书城科普有趣的力学
14753400000018

第18章 力的有趣故事(1)

趣味故事是我们都爱读的,但趣味之中所蕴含的内在力量,却不是我们都能理解的。本章列举关于力的有趣故事,来让我们更深刻的理解力的本质与作用。以促使我们爱力、学力、用力,让人生更“给力”。

航天员回到地球为啥重新学习生活

一位名叫阿·尼·别列扎沃伊的俄罗斯宇航员于1982年8月13日作为指令长进入太空,并在空间站工作了211天9小时4分32秒,创下了当时在太空连续停留最长的纪录。在太空停留了7个月后回到地球,有人问他回来后有哪些特别的感受,他深有感慨地说:“需要重新习惯地球上的生活。”

他举例说,他们从发射场被送回饭店用餐时,拿起勺子喝汤,会觉得拿的不是一把很轻的勺子,而是一台又大又沉的熨斗;想喝水,拿起杯子才喝了几口手就不自觉地松开了,结果杯子掉在地上摔的粉碎;朋友跟他借照相机用,他顺手把相机朝前一推,结果掉在地上也摔坏了……

这是什么原因造成的呢?因为太空是一个不受力的环境,在那里拿任何物体都不费任何力气,航天员在飞船上拿起任何一个“重物”都跟捡起一小片纸屑一样轻松,把水杯、钢、纸、照相机等各种物体随手一放,它们就会安稳地“浮”在空中;同伴要借用物品,只需将物品向对方轻轻一推,物品就会径直向他“飞”去……航天员在太空生活较长时间后,习惯了不受力的环境,当他们刚回到地球时,仍然保留着太空中的习惯动作,于是就闹出了前面一些小笑话。

这位航天员的感受蕴含着这样一个深刻的物理道理,那就是运动和力的关系,也就是说,维持物体的某一种运动状态并不需要力,力作用的结果是改变了物体的运动状态。

海豚皮肤带来的启示

在海洋里,有一种比猴子还要机灵的动物,它就是海豚。对海豚进行训练后,它们能打乒乓球,能跳火圈,如同杂技团的演员。曾有人训练海豚和猴子学开电源开关,普通猴子二三百次才能教会,而一般海豚15~20次就学会了,有些机灵的海豚,5次就能掌握。

海豚是游泳能手,它虽然只有二三米长的身躯,几百斤重,可它每小时却可以游三四十千米的路程,相当于鱼雷快艇的中等速度,而且能把普通船只远远地甩在后头。

海豚在水中的“神速”由何而来,当一个固体在另一个固体表面上有相对运动或相对运动趋势的时候,存在摩擦阻力,这是一种干摩擦。另外,当固体相对于液体或气体而运动时,在固体与液体或气体的接触面上,也作用有阻止相对运动的摩擦力,这种摩擦力称为湿摩擦。

当固体浸没在液体或气体中而运动时,除了受到湿摩擦力外,同时还受到液体或气体的压力。迎面所受的压力大于背面所受的压力,因此这种压力也起到阻碍固体在液体或气体中的运动,这种阻力称为介质阻力。

介质阻力和湿摩擦力的总和就是固体在液体或气体中所受的摩擦阻力。正是水的摩擦阻力影响了人在水中游泳的速度,影响了船在水中的航速,当然也会影响鱼在水中的速度。船体造成流线型,就是为了减小这种摩擦阻力,从而提高船的航行速度。

虽然海豚也具有流线型的体态,按常规,从它的体形、身长、体重来分析,不可能达到每小时游三四十千米的速度。经过人们长期研究和观察,发现促使海豚具有“神速”的奥秘是在它的皮肤上,原来,海豚的皮肤特别松软,整个皮肤外层小管中充满海绵物质。当它游泳时,这海绵状的皮肤表层能“随机应变”,按照水的紊流作波浪起伏,使它的整个皮肤表层变得和水波的形状一样。

如此变化的结果,使水对海豚的摩擦阻力减少了90%,这就是海豚游泳速度极快的主要原因。之后,人们模仿海豚皮肤的结构,造出了一种柔软的人造海豚皮,用它覆盖在潜艇钢壳的表面,就能使潜艇的航速大大提高。

鱼鳔与潜艇

鱼儿能在水中自由自在地游动,与它体内有一个叫做鳔的特殊器官大有关系。有许多种鱼,如鲫鱼、鲤鱼,在背部的下面有一个长筒形的、薄薄的白色气囊,这个气囊就是鱼鳔。

鱼鳔中充满了空气,这些空气是从鱼的液体中扩散进去的。鱼鳔中的空气量可以自由调节,从而改变了它的体积。当游鱼上升时,它便让气囊充满空气,这时鱼的体积增大,排开水的体积也随之增大,而鱼的体重并没有改变,这时鱼受到向上的浮力大于鱼的重量,鱼儿上升了。

当游鱼下降时,它会减少气囊中的空气,鱼儿的体积减小,排开水的体积也随着减小,浮力要比鱼儿的重力小,游鱼就下降了。而当气囊中的空气被调节到某个适当的量,使鱼儿的重量与它所受浮力相等时,那么,鱼儿就可以停在水中某处“原地”休息了,由此,鱼儿能沉浮随意并不“神奇”。

潜水艇在海中也和游鱼一样,沉浮如意,这是因为潜水艇中有几个用钢板做的浮筒,它的作用与鱼鳔的作用是一样的。当潜水艇在水面上航行的时候,几个浮筒全是空的。当潜水艇需要潜入水中时,人们便将浮筒中的空气抽掉,让海水流进,流入浮筒的海水越多,潜水艇的重量就越大,当潜艇的重量超过海水给它的浮力时,潜艇便潜入海底下了。

当然,进入浮筒中的海水越多,潜艇入水的加速度越大。要让潜艇重新浮上来,只要开动气泵,将压缩空气打进浮筒,迫使浮筒中的海水排到浮筒外,潜艇便会减重,当重量小于浮力时,潜艇又上升了。潜水艇之所以沉浮自如,其秘密也不外乎在浮力的利用上。

利用浮筒还可以打捞沉船。这种方法被称为“浮筒打捞法”,用这种方法打捞沉船的时候,作业船将几个浮筒拖到沉船的海面上,灌进海水,浮简便沉入海底。与此同时,派潜水员潜入海底,用钢索将沉入的几个浮筒牢固地拴在沉船两侧,潜水员的任务完成了,回到作业船上。然后,开动作业船上的压气机,将压缩空气送进浮筒,排出浮筒里面的海水,沉船便会跟着浮筒浮上来了。

猫尾巴的功能

倘若有人不小心从楼上掉下去会怎样?当然是非常危险的。但如果让猫四脚朝天地从楼上摔下去,它却可以安然无恙,在它四脚朝天往下落的最后一刹那,它会把尾巴一甩,整个身体便翻转过来,四肢着地,最终平安无事。为什么猫尾巴一甩,它就能转身呢?

原来,转动的物体也有保持其惯性的性质。电动机切断电源之后,仍要继续转动相当长的时间之后才能停下来,这就说明转动物体有保持其转动习惯的性质。物体转动惯性的大小叫做转动惯量,它与物体的质量有关,物体的质量越大转动惯量也就越大,不仅如此,物体的转动惯量还与物体质量的分布情况密切相关。

譬如,两个质量相同的轮子,一个边缘比较薄,一个边缘比较厚。它们的质量分布是不一样的,边缘比较薄的轮子质量的分布离通过中心转轴比较近,它的转动惯量比较小,而那个边缘比较厚的轮子质量的分布离通过中心转轴比较远,它的转动惯量比较大。这就难怪机器上的飞轮要做得比较沉重而且边缘比较厚,是为了增大转动惯量,使机器在运转过程中平稳。

力学上还有一条重要的定律,叫做动量守恒定律:当物体不受外力矩作用时,物体的转动惯量与角速度的乘积不变。这样,当物体不受外力矩作用时,如果它的转动惯量变小角速度将增大,而转动惯量变大时则角速度将变小。

在花样滑冰表演中运动员旋转时会突然把张开的双臂向胸前收拢,他们的身躯绕着自己的轴越转越快,令观众眼花缭乱。原来,当花样滑冰运动员突然收拢双臂时,他身体的质量重新分布,离转轴近了,这样,他的转动惯量变小,根据角动量守恒定律,转速就加快了。

芭蕾舞演员作转体表演时,也是利用这个道理,先把双臂伸开,踮起脚尖旋转,然后迅速收拢双臂,转动惯量随之变小,角速度便随之而变大,旋转便加快了。猫刚从楼上摔下去的时候,身体并不旋转,角动量等于零,即将落地时把尾巴一甩,在甩动的方向上就有一个旋转的角速度。

此时,猫并未受到外界的作用,因此必须有一个与甩动角速度方向相反的旋转,才能保持角动量等于零,这个反方向的旋转,就是猫翻转身体的旋转,加上猫很灵巧,迅速收拢身体,使它的转动惯量减少,从而身体旋转速度加大,一下子就把身体翻转过来,四肢着地,这样便安然无恙了。

利用这个原理,还可以用来判断生熟鸡蛋。有一生一熟两个鸡蛋,如何既不打破蛋壳又能把它们辨别出来呢?可以这样判别:用同样的力,使这两颗鸡蛋在桌面上转动,此时会发现这两颗鸡蛋转动的快慢并不一样,转动快的那颗鸡蛋是熟的,而转动比较慢的那颗鸡蛋是生的。

此外,还可以这样判断:当它们旋转之后,用手轻轻地在它们上面按一下,其中一个立即停止转动,而另一个仍摇摇晃晃地再转几圈。这时即可断言,立即停止转动的那颗鸡蛋是熟的,而摇晃着再晃几圈的那颗鸡蛋是生的。

原来,生鸡蛋里面的蛋黄和蛋白处于液体状态,可以流动,而熟鸡蛋中的蛋黄、蛋白处于固体状态,与蛋壳连成一体。我们转动鸡蛋时,生鸡蛋的壳开始旋转,而里面液体状态的蛋黄与蛋白却要保持自己原来的静止状态,这就使得整个鸡蛋的转速慢,而熟鸡蛋的蛋黄、蛋白与蛋壳是一个固态的整体,因而很快地旋转起来了。

乌贼和喷水船

乌贼是我国著名的海产,它虽属于贝类但却没有外壳,属于软体动物,由于它具有施放黑色“烟幕”的本领,所以人们才将它叫做乌贼,也叫做墨鱼。它的头上长着10只长脚,身上有一个墨腺,依靠这个墨腺,乌贼能制造出乌黑如墨的分泌物,一受刺激,乌贼便将这黑色的分泌物喷出,将周围的海水染得墨黑,在这“黑幕”的掩盖下,乌贼将出其不意地捕捉它的食物,或逃避它的敌人。

大乌贼有18米长,30000千克重,它能将海中的大鲸击败,小船遇上了它也有危险,曾经有一条小船被大乌贼的长腿所缠绕,幸好渔民迅速用斧头砍断了它的脚,才避免了一场灾难。

乌贼善游泳,有“海里火箭”之称,其游泳的速度在海里的生物中也是名列前茅的。当乌贼慢游时,是依靠它身体两侧鳍的摆动,显得潇洒、斯文。当它需要快速冲刺时,则利用喷水的方法使游速高达五六十千米/小时,且轻捷如燕。乌贼喷水游泳的独特方式,与火箭飞行原理是一样的。

全身都是软肉的乌贼,有一个很大的外套腔,上部有一个环形进水口,从进水口进入外套腔的水,由软骨组成的“活门”将其关闭起来,这样,外套腔这个“贮水器”中就贮满了水。在乌贼的头部,除了10只长脚和眼睛外,还有一个类似漏斗的喷水口,这个喷水口长得内口大而外口小,是个绝好的喷嘴。

当乌贼收缩它强有力的肌肉时,便压迫外套腔中的水从喷水口猛射出去,宛如火箭喷射出的烟火。这时,乌贼便能以很快的速度向后退去,贮水器中的水喷完了,收缩的肌肉就松弛了,“活门”重新开启,水又进入贮水器,这时便可以进行第二次喷水,喷水口一次又一次地喷水,使乌贼连续不断地向后迅速退去。

上天的火箭喷出的是烟火,“海里火箭”喷出的是水;火箭的燃料要一次带足,且造价昂贵,乌贼的“燃料”却可不断更新,且海水是自然之物,取之不尽,用之不竭。火箭所能达到的最大速度,与火箭的“级”数有关,而“海里火箭”喷水的次数可以是任意的,前进的速度是“随心所欲”的。

在内河运输中,有一种喷水拖船,这种拖船上装有水泵,将江河中的水抽进船上的贮水箱中,然后由船尾喷射出去,这样拖船便能向前行驶了。这种船是模仿乌贼设计制造的。

由于喷水拖船是依靠喷水行驶的,因此它不像轮船那样,需要在水下安装螺旋桨,它能在浅水中行驶,这是轮船所办不到的。

雁阵的节能原理

尽管南来北往的大雁们那划破苍穹的长鸣并非整齐划一,但是即使是在茫茫夜航之中,它们的队形也总是秩序井然。

从鸟翼扑动的空气动力学分析中得知,当翅膀扑下去的时候,翼上方的空气便变稀薄,压力随之下降,形成一个低压区,相反,翅膀下方则成高压区,身体便被举起。当领头雁双翅扑动飞行时,其双翅翼梢各产生一股“压差气流”。

于是其身后的雁便依靠这股上升的气流托住一只雁阵翅膀,它又可托住身后一只雁的一只翅膀。因此除了领头雁外,所有的雁均处于单翅飞行的状态,它们正是利用这股微弱向上的“压差气流”,节省体力以求胜利抵达目的地。

无独有偶,长途洄游的鱼也总是列队前进,井井有条,它们也同样深知借助第一排鱼游动所造成的一股前进的水流力量前进,而且还要不时地调换自己的位置,时而游向费力的奇数排,时而退往省力的偶数排。人类的本领当然远远凌驾于各种生物之上。人们不但善于开发各种新能源,而且也巧于节省各种能源。

就拿目前被列为“第五能源”的“节能”来说吧,人们早就十分重视了。比如本世纪初英国人威廉·韦香特有感于夏季早晨的大好时光竟为人们睡梦所浪费,于是首先提出了改变夏季作息制度的建议——初夏把时钟拨快1小时,等到秋分再拨回。

保守的英国议会曾三次否决了这项建议,倒是德国看出了它的巨大获益,尽管当时第一次世界大战厮杀正酣,但他们还是率先于1916年采用了夏时制,几天之后,法国、意大利、葡萄牙、荷兰、丹麦、挪威、瑞典、奥地利也都争先效尤。