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7章 力和运动(2)

商人说:“不行,论重量,每千克空气给你10块钱吧!”

“你太狡猾了,空气哪有重量?这等于把房子里的空气送给你啦!”女店主大叫。

商人设法把房间里的空气抽出,万万没有想到空气是有重量的,而且每立方米空气的重量竟是1.29千克。经过计算,这间100多立方米的房间,空气重量约是129千克。商人无可奈何,只好付给店主1290块钱才把空气买走。他结果多花了290块钱。

向心力与离心力

为什么铁路和高速公路的转弯处以及赛车场的环形车道的路面,总是外侧高,内侧低?为什么运动员掷铁饼时,迅速旋转身体能使铁饼掷得远?原来,这有两种力在起作用,一种是向内的,一种是向外的。这种内向的力叫向心力,外向的力叫离心力。

向心力从何而来?它是做匀速圆周运动物体受到的外力或外力的合力,这个力或合力的方向指向圆心,在它的作用下,物体沿着圆周运动。所以,向心力也是施力物体对运动物体的一种作用力。没有施力物体,也不会有向心力。

生活中,物体在做匀速圆周运动时受向心力作用的情况很多。例如:儿童坐在转椅上,在水平面上做匀速圆周运动时,作用在儿童身上的重力与支持力平衡,是竖直方向的,与水平方向的圆周运动无关。转椅旋转时,儿童的身体由于惯性会向座椅外侧滑动,并紧紧挤压座椅外侧。于是,座椅外侧对身体的挤压产生一个反作用力,指向圆心方向。这个力就是使儿童沿圆周运动的向心力。

再如,火车的车轮能在高出路面的工字型钢轨上滚滚向前而不越轨一寸,靠的是铁轨对车轮内侧凸起的轮缘的阻挡作用。每一对轮缘正好卡在固定轨距的两条钢轨内侧,使车轮沿着轨道安全行驶。

当火车驶入弯道时,钢轨挤压在轮缘的弹力作用为向心力,使火车转弯。

火车的质量大、速度快,在弯道上行驶时,外轨的内侧面与火车外轮轮缘间的挤压力十分巨大,使得它们的磨损十分严重,而且容易发生脱轨事故。

为解决这一技术问题,铁路工程技术人员巧妙地给弯道设计出外轨高、内轨低的倾斜路基。由于路基的内倾,使火车的重力与钢轨对火车的支持力不在一条直线上,它们的合力就成为火车转弯的向心力,火车就可以顺利地转弯了。

向心力的大小与物体做匀速圆周运动的质量、半径和角速度有关。当角速度不变时,半径越大,所需向心力越大;当角速度不变时,半径越大,所需向心力越小。

做匀速圆周运动的物体,由于受到向心力的作用,也产生加速度,使速度的方向不断变化。加速度的方向与向心力方向相同,因此叫做向心加速度。

向心力的大小要掌握适度。如杂技演出中的“水流星”。如果失掉了向心力,水就会沿切线方向飞去;如果向心力太大,运动速度就要加快,水桶或水碗有可能拉断绳索,远离圆心向外飞去。因此,对速度要求很严。

宇宙飞船绕着地球运动的情况,和“水流星”的运动情况相似。飞船速度过慢,就会跌回地面;飞船速度过快,将会远离地球。那么,飞船的速度达到多大,才能正好绕着地球做圆周运动呢?

地球是球形的,半径是6371公里,每向前走7.9公里,地面就要向里弯4.9米。如果有一个物体在空中飞行,一秒钟能在水平方向飞7.9公里,情况如何呢?尽管它在第一秒内掉下4.9米,但在它飞过的这段路程上,地面也恰好弯下了4.9米,它和地面的距离没有变,从地球上看,它并没有向下落。

所以,它总是在向前飞行,也总是在“下落”,但是总也落不到地面上。这时候,地球对这个物体的引力就正好等于它绕地球做圆周运动的向心力。

向心力定向性强,我们喜爱玩的陀螺就具有这种倔脾气。虽然很尖就是不倒,而且转得越快,稳定性越好。

早期的枪筒和炮筒里都是光溜溜的,子弹打出去会东倒西歪,碰上气流还要翻跟头,打不中目标。后来,人们从陀螺身上得到了启发,在枪筒和炮筒里刻上一道道螺旋形小槽,子弹沿着这一圈圈螺旋线射出以后,就会像陀螺似地打起转来,保持着转轴的方向,不再东倒西歪,因而总是对准目标。子弹击中目标以后,由于惯性,它仍然会旋转,像钻头那样钻进目标,大大提高了命中率和杀伤力。

离心运动则是做圆周运动的物体在向心力减小或消失时,远离圆心而去的运动。这种现象叫离心现象。

离心现象在生活中随处可见。例如,投链球时,运动员拉着链球的链索,让链球做圆周运动,链球越转越快,这时拉链索的力,就是链球做圆周运动的向心力。卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度,即环绕速度。然后,突然手一松,向心力消失了,链球便沿切线方向飞去。

家用洗衣机的脱水筒是一个多孔金属筒,把洗净的湿衣服放入筒内,当筒高速旋转时,附着在衣服上的水滴由于向心力不足,离开衣服,穿过脱水筒壁的小孔飞出筒外,衣服上的水分几乎就没有了。这就是根据离心现象制成的。

一些离心现象给人以美的享受。例如:体操运动员做单杠大回环离杠下地的瞬间;铁饼、链球飞转后离手的瞬间;高山滑雪、摩托越野、运动员沿着圆弧轨道冲向高台,凌空跃起,沿切线飞出,越过大跨度的空间;飞速旋转的芭蕾舞演员舒展着艳丽的舞裙,如孔雀开屏,美丽动人。

然而,离心现象也会造成危害,须要设法防止。如,车辆急转弯时,容易造成人倒车翻。为防止事故的发生,高速公路转弯处对速度有明确的规定,不许车速太快。工厂中高速旋转的飞轮和砂轮,轮缘部分需要很大的向心力,如果转速过大或轮体有裂痕,离心运动会造成轮子断裂,以很高的速度向外飞散,造成严重事故。因此,特别规定要遵守操作规程,确保生产安全。

万有引力

对地球吸引着地面上一切物体的现象,我们看成是非常自然而且极普通的事情。可是当有人对我们说,物体彼此间也是互相吸引着的,那我们就会不十分相信了。因为在日常生活中我们没有见过类似的事情。

事实上,牛顿在300多年前就认识到:物体不但受地球的吸引力,而且物体和物体之间也存在着吸引力。宇宙间任何一对物体之间都存在着相互吸引力。

任何物体都相互吸引,这个引力叫万有引力。它是由于物体的质量而在物体之间产生的力。牛顿著名的万有引力定律告诉我们:万有引力的大小与两物体质量的乘积成正比,而与两物体之间距离的平方成反比。

爱思考的读者会提出这样的问题,为什么万有引力定律不在我们周围环境里经常表现出来呢?为什么我们看不到桌子、椅子、黑板、人体互相吸引着呢?原因就是,对小物体来说,它们之间的相互引力太小了。让我们举一个明显的例子:有二个人相隔2米站着,这时候他们是互相吸引着的,可是这中间的引力小极了,对中等体重的人来说,这个力量还不到1/100毫克。这就是说,两个人彼此吸引的力量,等于一个十万分之一克的砝码压在天平盘上的力量。这样小的力,不能使我们移动位置,因为我们的脚跟地板之间的摩擦力阻止着我们移动。为了使我们在木制地板上移动位置(脚跟木制地板之间的摩擦力等于体重的30%),至少得用20公斤的力量。跟这个力相比较,1/100毫克的引力简直小得可怜。这样说来,在平常的条件下,我们一点也察觉不出地面上各种物体之间有相互吸引的作用,就比较容易理解了。

在一般物体之间的吸引力微乎其微,可以略而不计,通常引力只有在所涉及到的物体中至少有一个具有天文学上的大小(例如,庞大的天体)时才是重要的。正是由于地球属于宇宙中的一个量体(质量很大),所以地球对人的吸引力(重力)才在我们日常生活中施加影响,把人牢牢地吸附在地球表面上。当然,地球对它表面的其他的物体的吸引作用也是如此。

如此看来,对质量不大的物体来说是非常小的引力,在庞大的天体之间却变得很大。于是虽然太阳离我们很远,但由于太阳的吸引力,使地球能够绕着太阳公转。请读者猜猜太阳对地球的吸引力有多大?它有400亿亿吨之巨!甚至那离开我们极远的行星——海王星,它几乎是在太阳系的边缘慢慢地绕太阳转着,也能使我们地球受到1800万吨的引力!

读到这里,我们不得不由衷地赞叹巨大的万有引力,正是万有引力的强大作用,才使宇宙间的万物有了如此和谐、有序的位置。如果没有万有引力,就没有了星体之间、星体与物体之间的联系,宇宙将变得多么孤寂,各种物体向着寒冷而幽暗的宇宙深处飞去,永远不再返回……“功”“过”各半的摩擦在我们的日常生活中,处处和摩擦打交道。提到摩擦,使人常常联想到磨损、发热等,其实对摩擦的这种认识是不全面的。

两物体相互接触,发生在接触面上的阻止物体相对运动的力被称为摩擦力。

实际上摩擦力并不总是和人作对,它也常常默默地助人。没有摩擦力的帮助,走路对人来说就变成了很困难的事,汽车也无法行驶。

假如你站在非常光滑的冰面上,想走动起来,你用力想把左脚向前移动,此时在你身体内部有许多力的传递,但归根到底就好像两脚受到两个力的作用一样,一个力F1推动左脚向前,另一个力F2使右脚向后,两力F1和F2大小相等方向相保龄球和保龄球道做得光滑,就是为了减少摩擦力反,它们能使你的双脚分开来,而你的身体仍然留在原地。假如是在粗糙的表面上,那么作用在右脚上的力F2被作用在右脚鞋底上的摩擦力F3所平衡(完全平衡或局部抵消),而加在左脚上的力F1(左脚向前迈,在空中没有与地面的摩擦)就推动左脚向前,全身重心也就跟着向前移动了。左右脚交替进行上述过程在摩擦力的帮助下,人就向前走了。

如果没有摩擦力,我们的世界、我们的生活将变得异常困难。不光人无法行走,车辆无法开动,连吃饭、穿衣都成了问题,饭将从我们嘴里滑掉,衣服既抓不住也穿不到身上,人无法拿工具和文具,各种工作和劳动也将一事无成,不能劳动将意味着生存受到威胁。如果没有摩擦力,对质量不大的物体来说,非常微小的万有引力也表现出来了,地球上所有的物体将象流体一样,不断地滚着、滑着……这样的世界人类是无法赖以生存的。所以人们在日常生活和生产中不但依赖摩擦,而且还设法增加有益的摩擦。如你在爬山时穿上橡胶底的运动鞋防在汽车的圆盘制动器中,摩擦力得到了充分的利用。圆盘和刹车垫间的摩擦力,使车轮的转动减慢,从而降低了汽车的速度滑;汽车在冰道上行驶时,路面要撒些炉渣或沙子,或者在车轮胎上缚防滑链等。

运用和摩擦有关的物理学知识,我们可以更好地指导实践活动。比如,若要增大有利的摩擦,增大接触面的粗糙度等方法;若要减少有害的摩擦,可以采用润滑剂,或减小物体间的相互接触面变滑动为滚动。

神奇的浮力

由阿基米德的浮力原理可知道,物体的飘浮性决定于它的平均密度,而不是它的重量。如果物体的平均密度比液体的密度大,它就下沉;密度相同时,物体就可悬浮在液体中。深处的水受到上面水的重压,密度会增加,海水越深,密度越大,阿基米德那末到了相当的深处,海水的密度一定就可以达到与船的平均密度相等。假使船沉到此处,就不会再沉下去,因为下面的海水密度大于船的平均密度。因此,沉船会悬浮在相当深的海水里,而不一定沉到海底。

不过,虽然海洋深处有着巨大的压强,但是水像所有液体一样,几乎不能被压缩。也就是说,无论多大的压强,总不能把水压得比它原来体积小很多。1大气压只能使水的体积缩小22,000分之一。就是在最深的海洋下,水的密度增加也不到5%,不可能增到与船的密度一样大,所以船在一般海里沉没时,毫无疑问地都会沉到海底。

但对一些内陆的特殊海来讲,则是另外一种情况。例如死海的水密度很大。平常的海水约含盐2%或3%,而死海里水的含盐量高达27%以上,就是说有1/4的重量是盐,所以那里的海水密度很大,人和船都不会沉没于水中。如果人在死海中游泳,绝对淹不死。你可以仰躺在水面上,甚至完全抬起头来,身体在水面上浮着,只有脚跟浸入水中。因此与其说在水里游泳,还不如说在水面上“游泳”。

我们如果仔细观察船舷,会发现它们上面都画了若干条横线——吃水线,它表示船在各种密度的水里,满载时的最大吃水深度,超过此线,船就可能下沉。在不同的海洋中,水的密度不同。吃水线在咸水里比较低,在淡水里比较高。这些吃水线的位置实际上也与浮力有关,因为船浸入水的深度决定于液体的密度。即当船上装着同样的货物,在海水里行驶,船就浮得高些,而行驶到大河等有淡水的地方,就会浮得低点。实际上每一条船都能够用来测量海洋中水的密度。

液体的密度可以用简单的办法来测量。密度计上有不同的刻度值表示了不同液体的密度值。在使用密度计时,只要把它插入液体,它就会竖直地浮在液体中,液面所对应的刻度值就是该液体的密度值。

密度计实际上是根据沉浮原理制造的,如果物体平均密度小于液体的密度,那么物体就要浮起来。待测量的液体密度越大,被密度计排开的液体就越少,密度计浸在液体里的深度也就越浅些,即液体密度越大,密度计浮起的越高。