书城科普有趣的力学
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第22章 力的有趣故事(5)

有人以为火箭之所以会飞上天,是由于利用它里面燃烧的火药气体去推开空气,依靠空气的反作用才前进的。其实,这种认识并不正确,火箭前进是反冲运动的结果。火箭原来静止不动,点火以后箭筒里的燃料迅速燃烧,产生大量气体以很高的速度向后喷去。这就如同当你从平静的湖面上乘船靠岸时,要上岸就要站在船边上向后猛蹬,人才能跳向岸边,船却远远离开了岸边。火箭上天就是靠喷出的气体对火箭的作用推动的。

司马光砸缸

司马光出生于宋真宗天禧三年(1019年11月17日),当时,他的父亲司马池正担任光州光山县令,于是便给他取名“光”。司马光家世代官宦,其父司马池后来官至兵部郎中、天章阁待制,一直以清廉仁厚享有盛誉。

司马光深受其父影响,自幼便聪敏好学。据史书记载,司马光非常喜欢读《左传》,常常“手不释书,至不知饥渴寒暑”。7岁时,他便能够熟练地背诵《左传》,并且能把二百多年的历史梗概讲述得清清楚楚,可见他自幼便对历史怀有十分浓厚的兴趣。

此外,有一件事使小司马光闻名满九州,这就是流传至今“司马光砸缸”的故事。

有一次,司马光跟小伙伴们在后院里玩耍。院子里有一口大水缸,有个小孩爬到缸沿上玩,一不小心,掉到缸里。缸大水深,眼看那孩子快要没顶了。别的孩子们一见出了事,吓得边哭边喊,跑到外面向大人求救。

司马光却急中生智,从地上捡起一块大石头,使劲向水缸砸去,“砰!”水缸破了,缸里的水流了出来,被淹在水里的小孩也得救了。小小的司马光遇事沉着冷静,从小就是一副小大人模样。这就是流传至今“司马光砸缸”的故事。这件偶然的事件使小司马光出了名,东京和洛阳有人把这件事画成图画,广泛流传。

司马光砸缸的原理就是地球引力使水往低处流,水流出之后,人就得救了。

裁判员巧判胜负

有这样一个故事,甲乙两人在火车上比赛掷铁球,丙做裁判。火车尚未开动时,他们比赛了几次,但每次都掷得一样远,不分胜负,可是谁也不服对方。

火车开动并且作匀速直线运动时,两人出于各自的想法,都要求再比一次。于是甲站在车头一方向车尾方向投掷,乙站在车尾一方向车头方向投掷。结果两人掷的距离和车在静止时一样远,仍然分不出胜负。

这时两人更加不服气了,甲说,乙由车尾向车头方向投掷,沾了惯性运动的光,理由是乙掷出球以后,球除被乙投于空中的速度外,还有球本身原有的向车头飞行的惯性运动速度使球速增加了而乙又说甲沾了车在运动的光。理由是,当甲将球掷向车尾以后,球在空中运动的瞬间,甲也随着车与球作反向运动,所以甲掷球的速度除甲给以的车速外,还有球的惯性运动给以的速度。

裁判员丙听了甲乙的议论,略加沉思之后说,你俩说的都有道理,又都是片面的,甲只强调了球的惯性运动,而漏掉了车的运动,乙只强调了车的运动,却漏掉了惯性运动。

根据伽利略的相对性原理,当乙由车尾向车头投出球后,除乙掷球的速度而远离球体,两者合起向前运动,同时车亦有速度来,正好相互抵消,和在静止时投球的速度一样。

虽然由于由车头向车尾掷出的铁球,除甲掷外,还有一个迎着球而来的车速减去,但同时由于球本身的惯性运动也使两者正好相互抵消,其速度仍然和静止时于车的速度是球增加了速度一样。因此,无论车是停止着还是行进着,你俩投出的球速度都是一样。

气球的传奇

很久以前的人们只能在地面上进行各种活动,他们羡慕飞鸟能在蔚蓝的天空中飞翔,阅尽人间春色。为此人们做出了各种设想,有的制作了大的“羽翼”,但只能靠它滑翔,要“飞”上高空是不行的。

有的人想到了升腾的热空气,认为用一只口袋将热空气收集起来,这个热气口袋就能随热气升起来,如果将口袋做得足够大,下面系住篮子,人站在上面,人就能跟着热气口袋上升,翱翔于蓝天之下,与鸟比翼齐飞了,有了设想,聪明的人们就开始将它变为现实。

大约200年前,法国的一个小村庄里,住着两位富于幻想和勇于实践的弟兄,他们是若瑟夫·蒙特哥菲尔和埃青·蒙特哥菲尔。他们用纸制做了一个直径大约10米的大口袋,准备用它做热气球并让它上天。6月的一天,他们发出了公开表演的布告。

在当时,这是很新鲜和不可想象的事情,公开表演的那天,小村周围十几千米的人们一早就起来赶路,涌向这并不出名的村庄。在村庄的一块空地上,正烧着一堆半湿不干的破布和稻草,在燃烧的火焰上方,有一个被绳子绑着的巨大纸袋。

很快纸袋中充进了热空气,而且热气越来越多,直到这个热气球需要8个人才能将它拽住时,将绑气球的绳子割断,热气球腾空而起,参观的人群欢呼雀跃。气球升至数百米的空中后,随着里面热气的冷却,气球逐渐降落了。

由于微风的影响,这个气球落到了离它升起处约1千米的地方。这个实验引起了各方面的注意,消息很快传到了国王那里。国王下令让蒙特哥菲尔兄弟在他面前重复这个表演。按照这个旨意,蒙特哥菲尔哥俩于当年的9月19日,在巴黎的凡尔赛宫国王的花园里又升起了一个热气球。

比起第一次来,这个气球做得更大,载着三位旅客:绵羊、鸡和鸭。当热气球中的热气逐步冷却,气球飘落在附近的田地里。正在地里劳动的一位农民,对这几位来自天上的“不速之客”感到非常恐惧,而这三位动物旅客却悠然自得。

对此,蒙特哥菲尔兄弟俩非常高兴。因为在这之前没人知道高空的空气是否适合呼吸,现在这三位动物旅客安然无恙地返回地面,答案就肯定无疑了。

动物能上天的事实更激起了人们要上天的兴趣。一个月之后,勇敢的青年罗齐叶坐在用长绳索牢固地连扎在地面的气球上,在离地面30多米高的空中停留了25分钟,当他回到地面时,兴奋地他告诉大家,在这次实验中他尽情地欣赏了美丽的田园风光,确实心旷神怡。又过了一个月,罗齐叶和阿尔兰特开始第一次乘热气球在空中作自由飞行了。

飞行前,朋友们纷纷前来和他们挥泪告别,似乎他们的自由飞行就会死亡。热气球载着两位勇敢的人上升到数百米的空中,随风飘越了整个巴黎,最后安全返回地面。迎接他们的不再是朋友们的泪眼,而是欣喜和赞美……人类在空中飞行的愿望伴随着热气球的诞生而实现的。

为什么热气球能升起而带人飞行呢?

这个载人到空中自由飞行的气球,是利用热空气的比重小于冷空气比重这个条件,根据适用于气体的阿基米德定律制做的。整个气球体积做得很大,它整个“浸没”在流体——空气中,由于气球受到的浮力大小等于气球(包括吊篮)的体积与冷空气比重的乘积,这就是气球所排开气体的重量;这个数值比气球的重量要大,因为热空气的比重比冷空气的比重要小。这样,热气球便在浮力的作用下升起来了,随着空中微风,热气球可以飘移。

类似这种气球,我国很早以前就曾用它作为军事上的信号。汉武帝曾用质地轻的材料做成薄壳灯笼,下面点燃蜡烛,使薄壳灯笼内充满热空气,使灯笼腾空而起。这就是我国最早的“气球”,不需要羽翼,也不要机械的帮助,就能浮升在空中,而且自身很轻。所以体积越大,气球的载重能力就越大。由于气球具备这些其他飞行器无法相比的优点,所以直到发达的今天,人们仍然没有抛弃它。

气球并不只是作为人们旅行的飞行器而存在,它还被用在军事、科研等许多事业上。1871年,法国有人利用热气球从空中拍下了巴黎的照片,给了人们很大的启发。第一次世界大战期间,有的国家利用气球从空中照像,侦察对方的军事布置和调动情况。

气球不但可以载人,还可以用来观测,由于气球在大气高层姿态稳定,停留时间可长达数十小时,甚至于半年。让气球载上各种科学仪器,就可以得到一些高空大气层或其他的科学情报。

据资料记载,载人气球的高度1966年达到了3.7万多米;而无人气球的高度,1972年则达到5.1万多米。近些年,国外有人利用气球作穿越整个国家的飞行,还有人用气球作环球飞行呢!许多科学家还提出大胆的设想,将利用空气的浮力,建造巨型气球,在气球上面设卧室、餐厅和俱乐部,以及各种科学实验室,让它飘浮在30千米的高空,成为一座空中的科学城。

气体和液体的“奇怪脾气”

1912年秋的某一天,当时闻名世界的远洋巨轮“奥林匹克”号正在航行时,在离这座“漂浮的城市”100米左右的海面上,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号与它几乎是平行着高速行驶,像是要跟这个庞然大物赛个高低似的。

忽然间,那“豪克”号似乎是中了“魔”一样突然调转了船头,猛然朝“奥林匹克”号直冲而去。此时,舵手无论怎样操纵都无法将其控制,“豪克”号上的水手们一个个束手无策,只好眼睁睁地看着它将“奥林匹克”号的船舷撞了一个大洞。

到底是什么原因造成了这次意外的船祸,当时谁也找不出任何理由,海事法庭在处理这件奇案时,也只得糊里糊涂地判处船长行驶不当!

直至后来,人们经多方查证才算明白了,这次海面上的飞来横祸,是伯努利原理的现象。就是气体和液体都有这么一个“奇怪脾气”,当它们流动得快时,对旁侧的压力就小;流动得慢时,对旁侧的压力就大。这是力学家丹尼尔·伯努利在1726年首先提出来的,因此就叫做伯努利原理。

当两条船并排航行时,由于它们的船舷中间流道相对狭窄,水流得要比两船的外侧快一些,因此两船内侧受到水的压力比两船的外侧小,这样,船外侧的较大压力就像一双无形的大手,将两船推向一侧,造成了船的互相吸引现象。由于“豪克”号船只小重量轻,突然就跑得更快些,所以看上去好像是它改变了航向,直向巨轮撞去。

同样道理,每当刮风时,屋面上的空气流动得很快,等于风速,而屋面下的空气几乎是不流动的。根据伯努利的原理,这时屋面下空气的压力大于屋面上的气压。要是风越刮越大,则屋面上下的压力差也就越来越大,一旦风速超过一定程度,这个压力差就能一下掀起屋顶的茅草,使其随风飘扬,就象我国唐朝著名诗人杜甫《茅屋为秋风所破歌》所说的那样:“八月秋高风怒号,卷我屋上三重茅。”

同样道理,在火车飞速而来时,你决不可站在离路轨很近的地方,因为疾驶而过的火车对站在它旁边的人有一股很大的吸引力,根据测定,火车在以50千米/小时的速度前进时,竟有8千克左右的力从身后把人推向火车。

到水流湍急的江河里去游泳也是很危险的事,有人计算了一下,当江心的水流以1米/秒的速度前进时,差不多有30千克的力在吸引着人的身体,即便是水性很好的游泳能手也望而生畏,不敢随便游近,因为它会吞噬人的生命。

物体落下时候的重量

你可曾有过这样的经验,比方说坐电梯在开始下落的时候有一种恐惧的感觉?你会有一种仿佛向无底深渊跌下去的不寻常的轻飘飘感觉。这实际上就是失掉了重量的感觉:在电梯开动的最初一瞬间,当你脚底下的电梯地板已经落了下去,而你却还没有来得及产生同样速度的那一瞬间,你的身体几乎没有压在地板上,因而你的体重也就会非常小。

这一瞬间过去以后,你的这个恐惧的感觉停止了,这时候你的身体要用比匀速下落的电梯更快的速度落下去,就对电梯的地板施加压力,因此又恢复了原有的体重。

试把一个砝码挂在一只弹簧秤的钩子上,使弹簧秤连同砝码很快地落下去,注意秤上指示的数值(为了观察方便,可以把一小块软木嵌到弹簧秤的缝里,来注意软木的位置变化)。你会看到,在砝码和秤一同落下的时间里,弹簧秤所指示的并不是砝码的全部重量,而只是很小一部分的重量!假如挂着砝码的弹簧秤从高的地方自由落下,而你有办法在落下的路上观察秤所指示的数值的话,你会发现,这个砝码在自由落下的时候竟是一点重量也没有,弹簧秤所指示的数值是0。

即使是最沉重的物体,当它向下跌落的时候,也会变成仿佛完全没有了重量。这一点也不难解释明白。什么叫做“重量”呢?重量就是物体对它的悬挂点所施的下拉力或者对它的支点所施的压力。但是,自由落下的物体对弹簧秤并不施加任何下拉力,因为弹簧秤也跟着一同落下。当物体自由落下的时候,它既没有拉着什么东西,也没有压着什么东西。因此,如果有人问这个物体在落下的路上重量有多少,就等于问在它没有重量的时候重量有多少。

还在17世纪,奠定力学基础的伽利略就曾经写道:下面一个简单的实验,清楚地证明了这种看法的正确。

把一只夹碎胡桃用的铁钳放到天平的一只盘上,这只钳的一只“脚”平放在盘面上,另一只脚用细线挂在天平的挂钩上。天平的另一只盘上放砝码,使两边恰好达到平衡。现在,用一根燃着的火柴把细线烧断,于是,原来挂在钩上的一只脚就落到盘上来。