书城科普有趣的力学
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第12章 力中的奥秘(5)

水一定要往低处流吗?

城市里的供水系统,要建造一个高高的水塔,这个水塔比它所供水系统中所有的楼房都要高,否则,住在高于水塔那几层楼内的人们便会用不上水。这是因为水只往比它低的地方流。“水往低处流”,这是最普通的常识,但这并不是绝对真理。你注意过餐馆卖啤酒的情景吗?只见啤酒桶里伸出一根管子,管子上装有龙头,只要将龙头一打开,啤酒就流出来了。说也奇怪,啤酒桶放在低处,龙头在高处,为什么啤酒往高处流呢?

原来这是压缩空气玩的把戏。将空气压进容器里,就成了压缩空气。我们用打气筒往自行车轮胎里和往篮球中打气,轮胎里、篮球里就充满了压缩空气。如果将打气筒的出气口堵住你要将气筒的活塞往里推,那是很费劲的,我们会感到有一股力量往外顶,当活塞往里推得越远,这股往外顶的力量越大。只要你一松手,活塞就会自动推出来。

当活塞还没有向里推的时候,气筒中已有空气,它的压强与外面的大气压强相等,处于平衡状态。当活塞往里推,筒内的空气被压缩,则筒内气体压力增大;这样,你一松手,活塞就被气筒中的空气推回来了,一直到筒内外的压强相等为止。这就告诉我们,空气被压缩时,压强就增大,而当它的体积膨胀时,压强就减小。

啤酒厂在装啤酒的时候,往装啤酒的钢桶里打进压缩空气,就像往汽车轮胎里打气一样;在啤酒桶里面的压缩空气用比较大的压力压着下面的啤酒,怪不得龙头一打开,啤酒便从下往上流出来了。

我们自己也可以做个简单的实验。取一个空酒瓶,用橡皮塞塞紧。在橡皮塞中央紧插着一根细玻璃管,玻璃管的一端有细的尖口,另一端用橡皮管与注射器连接。利用注射器将酒瓶中的空气抽走,抽走越多越好,然后用手把橡皮管口捏住,并将酒瓶倒置过来,让橡皮管的一端伸入带色的水中。

你会看到,一旦我们把捏橡皮管口的手放开,带色的水立刻通过橡皮管又沿着玻璃管由下而上,并从玻璃管细尖口喷出,宛如一股有色喷泉。有色喷泉的形成并不费解。原来,我们将瓶内的空气抽走以后,瓶内的空气减少,压力也就变小了。抽走的空气越多,瓶内压力越小,而有色水的上方受有大气压力,这个压力比瓶内的压力大了,带色水便从压力大的低处流向压力小的高处了。

看来,只要高处的压强比低处的压强小,水是可以从低处流往高处的。

钢钎

尖头钢棒,是一种常用的建筑工具,特别是在山区的道路建设中比较常用,通常由大锤打入软质岩石以钻孔,在所钻的孔中装填炸药,用以爆破岩石;也通常用它来撬岩石。就是在现在建筑工具高度发达的今天,钢钎仍是必不可少的。另外钢钎还是基础、坑(槽)底基土质量钎探检查的主要工具。

吊床

吊床是野外活动中轻便且易于携带的卧具,通常将制作吊床的材料拴在树上。依据制造的材料分为布吊床和绳网吊床等。布吊床通常用薄帆布或尼龙布缝制而成,绳网吊床通常用棉绳或尼龙绳编制而成。绳网吊床在热带丛林和炎热夏季尤为适用,而布吊床适用范围更广泛,除严寒地区和冬季不宜使用,其他季节均可使用。拴吊床的树一定要粗一些,加上人体重量后树干不变形为佳,这主要是从对树木的爱护角度出发。

水流产生的力

“春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横。”这是一幅美丽画卷。

我们是否能联想到蕴涵在这洗炼的诗句中凝聚着诗人对力学现象的洞察力。为什么小船总是横在河里呢?这是一个流体力学问题,直立在桌子上的细杆,是一个不稳定的平衡位置,而悬挂的直杆平衡是稳定的,前者,受一扰动后,重力形成的力矩将使细杆远离平衡位置,后者力矩倾向于恢复平衡位置。

由于流体运动时对物体产生合力和合力矩是比较复杂的,要想得到运动流体中物体平衡稳定的精确计算,经过许多力学家的努力,所以唐代诗人韦应物对船体稳定性能问题的观察,比起西方精确描述的出现要早1000多年。

巴士

巴士,也叫大巴,源于英语中bus的英译,为大型公共汽车,相对于中型公共汽车和小型公共汽车之间而言。其中,大巴应该是9米以上,20座以上,中巴是6~9米,10~19座,6米以下的是小巴,10座以下。

地球引力

引力是质量的固有本质之一。每一个物体必然与另一个物体互相吸引。尽管引力的本质还有待于确定,但人们早已觉察到了它的存在和作用。接近地球的物体,无一例外地被吸引朝向地球质量的中心。因为在地球表面上的任何物体,与地球本身的质量相比,都实在是微不足道的。

直升机

直升机主要由机体和升力(含旋翼和尾桨)、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动,也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。

坛子

坛子,一般指用陶土做胚子烧成的用来腌制菜品或盛放物品的器物。不易变质,方便保存。现在几乎成了网络用语,俗指:论坛又名网络论坛BBS。在四川等地的方言里,“坛子”有说笑的意思,但需要加一个“算”字组成“算坛子”。比如听到某人说了一段不靠谱的话,你就可以用质疑的语气回答:“算坛子的吧!”

运动员

今天的运动员一词,起源于古希腊文“裸体”的意思。从古希腊的雕刻上,我们还可以看到运动员都是赤身的。这可以追溯到古代奥运会,它规定参加比赛的运动员必须穿兽皮衣服,可是在一次比赛中,有一个年轻选手身穿的狮皮突然脱落,他立刻赤身裸体。但他不顾这些,继续坚持比赛,并击败所有对手,夺取了冠军。随着古代奥运会的没落,现代奥运会的兴起,“赤身运动”已经成为体育史话。

卫星

卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体,人造卫星一般亦可称为卫星。人造卫星是由人类建造,以太空飞行载具如火箭、航天飞机等发射到太空中,像天然卫星一样环绕地球或其它行星的装置。

船舶

船舶,各种船只的总称。船舶是能航行或停泊于水域进行运输或作业的交通工具,按不同的使用要求而具有不同的技术性能、装备和结构型式。一种主要在地理水中运行的人造交通工具。另外,民用船一般称为船,军用船称为舰,小型船称为艇或舟,其总称为舰船或船艇。内部主要包括容纳空间、支撑结构和排水结构,具有利用外在或自带能源的推进系统。外型一般是利于克服流体阻力的流线性包络,材料随着科技进步不断更新,早期为木、竹、麻等自然材料,近代多是钢材以及铝、玻璃纤维、亚克力和各种复合材料。

火车

火车,人类的交通工具。1804年,由英国的矿山技师德里维斯克利用瓦特的蒸汽机造出了世界上第一台蒸汽机车,时速为5至6公里。因为当时使用煤炭或木柴做燃料,所以人们都叫它“火车”,于是一直沿用至今。1840年2月22日由康瓦耳的工程师查理礠里维西克所设计的世界上第一列火车真正在轨上行。1879年,德国西门子电气公司研制了第一台电力机车。

轴承

轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说,当其它机件在轴上彼此产生相对运动时,用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体,用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。按运动元件摩擦性质的不同,轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。

轮胎

轮胎是在各种车辆或机械上装配的接地滚动的圆环形弹性橡胶制品。通常安装在金属轮辋上,能支承车身,缓冲外界冲击,实现与路面的接触并保证车辆的行驶性能。轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用,它在行驶时承受着各种变形、负荷、力以及高低温作用,因此必须具有较高的承载性能、牵引性能、缓冲性能。同时,还要求具备高耐磨性和耐屈挠性,以及低的滚动阻力与生热性。世界耗用橡胶量的一半用于轮胎生产。

摩擦力

摩擦力是两个表面接触的物体相互运动时互相施加的一种物理力。广义地物体在液体和气体中运动时也受到摩擦力。作为借喻摩擦力这个词在日常生活中也经常被用来描述阻碍进展的力量。

桥梁

架设在江河湖海上,使车辆行人等能顺利通行的建筑物,称为桥。桥梁一般由上部结构、下部结构和附属构造物组成,上部指主要承重结构和桥面系统;下部结构包括桥台、桥墩和基础;附属构造物则指桥头搭板、锥形护坡、护岸、导流工程等。

水塔

水塔,一般居民区里蓄水作用,有些还是水厂生产工艺的一个重要组成部分。用于储水和配水的高耸结构,用来保持和调节给水管网中的水量和水压。主要由水柜、基础和连接两者的支筒或支架组成。在工业与民用建筑中,水塔是一种比较常见而又特殊的建筑物。它的施工需要特别精心和讲究技艺,如果施工质量不好,轻则造成永久性渗漏水,重则报废不能使用。

滑冰

滑冰,亦称“冰嬉”,很多人认为,滑冰是从外国传来的“洋玩意”,事实上,早在宋代,我国就已经有了滑冰运动,不过,那时不叫滑冰,而称之为“冰嬉”。“冰嬉”包括速度滑冰、花样滑冰以及冰上杂技等多种项目。

毛细血管

毛细血管是极细微的血管,管径平均为6~9μm,连于动、静脉之间,互相连接成网状。毛细血管数量很大,除软骨、角膜、毛发上皮和牙釉质外,遍布全身。毛细血管壁薄,管径较小,血流很慢,通透性大。其功能是利于血液与组织之间进行物质交换。荷兰显微镜学家列文·虎克自制了许多性能优良的显微镜,最高的放大倍数达270倍。他通过大量细微的观察,解释并完善了M.马尔皮基提出的关于毛细血管系统的知识,证明动脉与静脉分别和毛细血管直接相连。

三峡大坝

世界第一大的水电工程,位于西陵峡中段的湖北省宜昌市境内的三斗坪,距下游葛洲坝水利枢纽工程38公里。三峡大坝工程包括主体建筑物工程及导流工程两部分,工程总投资为954.6亿元人民币。于1994年12月14日正式动工修建,2006年5月20日全线建成。2010年7月19日,三峡大坝曾迎来一次峰值在65000立方米/秒左右的洪水。堪比1998年长江三峡河段的最高峰值,这也是三峡水库建成以来所面临的规模最大的一次洪水挑战。经国家防总批准,三峡水库于2011年9月10日零时正式启动第四次175米试验性蓄水。山峡大坝在防洪、调水、发电等方面发挥着重要作用。

喷雾器

喷雾器是喷雾器材的简称。喷雾器是利用空吸作用将药水或其他液体变成雾状,均匀地喷射到其他物体上的器具,由压缩空气的装置和细管、喷嘴等组成。

暖气

北方冬季御寒设施,广义的指让大家得到采暖需求的产品和方法,其是通过热源加热热媒再加热空气形成热交换后增加环境温度的产品。

热气球

热气球利用加热的空气或某些气体比如氢气或氦气的密度低于气球外的空气密度以产生浮力飞行。热气球主要通过自带的机载加热器来调整气囊中空气的温度,从而达到控制气球升降的目的。

变速自行车

赛车是20世纪80年代开始流行的一种变速自行车。多用铝合金制成车框架,车轮细窄,目的是最大限度减轻车身重量,使骑行轻便、高速。山地自行车是变速自行车的一种。自20世纪80年代开始流行。其特点是车身结实、车轮比普通自行车车轮宽,并且车胎花纹较深,减震能力和稳定性很好。在1902年,英国史都梅——阿切尔公司在自行车后轮装上了变速器,变速自行车出现了。变速自行车在自行车后轮毂内装置有一套不同规格的齿轮,自行车行进时,通过变速排档可以把链条置于不同的齿轮上,从而改变车速,以适应不同的路况和骑车人的体力。

水包括天然水(河流、湖泊、大气水、海水、地下水等),人工制水(通过化学反应使氢氧原子结合得到水)。水(化学式:H2O)是由氢、氧两种元素组成的无机物,在常温常压下为无色无味的透明液体。水是地球上最常见的物质之一,是包括人类在内所有生命生存的重要资源,也是生物体最重要的组成部分。水在生命演化中起到了重要的作用。人类很早就开始对水产生了认识,东西方古代朴素的物质观中都把水视为一种基本的组成元素,水是中国古代五行之一;西方古代的四元素说中也有水。