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5章 物质及其性质(2)

对任何物体来说,如果它的底面积越大,重心越低,它就越稳定,越不容易翻倒。例如:塔形建筑物总是下面大上面尖;装运货物时,总是把重的东西放在下面,轻的东西放在上面。

了解了这些知识,我们再来看看不倒翁。不倒翁的整个身体都很轻,只是在它的底部有一块较重的铅块或铁块,因此它的重心很低;另一方面,不倒翁的底面大而圆滑,容易摆动。当不倒翁向一边倾斜时,由于支点(不倒翁和桌面的接触点)发生变动,重心和支点就不在同一条铅垂线上,这时候,不倒翁在重力的作用下会绕支点摆动,直到恢复正常的位置。不倒翁倾斜的程度越大,重心离开支点的水平距离就越大,重力产生的摆动效果也越大,使它恢复到原位的趋势也就越显著,所以不倒翁是永远推不倒的。

像不倒翁这样,原来静止物体在受到微小扰动后能自动恢复原位置的平衡状态,在物理学上叫做稳定平衡。而像乒乓球、足球、篮球等球状物体,在受到外力后,可以在任何位置继续保持平衡,这种状态称为随遇平衡。处于随遇平衡的物体,重心和支点始终在同一条铅垂线上,而且重心的高度保持不变。横放在桌上的铅笔,就是一种随遇平衡,不管它滚到哪儿,重心的高度是不变的。

走钢丝的杂技演员

走钢丝是我国具有悠久历史的杂技节目之一。看过这个节目的人,都会赞叹表演者的精湛技艺。

杂技演员踩在细细的钢丝上,可谓毫无“立足之地”,但他们却能在钢丝上如履平地,灵活轻捷地表演出各种惊险和优美的动作,不时赢得观众们一阵阵的掌声。

杂技演员走在钢丝上,为什么不会摔下来呢?

我们知道,不管什么物体,如果要保持平衡,物体的重力作用线(通过重心的竖直线),必须通过支面(物体与支持着它的物体的接触面),如果重力作用线不通过支面,物体就要倒下来。

根据物体平衡的条件,这就要求表演走钢丝的演员,始终使自己身体的重力作用线通过支面——钢丝。由于钢丝很细,对人的支面极小,一般人很难让身体的重力作用线恰巧落在钢丝上,随时有倒下的危险。杂技演员走钢丝时,伸开双臂,左右摆动,就是为了调节身体的重心,将身体的重力作用线调整到钢丝上,使身体重新恢复平衡。平时,我们也有这样的生活经验:当身体摇晃即将倒下时,我们也会立即摆动双臂,使身体重新站稳。这时,我们也是依靠摆动双臂来调整身体的重心哩。

有的杂技演员在表演走钢丝时,手里还拿了一根长长的竹竿,或者是花伞、拐棍、彩扇等其他东西。你千万别以为这些东西是表演者多余的负担,恰恰相反,这些都是演员作为帮助身体平衡的辅助工具,它们起到了延长手臂的作用。

物体的“怪性”——惯性

当你坐在匀速行驶的汽车、火车、船或飞机上时,将一顶帽子垂直向上抛出去,它决不会落到后边的座位上,而是重新落到你的手中。

这是为什么呢?其实这是物体的惯性在起作用。物理学告诉我们:一切物体在不受外力作用时,总是保持匀速直线运动状态或静止状态。物体的这种性质就叫做惯性。也就是说在没有外力干预的情况下,运动起来的东西有保持运动的怪脾气;同样,不动的东西则有保持不动的嗜好。

生活中最常见的物体惯性的例子,恐怕要数坐在汽车上的乘客最能体会了:正在前进的汽车突然停下来,乘客就纷纷向前倾倒。这是因为汽车已经停止,而乘客由于惯性要保持原来速度前进的缘故。停在车站上的汽车突然起动的时候,乘客们又一个个身不由己地向后倾倒。这是因为汽车已经开始前进,而乘客由于惯性要保持静止状态的缘故。

惯性是物体本身的一种属性,它是客观存在的,认识了惯性,日常生活、工作中就可以让惯性为我们服务。例如,锤子头松了,拿着锤子把在石头上墩一墩,由于锤子把碰到硬物停止运动而锤头由于惯性继续向下运动,这样锤头就紧箍在锤子把上了。在光滑的路面上骑车,将车蹬起来达到一定速度后,停止蹬车,车依靠惯性仍能走一段距离,如果路面阻力很小,车将滑行很长距离。宇宙飞船飞向月球也要利用惯性,飞船飞出地球的大气圈以后,它所遇到的阻力几乎是零,飞船可以在不使用燃料的情况下,按已经得到的速度飞行。

惯性的例子在日常生活中是不胜枚举的。给我们带来不便的惯性,就要设法减小它的作用效果。例如:坐汽车或飞机时要将安全带系好,没有安全带时则要扶好坐稳,以免汽车突然刹车时,由于惯性人的身体受到磕碰伤害。

汽车、自行车在刹车时一定要刹住后轮。而用后闸刹车时,整个车身以后轮为支点,车身受到地面的阻碍,要想往前翻,是翻不过去的。

惯性处处存在

我们站在公共汽车上,悠闲地与朋友聊天。突然一个急刹车,我们就会猛地往前冲去,甚至摔倒。相反,本来停着的汽车突然发动,车上的乘客又会不自觉地往后倒。赛跑运动员到达终点后还要往前冲,想停也停不下来。可见,运动的物体总要继续向前运动,如果没有阻力作用,它就停不下来。物体的这种表现,就叫惯性。

运动的物体有保持运动的特性,不动的物体有保持不动的特性,这都是惯性的表现。在生活中,我们无时无刻不在与惯性打交道。如,衣服沾上灰尘,用手一抖灰尘就跑掉了;脚下的滑板,使劲用一只脚蹬几下,站上去它就会自动带你往前跑,等等。

惯性原理,是英国物理学家牛顿吸取了伽利略的学说,于1686~1687年总结出来的,人们称之为牛顿第一定律,也叫做惯性定律。惯性定律告诉我们:物体在没有受到外力作用的时候,原来静止的总要保持静止,原来运动的,总要保持匀速直线运动。

但是,静止是相对的,世界上没有绝对静止的物体。一个物体动与不动,总是相对另一个物体而言的。这个相对的物体就叫参照物。

如:在火车厢里,人与火车一起往前行驶,但车厢内的座位、床铺、放在台上的茶杯等物品又与火车保持静止。人造地球卫星,总是呆在某个地方的上空一动不动,就是因为它环绕地球一周所需要的时间,刚好与地球自转一周的时间相同,所以从地面上看去,这颗卫星就好像静止不动似的。这都是相对静止。

不论是运动的,还是静止的物体,它们都有惯性,而且惯性大小还有区别。

那么,惯性的大小与什么有关呢?让我们用生活中的现象来解答这个问题。

如,小的时候,我们都玩过“老鹰捉小鸡”的游戏。当“老鹰”的要是抓个头儿小、身体轻的“小鸡”,很容易在跑动中一下抓住;要是追赶大快头儿的小胖墩,即使抓住了,也要被他带跑好多步才能停下来。这其中的区别就在于,身体轻的惯性小,身体重的惯性大。

同样,我们推一辆自行车就比推一辆摩托车省力,除了因为地面和车轮的摩擦力不同外,最主要的原因就是自行车的惯性小。

通常情况下,物体的惯性特征非常明显,但在有的时候又显得很神秘,要想准确掌握它还需要一定的技巧。让我们来看一个例子。

一个气功演员,头顶七八块方砖,马步蹲好。另一个演员抡起一把大铁锤,猛地向方砖砸,并大喝一声“开”,下面的演员大声应和。只听的一声,几块砖头全部断成两截,下面的人摸摸头,面带微笑地站起来,毫发未损,令观众惊叹不已。

什么原因使砖头断裂而人头安然无恙呢?原来是砖头的惯性保护了演员。铁锤砸在砖头上的力很大,但作用时间很短,砖头还来不及运动,就断了。再加上砖头和演员头部的接触面积较大,他头上受到的压强较小,所以,砖头断了,人的头部仍然很安全。

这个原理被广泛地应用于生活实践。建筑工人为了把一块整砖劈成两半,一手把砖,一手持瓦刀,猛地敲击砖头中间,一块坚硬的砖头就分成两半,而瓦工的手却不受伤。

有一点要特别注意,惯性不可用在自由落体运动中。

如,两个球,一个轻的和一个重的,同时从高空坠落,哪个先落地?

希腊的大科学家、学者亚里士多德的结论是:“从高空落下的物体,重的要比轻的快!”这一理论统治了科学界180多年。

公元16世纪,伽利略第一个对亚里士多德的理论发起了挑战。经过多次实验发现,轻重不同的物体从同一高度落到地面的时间完全一样。为了向世人证明他的理论,他决定在比萨斜塔上公开表演他的实验。

25岁的伽利略当时正在比萨大学教书。实验那天,比萨斜塔下聚集着好多好奇的人,其中有一些教授和大学生。实验的结果使原来相信亚里多德说法的人目瞪口呆:重量悬殊的两个铁球居然同时落地了!

但是,仍有人心里不服气,他们提出一个问题:鸡毛和铁球从同一高度同时落下,鸡毛落到地面的速度比铁球慢得多,这又是什么道理?伽利略的解释是:鸡毛落得慢是空气阻力造成的。

伽利略活着的时候,没有获取真空的办法,无法用实验来证明。后来,他的学生托里兹利在真空的玻璃管里做实验,鸡毛、木块、铁球同时落到管底。

伽利略的实验,证明了轻、重物体是同时下落的。后来,人们又发现了物体在下落过程中不是匀速的,而是逐渐加速的。科学家们经过仔细研究,发现自由落体速度的变化非常有规律:

第一秒末的速度是9.8米/秒;

第二秒末的速度则是19.6米/秒;

第三秒末的速度则是29.6米/秒……

气功的魔力

多思去看一次气功师的表演,气功师把一个未开封的药瓶拿在左手,右手发功。随着他右手上下移动,只见瓶内的药片纷纷落下。表演完毕,打开封盖,瓶内少的药片数量正好等于掉出来的药片的数量。

后来又有一次机会,气功师要把封闭在玻璃管里的一根铁丝变出来。气功师又在运气,这时多思看得出神。正遐想之际,只见气功师已表演完毕,铁丝已从玻璃管中拔出,玻璃管仍然完好无损,可是还有一截铁丝断在玻璃管内,好像拉断的一样。

回到家里,多思左思右想:气功师凭什么本事能把东西从瓶子里取出来,可是瓶子还完好无损呢?他忽然联想到杨老师在课堂上的表演,把一块冰切开了又合上了。对!准是气功师发出了一种能量,传给了玻璃瓶内的药片,当药片经过玻璃瓶时,这个能量足以使玻璃融化,而等到药片一出玻璃瓶,玻璃又凝固成原来的形状。那根铁丝断在玻璃管内不也正是证明了这个道理吗!