机悬浮在空中;f分力是阻止飞机前进的正面阻力。

飞机在飞行时,受到升力F、重力P、推进器的前进力F1和阻力f的作用。要使飞机能正常飞行,应保证升力足够大、阻力最小,经过长期实践与观察,人们发现把机翼前缘做成纯圆形而后部做成尖锐形状,并且使机翼上部稍微凸起,便可以使飞机少受旋涡影响,即受到的阻力较小,因此人们逐步改善机翼的形状,采用流线型机翼。

实践证明,在其他条件相同时,飞行的速度越快,机翼产生的升力也越大;机翼截面积越大,升力越大。对于低速飞行的运输机,就要有较大的机翼,以获得足够大的升力。对高速飞行的飞机,机翼长产生的阻力就大,此时应采用小机翼。所以针对不同飞行速度的要求,采用不同的机翼及不同的截面形状。

不论哪一种截面形状的机翼,在一定范围内增大仰角α,都可以提高升力。飞机起飞的速度较小,为了增大升力,就要抬起机头,靠增大机翼的仰角来增加升力。但仰角增大时,阻力也会增大,在机翼上面所形成的湍流区越来越大,这时机翼受到的升力就要减小。所以在一般飞行中,机翼的仰角是有一定范围的,如果超出了这个范围,不但不能增加升力,反而会引起失速现象,使飞机掉下来。

一般飞机必须同空气有相对运动,机翼才可以产生升力。而另有一种飞机,它具有停在空中不动的本领。这就是直升机。直升机在军事和民用中都发挥着重大作用,它可以用于在交通不便地区运送物资、抢救伤病员、摄影,还可用于测绘地表、护林防火等。

直升机机翼和空气没有相对运动,升力应该不存在,为什么它能在空中突然停住不动又不掉下来呢?原来直升机的升力是由在它头顶上会旋转的机翼所产生的。当直升机停在空中的时候,它的旋翼仍然在不停地转动,产生一个同直升机重力大小相等、方向相反的升力。因此,直升机就能不前进、也不后退、不升高、也不降低,稳稳地停在空中执行任务。

未来飞机的展望

几十年来,人类从鸟类的飞行中获得启迪,设计、生产出各式各样的飞机,使我们的生活越来越方便,人们乘坐飞机往返于各大洲,以致一天之内就可以渡过一年的四个季节。

由于飞机获得的升力除与机翼形状、大小有关,还与飞机本身材料、边界层、湍流、尾流等因素有关,所以设计师们更加仔细研究鸟类的身体构造及飞行时的动作,同时还要考虑飞行速度和机场设施等各种因素的影响。

在将来,可能出现以下几种类型的飞机:

未来的超音速飞机的机翼将会更小,它的前部成为尖锐的楔形,整个飞机呈箭头形状,可降低空气阻力。目前,三角形机翼很流行。

“变机翼”飞机则可克服飞机在起飞和着陆时速度小、短机翼产生的升力不够、需较长跑着等问题。在高速飞行时,它缩短机翼,起飞,着陆时又伸张开来。

飞剪式飞机的机翼像一把剪刀,在不同的飞行阶段机翼位置不同。当需要低速飞行或起飞、着陆时,飞剪张开(呈X型),变成一架平直翼飞机,获得很大的升力,并减小了噪音。高速飞行时,合拢飞剪(呈V字型),使机翼斜角减小,降低阻力。飞剪式飞机是变后掠翼飞机的改进。变后掠翼机机翼分为内、外翼,外翼可前后转动,用以改变后掠角大小。高速飞行时,后掠角增大,借以减小空气阻力;反之小后掠角时低速飞行。目前变后掠翼飞机只在战斗机上使用,今后民航客机上也将会见到。

变机翼和变后掠翼飞机都克服了高速飞机着陆时,需要很长跑道的问题。

在未来,水上飞机大力发展,它不受场地限制,可以在海上和湖泊上起落。而且各种小型飞机可大派用场,它们节省能源,重量轻、操作灵便。当陆路交通堵塞时,人们可乘这种小型飞机进行采访、购物。比小型飞机更方便的是飞车。飞车外观同现在普通的小汽车相似,只是多带两个机翼,它既可当汽车在公路上行驶,又可象直升机一样,不用跑道垂直起落。这将在巡警执行任务时和新闻记者的采访中大派用场。今后,人们不仅乘坐公共汽车外出游览,还可以乘坐能够垂直升落的空中客机,这种飞机可乘坐百人左右,到时候,我们如果去参观、游玩,就可以改乘这种便捷的交通工具了。

随着核工业的发展,还将出现核动力飞机。这是一种巨大型飞机,原子反应堆置于飞机尾部,与旅客客舱隔离开,反应堆产生的能量带动发动机工作。这种核动力飞机的航行时间和距离可以不受任何条件限制。在将来普通人也可以乘坐航天飞机在太空中遨游,像中国神话中的嫦娥一样登上月球。

环球飞蝶也将随着空间技术的发展而出现。它是以地面微波发射站发送来的高功率微波能束为动力源,飞行器的外形既光滑又扁薄,可以明显降低超高音速飞行时飞机的温度及遇到的阻力,并且整个飞行器的重量只有300公斤左右。这种飞行器在同温层里飞行时,只需要90分钟就可以绕地球一周。

飞鱼式潜水飞机也将广泛应用。它能像飞鱼一样,既能在空中飞行,又能潜入水里,是一种水空两栖的飞机。

人力飞机一直受到青年人的喜爱,世界各地的学生绕有兴趣地制作出各式各样的人力飞机,但这些飞机的飞行高度较低,飞行距离也不很远。但人力飞机不需要燃料,将从实验、研究阶段进入到实用阶段,可以应用于游泳业和体育锻炼等方面。

省力的斜面

在日常生活中,只要你细心观察,就会发现人们利用斜面原理的地方是很多很多的。

斜面的功用之一是以小力发出大力。古代猿人打制的石质尖劈就是利用斜面能以小力发大力的原理制造的,这也说明远古时代,猿人就已自觉或不自觉地利用斜面来达到省力的目的了。类似尖劈的东西还有斧、凿、铲、刨、刀、针等。这方面最巧妙的应用要算是“楔子”。木工用小小的一片劈状木片打进木制器具需要紧固的地方,就能使它承受很大的力,而不会省力的斜面脱出。我们知道力的作用效果不仅和力的大小、方向有关,还与受力的面积有关,如果力一定,受力面积越小,力的作用效果越明显。这便是斜面能以小力发大力的物理实质。俗话说:有劲使在刀刃上,也是源于此理。比如我们用刀切东西时,由于刀的侧面是斜的,当用力切时,这个力就使得刀的侧面向两边推压物体,使物体分开来;由于刀的侧面对物体的推压力比我们用的力大得多,所以很容易把物体切开。

斜面的功用之二是用较小的力升起重物。沿着斜面提起重物比竖直提起可以省力,这是大家都有的经验。比如,在没有吊车的情况下,人们需要把沉重的货物装上车时,通常是把一长木板一端搭在车厢尾部上,另一端放置在地面上,然后把重物放在斜的木板上把它拉、推到车上,这时所用的力远小于货物重力。农村中粮食入库也往往采用这种简单易行的方法。物理学家通过实验得知,利用斜面搬运东西,当高度固定的时候,斜面越长越省力。斜面的长度是斜面高度的几倍,那么被举起的重物就是所用力的几倍。即,你所做的功是一样的。在沿斜面向上升时,所需要的力虽减小,但其代价是必须要多走一些路程。所用的力越小(越省力),为使物体上升到同样高度所需要走的路亦越长,这符合能量守恒原理。

另外,螺旋也属于斜面一类,我们也可以用它来举起重物。一般螺旋的把手远远大于螺纹间的距离(称为螺距),因而只要在螺旋把手上加一个很小的力,就可以把重物举起。台钳一类的工具应用,也是同样道理,只不过把竖直举重物改为水平方向夹紧物体。

翻山越岭的公路修成盘山公路,而不是直上直下的;楼梯一般是斜置的,而不是竖立的,这些都是为了省力和安全考虑。现代的立体交叉公路桥也运用了斜面省力的原理。大家如果仔细观察周围的事物,一定还会发现许多斜面类的简单机械,我们可以信手拈来。

辨别生蛋和熟蛋

不敲碎蛋壳怎样辨别是生蛋还是熟蛋呢?这个问题可以用力学知识来解决。

方法是把要判别的蛋放到平的桌子上,用两手指把它旋转起来,这只蛋如果是生蛋,则转得较慢;如果是熟蛋,那么它旋转起来就快得多,甚至能自动在它尖的一端竖立起来。

这两个现象的原因是:熟透的蛋已经变成一个实心体,当用手转动时,整体获得一转动动能,各部分均有相同的角速度。而生蛋却因为它内部是液态的蛋黄、蛋白不能立刻旋转起来,因而蛋白和蛋黄就起着“刹车”的作用。

生蛋和熟蛋在旋转停止时候的情形也不相同,一只旋转着的熟蛋,只要你用手一捏,就会立刻停止下来;而生蛋虽然手碰到的时候停止了,但如果立刻把手放开,它还要继续微微转动,这个现象的本质是惯性。生蛋蛋壳虽然不转了,但内部的蛋黄、蛋白却仍在继续旋转,放手后,带动蛋壳一起转动,而熟蛋则蛋黄、蛋白跟外面的蛋壳同时静止。

当一次相扑运动员