书城科普有趣的力学
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第14章 奇妙的力现象(2)

电影中的孙悟空为何会飞?

《西游记》是人们比较熟悉和喜欢的电视剧,剧中的孙悟空给人们留下了美好的印象,但是善于思考的观众会问,孙悟空的“腾云驾雾”是如何拍摄出来的?平时我们所说的运动和静止都是相对的,是相对于我们假定不动的参照物而言的。如果我们坐在封闭的火车车厢里,那么我们将无法知道火车究竟是静止的还是匀速行驶的,只有拉开窗帘,看到铁轨旁的树木、村庄等参照物时,根据它们的位置是否发生变化,才能判断出来。

利用运动相对性就可以拍摄孙悟空的“腾云驾雾”镜头了。如孙悟空腾云远去的镜头是先分别拍摄孙悟空的动作镜头和景物镜头,然后将两组画面放在“特技机”里迭合,迭合时迅速地移动背景上的白云和山河湖海作参照物,用摄像机把它们拍摄下来,看电视剧时,观众以白云和山河湖海作参照物,于是便产生出了“腾云远去”的感觉。

为啥图钉的压强比坦克大?

将坦克和图钉相题并论,看上去好象有点风马牛不相及,其实从它们身上我们可以领略到压强的妙用。

当你肩挑重物的时候,如果用一副宽扁担挑,就比用一个圆木棍舒服得多,如果再加上一副披肩护布那就更好了。虽然用宽扁担和圆木棍挑的重量一样,但宽的扁担与肩膀的接触面积大,每单位面积所承受的压力就小些。如果加上披肩,压力通过扁担,再通过披肩作用在人的肩膀上,人所承受的单位面积上的压力就更小了。而圆木棍与肩膀接触的面积太小,单位面积所承受的压力就大。

压力是一种弹性力,压力作用在物体上物体就会发生形变。可有的时候压力很大,它的效果并不显著,有的时候压力不大却颇见效果。压力的效果不仅和压力本身的大小有关,还与它的作用面积有关。压强小,压力的效果就不显著;压强大,压力的效果就显著,压强是衡量压力效果的唯一标准。

一台履带拖拉机重5150千克,它的每条履带和地面的接触面长179厘米,它对地面的压强是每平方厘米0.34千克重,也就是说1平方厘米的地面上承受到的压力是0.34千克。

如果用一只图钉尖端面积是0.3毫米,2.4公斤的力加在钉尖上,钉尖所产生的压强是每平方厘米800公斤,一个小小图钉钉尖产生的压强竟是拖拉机产生压强的2500倍。难怪用手轻轻一按图钉就扎到墙壁里去了,而那么庞大的拖拉机即使在松软的土地里也陷不进去。

在有烂泥稀浆的路上,如果你直接走进去,全部体重都将压在脚与泥路的接触面上,因为接触面积小压强大,就会陷进泥里,欲拔不得。如果垫几块铺板,人走在板上,人对地面的压力由木板分散了,就不会陷入泥中。同样大小的压力,增大接触面积可以减小压强,所以坦克、拖拉机都带有又宽又长的履带。

冬天在茫茫的雪原中行走十分艰难,可是滑雪者穿上踏雪板却会轻捷如燕。载重汽车和公共汽车的轮子比小汽车的轮子宽得多,个数也比小汽车多,这样载重汽车和公共汽车的重量就分布在比较大的接触面上,使路面能受得住它们所产生的压强。用螺丝固定零件,常要在螺丝帽下面垫上一个比较宽的垫圈,使零件能承受螺帽的压强。

在现代建筑上,常常必须要考虑压强问题。北京饭店在建筑上采用了箱形基础,建筑物建筑在大面积的“箱底”上,从而减小建筑物对地基的压强,减小建筑物的下沉。

火车压在两条铁轨上,为什么不陷入路中,是因为铁轨架在枕木上,枕木之间还铺满了石子,压力更加分散,货物装得再满,跑得再快,也会平平稳稳地行驶。

同步卫星是静止的吗?

《物理》第三册(选修本)第96页关于通信卫星轨道的叙述中有这样一段话:“通信卫星的轨道一般都采用‘地球静止轨道’,也称‘地球同步轨道’,即卫星转动的周期与地球自转的周期相同,相对于地球静止。”这段话容易让人理解为:地球同步轨道就是地球静止轨道,处于同步轨道上的卫星相对于地球是静止的。

有的复习资料中亦有这样的练习题:“简单说明地球同步卫星为什么只能在赤道平面内绕地球旋转。”、“地球同步卫星相对于地球上的一点为什么是静止的?”,这也是将地球同步轨道与地球静止轨道混为一谈。

实际上,地球同步轨道与地球静止轨道不是一回事,它们之间有共同点也有较大区别。

地球同步轨道与地球静止轨道都是运行周期(23小时56分04秒)相同的人造地球卫星轨道。

这两种轨道的区别有三:

第一,轨道倾角有区别。

地球静止轨道是轨道倾角(轨道平面和赤道平面的夹角)为零的圆形地球同步轨道。即地球静止轨道一定在赤道平面上;而地球同步轨道平面可与赤道平面成一不为零的夹角。

第二,观察者看到的现象不同。

在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空,对地面上观察者来说,每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上。在一段连续的时间内,卫星相对于观察者可以是运动的。而处于地球静止轨道上运行的卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空,地面观察者看到卫星始终位于某一位置,保持静止不动。

第三,星下点轨迹不同。

人造地球卫星在地面的投影点(或卫星和地心连线与地面的交点)称为星下点。卫星运动和地球自转使星下点在地球表现移动,形成星下点轨迹。地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线,而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点。

鉴于上述原因,笔者认为将高中《物理》第三册(选修本)第96页上的那句话“也称‘地球同步轨道’”改成“是‘地球同步轨道’的一种”更好。

江河大堤与水库大坝

一般江河大堤和水库大坝横截面的共同之处都是上窄下宽,不同的是江河堤的迎水面坡度缓,背水面坡度陡,而水库坝则恰恰相反,挡水面坡度陡,背水面坡度缓。

为什么江河大提与水库大坝都修成上窄下宽

无论是江河大堤,还是水库大坝都修成上窄下宽,其目的主要是为了“三防”。

1.防水压

根据液体内部压强公式我们可知,堤坝内的水越靠近堤坝底,水深越大,水产生的压强也越大。堤坝下宽能承受较大的水压,确保堤坝的安全。

2.防渗漏

堤坝下部受水的压强越大,水越容易渗进坝体。把下部修得宽些,就可以延长堤坝内水的渗透路径,增大渗透阻力,从而提高堤坝的防渗透性能。

3.防滑动

堤坝内水的压力总有将大堤向外水平推动和将大坝推向下游的运动趋势,堤坝基底需要有与之抗衡的静摩擦力,才能保持堤坝平衡。将堤坝下部修宽既可增大坝体的重力,也可增大迎水面(挡水面)上水对坝体竖直向下的压力,因此,可以增强坝体与坝基间的最大静摩擦力,达到防止堤坝滑动的目的。

为什么江河大堤和水库大坝两边的坡度陡缓状况修得恰恰相反

对于两岸拦水的大堤来说,奔腾的江河水的冲击力方向朝下游,水对堤坝的作用力主要是压力,水的压力垂直于堤面,对于同样大小的水的压力,坡度平缓的堤面所受横向水平压力较小,所受竖直向下的压力较大。所以对于江河大堤,迎水面坡度缓,水对大堤水平向外的推力小。同时竖直向下的力大,有利于增大堤坝基底与堤坝的静摩擦力,即可以防滑。

裂缝里面的力学

1954年,英国两架“彗星”号喷气客机先后因增压舱突然破裂而在地中海上空爆炸坠毁。开始人们认为是由于材料强度不够而造成的断裂,于是利用高强度合金钢来制造关键零部件。但事与愿违,断裂破坏现象依然有增无减。

此事引起了工程技术界的高度重视,在深入研究后发现,原来高强度材料中也存在着一些极小的裂纹和缺陷,正是这些裂纹和缺陷的扩展产生了断裂破坏,于是,在此基础上诞生了一门崭新的科学——断裂力学。

传统的材料力学认为材料是均匀的、连续的、向同性的,而断裂力学则认为任何材料都是不连续的、不均匀的、有缺陷的,因为材料中不可避免地会存在一些裂纹和缺陷,它们非常微小,即使用高精度的无损探伤仪也难以测出来,正是这些潜伏的缺陷和裂纹,在一定的使用条件下会造成重大的断裂事故。

造成断裂的影响因素主要有以下几种:

1.疲劳断裂。在交变载荷的来回作用下,加速了材料中裂纹的扩展,最终导致材料断裂。这是一种常见的断裂现象。例如,要弄断一根铅丝,只把它来回弯折几次,很快就会在弯折的地方断裂。这就是疲劳断裂,来回弯折的力叫“交变载荷”。

2.冷脆断裂。金属材料对温度的变化很敏感,在正常温度下的韧性材料,处于低温环境时往往会变脆,当温度下降到某个临界值时,材料的微小裂纹就会以极快的速度扩展(高达1000米/秒),最后致使材料断裂。

3.氢脆断裂。钛合金和高强度合金钢等材料在使用中往往要接触腐蚀介质,所以在它们的表面会发生电化学反应并产生微量的氢,这些氢原子能渗透到金属结构中去,而且材料中哪里的应力最大,氢原子就往哪里跑,并聚集在那里,使该部位的应力变得更大,当聚集的氢原子达到一定数量时,在它们聚集处就会发生突然的脆性断裂。

共振,一个幽灵

任何物体在产生振动以后,都会由于本身的构成、大小、形状等物理特性,使原来以多种频率开始的振动,逐渐固定在某一频率上振动,这个频率叫该物体的“固有频率”,因为它与该物体的物理特性有关。当人们从外界再给这个物体加上一个振动时,如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同,物体振动的振幅达到最大,这种现象叫做“共振”。物体产生共振时,由于它能从外界的策动源处取得最多的能量,往往会产生一些意想不到的后果。

18世纪中期,法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过,当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,桥梁突然断裂,致使226名官兵和行人丧生。究其原因是共振造成的。因为大队士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致,使桥的振动加强,当它的振幅达到最大甚至超过桥梁的抗压力时,桥就因此而断了。类似的事件还曾发生在俄国和美国等地。鉴于成队士兵正步走过桥时容易造成桥的共振,后来各国都规定大队人马过桥,要便步通过。

在我国的史籍中也有不少共振记录。唐朝开元年间,洛阳有一个姓刘的和尚,他的房间内挂着一幅磬,他经常敲磬解烦。一天,刘和尚没有敲磬,磬却自动响起来了,这使他大为惊奇,久而久之终于惊扰成疾。他的一位好朋友曹绍夔是宫廷的乐令,不但能弹一手好琵琶,而且精通音律(即通晓声学理论),闻讯前来探望。经过观察,他发现每当寺院里的钟响起来时,和尚房里的磬也会跟着响。于是曹绍夔拿出刀来把磬砍去几处,从此以后就不再自鸣了。

他告诉刘和尚,这磬的音律(即现在所谓的固有频率)和寺院的钟的音律一致,敲钟时由于共振,磬也就响了。将磬砍去几处就是改变它的音律,这样就不会引起共鸣了。和尚恍然大悟,病也随之痊愈。

登山运动员登山时严禁大声喊叫,因为在喊叫声中如果某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合,就会因共振引起雪崩,后果十分严重。

永动机的永动谎言

通过能量守恒定律我们知道永动机是不可能被造出来的,但是在历史上,永动机在开始时并不是骗术,它来自人类对能源的渴求。古代的人们有三种渴求:长生不老、永不枯竭的能源和取之不尽的财富,因此出现了与之相对应的三种活动:炼长生不老药、造永动机和点石成金。这三件事情至今都没有做成,很可能永远也做不成,但也并不是毫无价值。

古人在炼丹过程中发明了火药;炼金术使得人们逐渐明了各种物质的性质,导致了现代化学的产生;对永动机的追求,使人们发现了热力学第一定律,进而奠定了现代物理学基础。人类早期一厢情愿的追求,产生了科学实践的畸形动因,引发了很多重要科学的发现。

永动机的构想,开始主要出现在机械学领域,后来逐渐转移到热学领域,在人们对电磁现象还不了解的时候,就有人尝试利用电磁制造永动机,现在,又转移到了生物学领域。永动机是指违反热力学基本定律的永不停止运动的发动机。

有人认为永动机这个名词不是很恰当,说“如飞轮之类,一旦开始运动,若无摩擦阻力作用,是可以永久继续运动下去的,这在实际上虽然不易实现,但是在道理上说得通,可以看作一种实际的极限情况。”他们还认为:“所谓永动机并不是指这种情况,不是试图去保持永恒的运动,而是期望在没有外界能源供给,即不消耗任何燃料和动力的情况下,源源不断地得到有用的功。”

事实上,能量的转化是有方向性的,自然界里无论什么运动都会产生热,热向四周扩散,成为无用的能量。如果不补给能量,任何运动着的机器都会停下来,如果这种永动机真的能够制成,那么就可以不使用任何自然能源无中生有地得到无限多的动力。但是,至今永动机还是未能发明出来,没有任何一部永动机被实际地制造出来,也没有任何笫二个永动机的设计方案能经受科学的审查。

欹器的力学原理

我国古代最有名的学者孔子是鲁国(在今山东省西南部)人,他在鲁国首都曲阜办的私人学校学生很多。