书城科普有趣的力学
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第10章 力中的奥秘(3)

早期车轮没有装滚珠轴承,车轴与轮的内圈相接触处的摩擦是滑动摩擦,阻力就较大,不仅车子跑不快,而且连接处极易磨损,为了减少磨损,人们在车轴处加了许多润滑油,但这并不能从根本上解决问题。

装上滚珠轴承的车轮,车子开动时,车轴在滚珠上转动,滚珠又沿着轴承在外圈的滚道上滚动,这样一来,把滑动摩擦变成了滚动摩擦,再使用润滑油,使摩擦力进一步减小,所以车子变得轻便省力,机件也不易磨损。

在机器的运行和连接部分装上轴承,也是同样道理。所以在车轮中,轴承是必不可少的部件。

为什么轮子都是圆形的?

人类的伟大发明成千上万,数不胜数,但如果要是只列举其中一种最伟大的发明,那么,这种发明不是蒸汽机,不是发电机,也不是计算机,而是轮子。为什么说最伟大的发明是轮子呢?这是因为如果没有轮子,人类以后的许多发明就不可能出现,上面我们所提到的蒸汽机、发电机,以及汽车、机器等,哪一样都离不开轮子。

轮子与我们的生活和工作息息相关。例如,车轮、滑轮、齿轮、轴承等都可以看做是轮子家族的成员。尽管轮子的种类很多,形态各异,但它们有一个共同的特点,那就是,轮子都是圆形的。

为什么轮子是圆形的?而不是方菱形或三角形的呢?

首先,在路面上运动的物体或者在机器部件的相对运动中,都会有摩擦力。相对运动的体间的擦包括滑动摩擦和滚动摩擦。物理学研究表明滚动摩擦要远小于滑动摩擦。圆形的轮子在运动时与地面产生滚动摩擦,其他形状的轮子则不会产生滚动摩擦。

其次,圆形边缘各点与轴心距离都相同,可以保证轮子在地面上平滑地运动,而如果将轮子做成其他形状,例如,长方形、正方形、三角形、菱形或椭圆形等,由于轮子边缘到轴心距离不同,这些形状的轮子在转动时,会导致车子忽高忽低,这样车子上的人和货物就会处于不断的颠簸之中,人会感到不舒服,而货物则会被损坏。所以,轮子都被做成圆形的。

没有摩擦力,世界会有多么可怕

在日常生活中我们常常会感受到摩擦力给我们带来的许多不便和烦恼。一双新鞋、一件新衣穿了一段时间,花纹被磨平了,衣服被磨出了洞。如果自行车轮轴上长时间不加润滑油,骑起来就十分费力。我们的家电、工厂的机器设备由于磨损都要定期检修更换……所有这一切都是由于摩擦力在作怪,这时我们会想,如果世界上没有摩擦力,该有多么好啊!

然而,世界上的任何事物都会有两面性,摩擦力也不例外。它有对人不利的一面,但更多的摩擦力却表现为是人类的朋友。可以毫不夸张地说,人们的衣、食、住、行、用一刻也离不开摩擦力。设想有一天摩擦力突然消失了,世界将是一个什么样子呢?

我们吃食物,无论用手拿或用筷子夹都是靠手、快子和食物间的摩擦力才能把它送入口中。如果没有摩擦力,我们将不能摄取任何食物。同样的道理,如果没有摩擦力,我们手中将不能使用任何工具,因为我们手握工具,全靠手和工具间的摩擦力。况且许多工具也不可能存在,如没有摩擦力锤头也不可能固定在木柄上。

如果没有摩擦力,我们将没有任何衣服、鞋袜可穿。因为布是靠棉纱的经线和纬线间的摩擦力而交织在一起的;即使有了布也做不成衣服,因为衣服的一块块布料是靠布和线间的摩擦力而连在一起的。

没有摩擦力,我们将无法睡在床上(假设有床存在),因为床不可能绝对水平,你一定会滑到地下,地也不可能绝对水平,所以你只能和家具一起挤在房间地面最低的墙角处。更何况在这种情况下也不可能有房间存在。

如果没有摩擦力你将寸步难行。因为人类能在地面上行走就是靠鞋底和地面间的向前的摩擦力使我们前进。下雪天汽车在路面上空转打滑,人常常被摔的鼻青脸肿,正是由于摩擦力减小的原因。冬天高寒地区的汽车的轮子上部都要绕上防滑铁链以增加摩擦力,保证安全行驶。没有了摩擦力也就没有了电视、计算机、房屋、家具,因为这些电器和设备的元件固定在一起要靠螺栓,而螺栓的连接全靠摩擦力。甚至你连眼镜也戴不了,因为它是靠镜腿和耳朵、鼻托和鼻子间的摩擦力支撑着的。

摩擦力尽管对人类有不利的一面,但是我们可以利用科学技术尽量减少它的危害。的的确确我们这个世界一刻也不能离开摩擦力,可以毫不夸张地说,如果没有了摩擦力也就没有了世界,没有了生命!

你知道行军的队伍应该怎样通过桥梁吗?

人们都非常喜欢看解放军战士或者武警官兵走正步。战士们队列整齐,步伐有力,脚踏在地面上“卡咔”作响,好像是一个人踩出的步点。走正步能体现一支军队的训练水平,所以在阅兵或接待外宾时,都有军人以正步行进的场面出现。

但是各国军队都有这样一条规定:在通过桥梁时,队伍不得迈着整齐的正步通过,而是要自由地乱步通过。

这里有两个众所周知的例子。一件是发生在19世纪,拿破仑率领法国军队入侵西班牙时,一支部队在军官指挥下,迈着整齐有力的步伐通过一座铁链悬桥,当他们接近对岸时,突然“轰隆”一声巨响,桥的一头垮塌掉人大河,士兵们全部落入水中,许多人被淹死。另一件发生在1906年,在俄国首都圣彼得堡,一支部队在经过丰坦河上的大桥时,也是迈着有节奏的步伐,同样也发生了桥断人亡的悲剧。

这是什么原因造成的呢?

原来,这是由共振造成的。什么叫共振呢?就是当外加强迫力的频率和物体的固有频率相同时,物体振动的振幅会急剧增加。如果没有受到外力作用,这种振动叫自由振动,也叫固有振动,物体在自由振动时,它的频率是一定的,这个频率就叫这个物体的固有频率。

还有一种与自由振动不同的振动,如脚踏在桥上,也会造成桥的振动,这种振动是被迫的,因此叫受迫振动。走正步时施加在桥上的力叫周期性外力,也叫策动力,它一会儿向上,一会儿向下,有规律地变化着,这个策动力也有频率,受迫振动的频率是由策动力的频率决定的。当策动力频率和受迫振动体(如桥梁)的固有频率相同时,受迫振动的振幅达到到最大值,这时就发生了共振现象。

军队迈着整齐的步伐过桥,就是按一定频率给了桥梁一个策动力。当这个策动力频率恰恰和桥梁的固有频率相同时,就会发生共振,以致造成桥断人亡的悲剧。

明白了这个道理,所以就规定队伍不能迈着正步通过桥梁,而应该自由地乱步通过。

此外,如果大风的频率或地震波的频率与建筑物的固有频率相同时,也会造成建筑物的共振并倒塌,所以,建筑师在设计建筑物时也应当考虑如何避免共振的发生。

当然共振现象也有它有利的一面。跳水运动员在跳板上起跳就要充分利用共振现象,以跳得更高,在无线电电路中的谐振电路就是利用了电磁共振现象。

水塔为什么总是建得很高

你知道家里所使用的自来水是怎样送到千家万户的吗?你也许会说:是从自来水厂沿着水管送来的。这话只说对了一半。不错,自来水确实要经过水厂净化处理后才能送到住户家里,但为了使楼房里的用户也能用到自来水,必须建一个高高的水塔,在超过水塔高度的高层建筑的顶上设立一个水箱,用水泵将水抽入水箱,才能保证高楼的用水。

你知道为什么水塔总是要建得很高吗?

现在让我们做一个小实验:拿一截透明的软塑料管,将里面装上水,把管子弯成U形,观察管内两边水面的变化,你会看到两边管子里的水面是一样平的;把一边管子向上拉,使这边管子高于另一边,结果会怎样?你会看到两边管子里的水面仍然保持一样平,并没有出现一边高一边低的现象。这个现象在物理学上被称做“U形管现象”或连通器原理。反映了在连通器中的液体表面变化的规律。

自来水不会从地面向上爬到高处,根据连通器原理,为了使高楼上的住户也能用上水,就必须人为制造一个连通器(水塔或水箱)。

而且,水越深,压强就越大,水的深度每增加10米,压强就会增加1个标准大气压。水塔修得越高,水塔塔底的压强就越大,这样就可以将水压到地势较高处,由于连通器中水面要保持齐平,这样,高楼中的住户就可以使用上自来水了。大城市中,由于自来水厂供应范围宽,管路阻力大,光靠水塔所产生的压强远远不够,所以高楼上还必须加压水泵来保证用水。

连通器理在我们身边的应用是很广泛的。例如,仔细观察家里用的茶壶,你会发现,所有的茶壹嘴必然比壶身高或至少与壶身齐平,假如壶嘴比壶身低的话,水就会从壶嘴中流出,这个茶壶就永远也灌不满水。

高空走索为什么拿着一根长长的竹竿

高空走索是一项非常惊险又极具观赏价值的表演节目,20世纪90年代,加拿大高空走索表演者科克伦在我国三峡地区首次高空走索跨过了长江。赢得了观众们的喝彩和敬佩。

表演者在很细的绳索或钢丝上如履平地,还能轻灵捷地做出各种惊险优美的动作,观众会紧张得透不过气来,但表演者不用保险绳的保护却不会从绳索上摔下来,这是为什么呢?而且,表演者还要拿着一根长长的竹竿或长棍子,这根长竿难道不会妨碍他做动作吗?

与人们的想象相反,表演者手里拿的长竿,不但不会妨碍表演者做动作,而且恰恰是使他保持平衡、不会从绳索上掉下来的关键。

我们知道,不论什么物体,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,物体就会倒下。

根据物体平衡的条件,要求高空走索演员,要始终使自己身体的重力作用线通过支面——悬空的绳索。由于绳索很细,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绳索上,随时有从绳索上掉下的危险。

手中的长竿可以左右摆动,以调节身体的重心,将身体的重力作用线调整到绳索上,使身体重新恢复平衡。我们有这样的经验,当身体摇晃即将倒下时,我们会下意识地摆动双臂,使身体重新站稳,这是我们依靠摆动双臂来调整身体的重心。

杂技演员走钢丝时,也会通过摆动手臂的方法保持平衡。同样道理,高空走索表演者手里拿的长竿,实际起了延长手臂的作用,还有长竿转动惯性大,可以有效地帮助表演者在空中保持平衡。

冰上滑行与玻璃滑行的区别

滑冰是一项观赏性很强的运动,但这项运动也有局限性,只能冬天在北方户外有冰才可滑,而其他季节或在南方户外都无冰可滑。当然,在体育馆里,人们也可以用人工制冰的方法在夏天造出冰来,进行速滑或花样滑冰表演。但是由于人工制冰的成本太高,除了重大比赛之外,一般人还是无法享受在人造冰上滑冰的乐趣。于是有人就提出一个问题:既然人们可以在光滑的冰面上滑行,那么,玻璃也是很光滑的,而且价格比人造冰便宜得多,能不能用玻璃做“冰面”来滑冰呢?

这个设想是无法实现的,为什么呢?让我们做一个小实验:在冰面上轻轻推动杯子,杯子可以迅速地在冰面上滑行。在玻璃上推动杯子,杯子滑行不多远就会停下来。这说明玻璃上的摩擦力要远远大于冰面上的摩擦力,这是为什么呢?

原来,在冰面上滑行时,滑冰者的冰刀对冰面产生压力,使冰的熔点下降,另外,冰刀与冰面剧烈地摩擦产生热量,也会使冰融化,这样,在冰刀与冰面的接触面间就有了水。固体与流体间的摩擦称做湿摩擦,固体与固体间的摩擦称做干摩擦。物理学的研究表明湿摩擦阻力要比干摩擦阻力小得多。冰面上的水使冰刀与冰面间产生湿摩擦,而在没有水的玻璃面上会产生干摩擦,自然无法在玻璃上滑冰了。

为什么湿的衣服不好脱?

夏天的一场雷雨把衣服淋得透湿,换衣服时,你会发现衣服变得非常难脱;袜子被水泡湿后,也很难从脚上脱下,这是为什么呢?这是因为一种液体或气体在和另一种液体或固体接触时,会形成一层表面膜,这种现象叫吸附现象,由于表面张力会产生附着力,气体的附着力远远小于液体的附着力。干的衣服、袜子的附着力非常小,可以比较轻易地脱下来;衣服袜子湿了以后,水的表面张力使衣服绷紧,贴紧皮肤。

另一方面,水对皮肤、衣服、袜子都有很强的附着力,就像胶水一样紧紧地“粘”在一起,这样,衣服就不容易脱下来了。

刚洗完脚,脚未完全干时,就会感到穿袜子较为困难,这也是因为脚上有一些细小的水分子,在脚与袜子之间产生较强的附着力。

我们可以用一个小实验来说明这个问题:将两个面积相同的玻璃片放入水中,对齐贴紧,从水里拿出来,这时,想把两片玻璃分开就需要花很大的力气。

你知道毛细管的作用吗?

将内径很小、两端开口的细玻璃管插入液体中,液体会在细管中明显地升高或下降,这种现象叫毛细现象。这个两端开口的细管,由于内径细如毛故称为毛细管,毛细现象也因此得名。具有微小隙的物体与液体接触时也会产生毛细现象。