书城科普有趣的力学
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第19章 力的有趣故事(2)

法国议会更是通过法令,说夏时制乃“珍惜电、石油和天然气”之举。到第二次世界大战期间,为了更多节约燃料,更充分地利用白天的光线干第二班的活,甚至采用过“双倍”夏令作息时间,甚至将时钟拨快2小时,据说,德国每年节省费用1亿马克。

英国专家1970年对夏时制的经济效果的调查指出,每年节约的燃料费值1亿英镑左右。据统计由于白天“延长”,交通事故可减少3~4%。至于下班后那“多出来”的1小时更是谁都高兴的,早起早睡不还是长寿之道吗?

牵牛花·蛇与欧拉公式

牵牛花,细细的藤,青青的叶,开出喇叭形鲜艳的花,藤不断地向上爬,花开了又开,呈现出欣欣向荣的景象。

牵牛花自己不能自立,只有找“靠山”伸直身子,生存要求它必须具备向上爬的本领。它的藤上生长着很多的“小毛毛”,这与南瓜藤、丝瓜藤没有什么区别;仔细观察就会发现牵牛花的“小毛毛”比其他藤长得高明。

它是斜着向下生长的,每一根“小毛毛”像一把把小钩子,钩着竹竿向上爬,这对增加藤与竹竿的摩擦力起到很大作用。牵牛花的藤还螺旋式的一圈一圈地绕着竹竿上升,就是在大风中也能相依为命,连在一起。

由牵牛花的藤,使人不禁想到了蛇,蛇能用尾巴缠住房檐下的椽子,整个蛇身悬在半空,把头伸向雀窝,享受着美味的雀蛋。

牵牛花能绕圈上爬,蛇能用尾巴绕圈经得住本身的重量,自然界的这种现象,也反映在日常生活及工业上,这种现象要求人们对它进行科学解释,于是大批科学家投入了辛勤的劳动。一位发表过750多篇论文的数学家、力学家欧拉(1707~1783年),在1765年终于找到了答案,就是有名的欧拉公式,它为工业上皮带传动的计算奠定了基础。

把绳绕在轴上,当抓住其中一端时,另一端可以承受很大的荷载。可以承受的荷载与缠绕的圈数有关,与绳和轴的摩擦系数有关,与抓住绳的一端的拉力有关。欧拉根据这些总结出了具体的计算公式,并为实践所验证。

将一根很结实的绳子缠绕在圆截面的横梁上,绳子的一端有人拉着,一般拉力为20千克,绳与圆截面横梁的摩擦系数一般为0.3。当缠绕半圈时,大约可拉起一辆自行车;当缠绕一圈半时,可拉起一辆摩托车;当缠绕两圈半时,可拉起一辆小轿车;当缠绕三圈半时,可拉起一辆十轮卡车。随着圈数的增加,可以拉起的重量不断增加。

其实,人们早就利用这种方法来拉住物体了。在长江上的航船每到一地船要靠岸时,都可以见到船工操作:首先,船上船工向岸上船工抛过去一根麻绳,岸上船工接绳后立刻在矮铁柱上一绕,然后,慢条斯理地在两个矮铁柱上缠起“8字”来,越缠越多,最后打了一个结,让摩擦力拴住大轮船!据说,关键就在于麻绳后的第一绕圈。

大象和蚂蚁的童话

著名作家秦牧写有《艺海拾贝》一书,其中有一篇“象和蚁的童话”:“有一头大象和一只蚂蚁比赛力气,请仙人裁判。”

大象挥动长鼻子拔起了一棵大树,卷着来回走了一程,显得十分自豪;蚂蚁,不慌不忙咬断了一根小草,吃力地把它拖着走了一段路,仙人看了,出乎一切动物意料之外地评判道:“我认为蚂蚁的气力比象大,因为象拖动着大树,没有它的身躯那么重。而蚂蚁呢?它衔着的小草都已经等于它的体重的25倍,单就大树和小草的重量来说,大树自然要比小草重得多。但是按照一只动物的大小和它能够拖走多重的东西比较一下来说,蚂蚁的气力却比大象大好几十倍了!”

从做功的角度来说,蚂蚁的气力与大象的气力相比是微不足道的,但仙人主要的论点是大象卷起的大树与大象本身重量之比为1∶1,而蚂蚁拖着的小草与蚂蚁本身重量之比为25∶1,既然大象气力大,为什么不能像蚂蚁那样,背起是自己体重25倍的物品呢?

这个问题很早以前已经引起人们的注意,伽利略在《关于两门新科学的对话》一书中,借书中主人公萨尔维亚蒂之口说:“一只小狗可以背起两只甚至三只同样大小的狗,可是一匹马却不一定能够背起哪怕是一只同样大小的马。”

原来,所有的动物承受重物,关键在于动物的骨骼,骨骼的承受能力是骨质的强度(单位面积上承受的力)与骨骼横截面有效面积的乘积。小狗骨骼的骨质强度与骨骼横截面有效面积的乘积,决定了小狗能背起两三只小狗。

所有动物的骨质强度都差不多,即马的骨质强度与小狗差不多,虽然马骨大,马的骨骼横截面有效面比小狗大,但大得毕竟有限,所以马骨比小狗的骨承受能力大得也有限,故马只能背起与它差不多大小的马了。

大象骨骼要承担的力比蚂蚁骨骼要承担的力大千万倍,但大象的骨质强度不可能比蚂蚁的大几十万倍,因为大自然不可能造出比蚂蚁骨质强度大几十万倍的材料,况且,大象的骨骼除了负担大象自身硕大的重量外,富余能力已不多,否则将会造成骨折的危险,对于按比例负担重量来说,大象只好甘拜下风了。

长臂猿与离心力

英国人赫胥黎著有《人类在自然界的位置》一书,书中引述了马丁对敏捷的长臂猿的报道,其中有一段:“它(雌长臂猿)动作的敏捷和优美,几乎难于用文字表达,它在林中从这枝到那枝,好像仅仅触着枝上一点点,真如飞腾在空中一样,而且每一次极其轻易地移过12英尺(相当于3.66米)至18英尺(相当于5.49米)的距离。

几小时持续不断地移动,也毫不出现疲乏的样子。显然,如果林中有更大的空地,长臂猿一次的移动还远远不止18英尺远呢!因此迪沃歇说,他曾看过长臂猿从一树枝到另一树枝,一跃相距40英尺(相当于12.19米)。

这话虽然很惊人,但还是可以相信的。有时在握着树枝前进时,它用仅仅一臂之力,绕着树枝旋转一圈,转动之快速几乎使眼睛来不及观察,随即又以同样的速度,继续前进……它的身体好似用绳挂在树上一样。”

长臂猿在平地上的行进是相当笨拙的,它高举前肢以保持身体的平衡,犹如庙会上走钢丝的艺人,显然,它真正的本领在树林中,无论玩耍、争食、逃跑,都离不开圆周运动。它身材虽然不及人的一半高,而且又瘦又小,但用离心力作为一切活动的手段是任何其他动物所没有的,尤其当它行进速度减下来时,“它用仅仅一臂之力,绕着树枝旋转一圈”,作为加速的动力,再度发挥出它特有的本领,可以称得上利用离心力的大师。

在体育运动中,有一项链球运动,人挥舞着带链的球,利用离心力把链球抛出去,但动作之优美、自然却不及长臂猿了。人类利用离心力到底比长臂猿聪明,因为人类能思索、能创造,比如离心分离器,在两只金属管内放置好要分离的液体,当旋转时,两只金属管里原来垂直下挂成为水平乳状的混合液在旋转后取出时,在金属管的底部为沉淀物,物面上部为清水。

人类对离心力的利用远非这些,其他如洗衣机的甩干、蒸汽机中的飞球式调速器、制糖工业中分离糖蜜液体、铸造工业中离心浇铸法,等等。

使用火炮的骡子

这是一个真实的故事。

100多年前,在美国西部的一个要塞中,一名爱动脑筋的少校想:“现在的炮车要马和骡子拉,道路不好走时,还要把它拆开来驮运,射击时再组装起来,太麻烦了。如果把火炮直接安装在马和骡子背上,不但行军速度提高了,而且进入、撤出阵地的时间也会大大缩短。”他把这个想法上报给要塞司令官,司令官大加赞赏,决定让少校马上组织实验。

少校命令士兵们挑选了一门榴弹炮和一匹非常健壮的野战骡子。士兵们七手八脚地用皮带把榴弹炮炮口朝后牢牢地捆在骡子的背上,并且在炮管里装入一枚球形榴弹,少校把骡子牵到悬崖上,让它转过身来使炮口指向河中的目标,军官们在距骡子不远处围着骡子站成一个弧形看热闹。少校得意洋洋地宣布:“世界上第一门自行榴弹炮射击实验开始。”接着把定时引信插入榴弹炮火门中。

骡子听到自己背上发出嘶嘶的响声,心神不安地害怕起来。它转过头来想看看到底是什么东西在自己背上,这一回头不要紧,身子也跟着转了过去,炮口在水平方向横扫起来,当它看清楚是刚才捆在自己背上的那个大黑家伙在冒着烟时,一下子惊蹶起来,四条腿缩成一束原地打起转来。榴弹炮的作用半径是3000米多,眼看周围的每一个人都有被炮弹击中的危险。

军官们慌乱起来,要塞司令官像猴子一样爬到一棵大树上;中尉们连滚带爬地向崖边跑去,一个接一个地跳进河中。副官掉头撒腿向要塞跑去;军士们原地卧倒,用刺刀匆匆地建造着围墙;少校则被骡子撞倒在地上。骡子的背上不断地喷出一团团烟雾,随着沉闷的一声巨响,骡子往后边连续翻滚着摔下了悬崖,而炮弹却朝着要塞飞来,正好击中了少校宿舍的烟囱。聪明的少校为什么会失败,原因是他忽略了火炮射击中的后座力。

炮膛内火药气体产生的压力推着弹丸向炮口方向运动时,会产生一个向后的力,推动炮膛后壁,这个压力即使在那时火炮威力较小的情况下也有几千千克之大,几千千克的力一瞬间作用在体重不足一二百千克的骡子上,后果不难想象。这次失败给人一个启发:注意后坐力。因此现代自行火炮除具有反后坐力的装置外,还把火炮装在一个很像坦克底盘的大铁家伙上,就是充分考虑了后坐力的缘故。

蜘蛛的液压腿

从古至今,凡是和蚊子打过交道和领教过蚊子叮咬的人,没有不憎恶的,人们一直在想方设法消灭各种各样的蚊子。

蜘蛛是蚊子的天敌,它有八条腿,腹部后端有六个吐丝器,六个吐丝器外面有一千多个吐丝孔。每个小孔泌出一滴黏液,这液滴遇见空气便变硬成丝,一千多根细丝又并起来成为一根黏性的细丝,这就是我们所见到的蜘蛛网上的蛛丝。蜘蛛丝非常细,大约只有人头发的十分之一。

蜘蛛用这些细丝编结成具有黏性的网,编织成功之后,它便躲到一边,静等“自投罗网”的蚊子。每到夏、秋两季傍晚,蚊子纷纷出动向人类袭击,它们嗡嗡作响,横冲直闯。它们不会想到有的会被人们打死,有的难逃蜘蛛的“法网”。那些落到蛛网里的蚊子挣扎晃动着蜘蛛网企图逃掉,可具有黏性的蜘蛛丝却将它紧紧缚住,动弹不得。

蛛网被晃动,躲在一旁的蜘蛛便得到了“果实”飞来的信号,它驱动那八条“液压腿”迅速赶到那里,美餐一顿。

“液压腿”,这名字有些令人费解。原来,蜘蛛的腿不像其他动物一样,里面没有肌肉而只有液体,它的爬行不是靠肌肉伸缩带动腿,而是靠液压的传动。蜘蛛能使腿中的液压剧增或锐减,并依靠液压的传动来使它的腿弯曲或伸直而爬动,因此人们叫蜘蛛的腿为液压腿。

液压传动在生产中也有广泛的应用。飞机起飞或降落后,都要依靠几个轮子在跑道上滑行,起飞以后,要将轮子收起;降落时又将轮子放下。飞机轮子的收起或放下,就是依靠液压传动进行的。拖拉机耕地时,经常要根据需要提升或降低它后面的农具,这项工作也是靠液压传动进行的。

在工厂里,有些车床的工作也有液压传动的功劳。矿井里使用液压金属支架,可以根据顶板的高度来调节高低,这调节过程也是利用液压的传动。总之,液压传动正在许多机械中大显身手。

善于运用物理学的鱿鱼

鱿鱼是游得最快的动物之一。仅看它们的外形就知道它们善游;菱形的肉质鳍像尖刀刺开海水,流线型的身体又减少了游泳的阻力。更重要的是,所有的鱿鱼都拥有“火箭推进器”——外套腔,利用喷水原理使身体前进。

鱿鱼的躯干外面包裹着一层囊状的外套膜,外套膜里面则是一个叫外套腔的空腔。一旦灌满水,外套腔的入口便扣上了,鱿鱼使劲挤压外套腔,腔内的水没处去,就从颈下漏斗喷出,喷水的反作用力推动外套腔向反方向前进。

为了使自己获得高速度,鱿鱼在进化过程中抛弃了沉重的外壳,用轻软的内骨骼支持身体。鱿鱼的游泳速度可达50千米/小时,逃命时更高达150千米/小时,被人们誉为“海中的活鱼雷”。鱿鱼能以两种姿势交替游泳,吃饱了,没有危险,它就用菱形鳍慢悠悠地划水,身体呈波浪型有规律地前进。

遇到危险或捕食时,鱿鱼则将尾部朝前,头和10个触手转向尾部,触手紧折在一起,利用喷水方式前进。这时它的身体成为优美的阻力最小的流线型。

本领最大的一种鱿鱼,还能表演凌空飞行的绝技,这种鱿鱼体长16厘米,当它们以极快的速度跃上波峰借着下跌的浪头滑到空中时,菱状肉质鳍成为稳定飞行的“机翼”。鱿鱼能飞7~8米高,然后落回海中,倘若不幸落在船甲板上,便成为海员的美味佳肴了。

章鱼与真空吸盘

20世纪日本皇室一艘满载朝鲜贵重瓷器的货轮在日本海沉没,尽管知道沉船准确地点,但因潜水员下潜不了那么深,于是求助于章鱼找捞。

章鱼跟乌贼一样,同属头足类动物。因为它的“脚”长在头顶上。章鱼的8只长脚活像8条带子,因此有人称为“八带鱼”。其实,章鱼本不是鱼,而是一种贝类。

章鱼脚上长有强有力的大吸盘,平时嗜好器皿,喜藏匿其中,吸附不出,人们利用它这个怪癖,得益不浅。