书城教材教辅课本上读不到的物理故事
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第9章 有趣的力学(8)

不过,这种情况搬到大气高层中,事情就变得大不一样了,即使是一个小物件也充满了危险性。当飞机以3000千米/小时的速度飞行时,哪怕是无意中丢出的物品,也能使它后面或侧面的飞机遭殃,因为它具有和飞机相同的速度,如果和其他以同样速度飞行的飞机相撞,它相对于这架飞机就具有6000千米/小时的速度。此时,这颗子弹就相当于从枪膛里射出去一样,极具破坏性。与之相反的是,如果子弹或者物体是跟随在同样速度的飞机的后面,即便两者相碰也会相安无事。

【物理碰碰车】

小狗的速干神功

给小狗洗完澡后,你一定看过它的“甩毛舞”吧!如果用放大20倍的仪器观察,我们可以看到:当小狗向左抖时,身上的水珠会随之向左运动,此时小狗再向右抖,惯性却导致水珠继续向左,于是就落下来了!是不是很眼熟?晒被子时总会用木棒左右敲打被子,作用是一样的!

给物体加个力:速度的相关概念

世界罕见的“超快”与“巨慢”

人类运动的速度有多快呢?如果将我们的速度与蜗牛、乌龟的速度比较,会非常有意思。我们都知道蜗牛和乌龟简直是世界上速度最慢的代表,蜗牛每秒钟可以爬行1.5毫米,也就是说每小时爬行5.4米,而一般人步行速度是蜗牛的一千倍!假如有人形容你慢得像蜗牛,你就可以理直气壮地反驳他说:“我比蜗牛快一千倍。”而与蜗牛同病相连的乌龟,也好不到哪去,它每小时仅仅爬行70米。

和蜗牛、乌龟相比,人类的速度显得十分敏捷。而不同类型的人,运动的速度也各不一样。人走路的平均速度为每秒1.5米,田径运动员跑1500米的平均时间大约为3分35秒,也就是运动员的平均速度为每秒7米。比较而言,运动员的运行速度实在很快。但其实这两者没有可比性。因为运动员的速度虽然很快,但只能在短时间内维持。人走路的速度比较慢,却可以每小时步行5400米,还能持续走好几个小时。人走路的速度胜在可持续性上,当然,步兵跑步行军的速度持续性更强。步兵行军每秒钟跑2米,连运动员速度的三分之一都不到,也就是每小时跑7000多米,但步兵的优势在于,能够以这样的速度走很远很远的路程。

我们可以嘲笑蜗牛和乌龟动作慢,但与大自然中其他运动相比,人类就显得黯然失色。虽然我们可以追上微风,也能够轻而易举地超过平原上河流的流速。但比起小小的苍蝇,它们飞行的速度是每秒钟5米,要超过这个速度,人只有踏上滑雪板才有把握。再比起一只野兔或猎犬,人即使骑马疾驶也很难超过它们。而要跟老鹰一较高下,人只能坐上飞机。更不用体世界上跑的最快的猎豹了,它每小时可以跑70公里。

【物理碰碰车】

运动最快的动物

虽然猎豹的速度世所罕见,但是世界上最快的动物还不是它们,而是人类,当然我们是投机取巧获胜的,因为我们有机器。

在水中,装有潜水翼的客轮速度可达60~70千米/小时;到陆地上,世界上最快的客运列车速度已达350千米/小时;到了空中,人类的运行速度又上了一个新台阶。目前,在许多航线上的客机平均速度约为800千米/小时,小型喷气式飞机的飞行速度甚至接近2000千米/小时,而人类还在不断地发明着机器,刷新着记录,速度快到超乎人类自己的想象。

能追上日月的神秘物体

我们知道飞机飞行的速度已经越来越让人们惊叹,如果与太阳、月亮赛跑,飞机还能赢吗?

美国著名作家马克·吐温在随笔《傻子出国记》中曾经记录了这样一段文字:

现在是烈日炎炎的夏季,每天天气都十分晴朗,我们从纽约出发,要横跨过大西洋驶往亚速尔群岛。我们注意到,在晚上的同一时间,月亮在空中的同一位置出现。这一奇怪的现象最初使我们十分不解,后来我们终于明白,因为我们行驶的速度为每小时跨越20分的经度向东行驶,而这个速度正好与月球运行速度差不多!

这其中的道理不难理解,因为月球绕地球运行的速度比较慢,只有地球自转速度的1/29。也就是说,在中纬度地带沿纬线行驶的轮船,只要行驶的速度达到25~30千米/小时,就可以“追上月亮”。这样看起来,速度更快的飞机完全可以追上月亮的速度。

不过,只要选好位置,飞机也可以轻松地“追上太阳”。例如,在高纬度地带的北纬77°,飞机只需以450千米/小时的速度飞行,就可以追上太阳。飞机以这样的速度并且沿着一定的方向飞行时,相对于随着地球自转而运动的地球表面的某一点来说,它们在相同的时间内运行的距离相等。因此,在这架飞机上的乘客看来,太阳是静止不动的。

【物理碰碰车】追上时间的飞机

飞机不仅可以“追上月亮”“追上太阳”,甚至可以“追上时间”。如果有人问你,飞机在上午8点钟从俄罗斯的符拉迪沃斯托克市起飞,能否在同一天上午8点钟抵达莫斯科?你可能不假思索地说,如果可能的话,那简直是天方夜谭。事实上,飞机肯定可以做到。这是因为符拉迪沃斯托克市和莫斯科市之间的时差为9小时。也就是说,如果飞机能在9个小时之内穿越符拉迪沃斯托克到莫斯科之间9000千米的距离就可以。9000÷9=1000千米/小时,只要飞机的速度达到1000千米/小时,就完全能够做到。而现在的喷气式飞机速度早已经具备了这种飞行能力。

“眨眼之间”都能做些什么

千分之一秒,这个时间对于人们而言可以忽略不计。因为一秒钟对于我们来说就是一瞬间的功夫,更不用说千分之一秒有多短暂了。但对于生活在我们周围的微小生物来说,这是一个不能被忽略的时间单位。如果它们能思考,也许会认为这个时间已经相当长了。

蚊子在一秒钟的时间里能够上下煽动翅膀500~600次,也就是说在千分之一秒的时间里足够蚊子把翅膀抬起或落下一次。人不像昆虫那样有某个器官能够做出如此快的动作。

在人们身上,最快的动作是眨眼,甚至有时候根本感觉不到自己眨过眼睛,更感觉不到有东西曾遮住过眼睛。所以人们常常用“眨眼之间”“一眨眼的工夫”来形容时间之快。如果我们用千分之一秒来计时,眨眼这个动作实际上进行得十分缓慢。

这个动作分为三个阶段:上眼皮垂下(75~90个千分之一秒);垂下后眼睑静止不动(130~170个千分之一秒);接着抬起上眼皮(大约170个千分之一秒)。经过测量,这个过程平均用时0.4秒,也就是400个千分之一秒。所以,千分之一秒的时间其实是相当长的,在这个时间里,眼睑就能够获得足够的休息。

其实,在千分之一秒里还可以做很多事。火车在这个时间里只能运行大约3厘米,声音则可以跑33厘米,超音速飞机能飞行50厘米左右;但是地球,它可以在千分之一秒内绕太阳转30米,而光能走300千米。这样看起来,千分之一秒是不是看起来长了很多?

如果我们的感觉器官能像昆虫那样敏锐,就能感受到千分之一秒钟的时间有多长,我们便可以体会到周围世界发生了怎样奇异的变化。

【物理碰碰车】人们为什么感觉不到千分之一秒

古代的时候,人们日出而作,日落而息,几乎没有时间概念,所以也就没有计时单位。随着时间的发展,人们开始用日晷、漏刻、沙漏等工具来记时,但这些工具上还没有分钟的刻度,仅仅是根据太阳的高度或者太阳照在物体上影子的长短来判断时间。到了18世纪初,钟表上才开始有分钟的刻度,而直到19世纪初才出现秒的刻度。所以在过去的几千年里,人们都没有养成感受千分之一秒的习惯,而且这么微小的时间,对人类来说也的确没有很大的意义。

环球旅行不要钱

旅行是一种极具吸引力的生活方式,不过旅途中的花销也让人很头疼,如果能有一种不要钱的旅行就好了!告诉你个小秘密,世界上真有这样的好事哦!

巴黎的报纸上曾经刊登过一则相当具有诱惑力的广告。广告里说,只需付上25个生丁(法国早期货币单位,100生丁等于1法国法郎)就可以享受一次美妙的旅行并且丝毫不会感觉到疲惫。这看起来就像天上掉馅饼,按理说应该不会有多少人相信。但事实上,有很多人忍受不了这巨大的诱惑,真的寄过去了25个生丁。当他们热切地期盼着即将到来的旅行时,却收到了这样一封让他们气愤无比的回信:

先生/女士:

请您选择最舒服的姿势、最放松的心情躺在您的床上,开始您的奇妙之旅。我们的地球无时无刻不在旋转着,站在地球上的您也在不停地运动。在巴黎所在的纬度上,您在一昼夜的时间里至少可以跑上25 000公里。请打开您的窗帘,这样您就可以一边旅行,一边欣赏沿途的风景了。

所有人的人收到的都是这样的回信,后来人们实在忍无可忍,就将这位先生以欺诈的罪名告上了法庭。他服从了法官的宣判,老老实实地交上了罚金。但交完罚金后,他竟然以戏剧性的态度说了一句伽利略的名言:“不管怎样,它确实是在转动!”

被告说得当然没错,地球上的每一位居民都围绕着地轴旋转,而且还以更快的速度绕着太阳旋转。我们运行的速度是每秒钟30千米,如果真的把这当作一次旅行,恐怕是速度最快的旅行了。当然,这样的旅行甚至连25生丁都不需要,你只要安静地看着窗外,一分钱都不用掏就可以完成这个旅游了。

那么,我们围绕太阳旋转的时候,是白天快一些还是夜晚快一些呢?

这个问题很让人迷惑,在地球上,总是一面是白天,一面是夜晚,这样如何比较快慢呢。实际上,这个问题问不是地球什么时候运动得更快,而是居住在地球上的人们,什么时候运行得更快。

我们都知道,地球不仅在围着太阳公转,而且也时刻进行着自传,这两种运动是同时进行的,但是方向并不是任何时候都相同。正午的时候,自转方向和公转方向是相反的,人们在地球上的速度就是地球的公转速度减去自转速度;而在夜晚的时候,二者的方向是一致的,所以人们在地球上的速度就是两者相加。所以,当大家进行不要钱的环球旅行时,晚上的速度要比中午快得多。

【物理碰碰车】

一昼夜是一年的神奇地方

我们都知道一昼夜就是一天,也就是24小时。地球公转一周是一年,自转一周是一昼夜。但是有些地方非常奇怪,它的一昼夜就是一年,那是什么地方呢?这神奇的地方就是南北两极,一年中,它们有半年是白天,半年是夜晚。

这是因为地球公转的时候并不是竖直的,公转的轨道平面与地轴总是保持66.5°的夹角,而且北极总是指向北极星附近。由于这个特征,地球在公转过程中,太阳有时直射在北半球,有时直射在南半球,有时直射在赤道上。一年中,太阳直射点总是在北纬23.5°与南纬23.5°之间移动。每年的3月21日左右到9月23日左右,太阳直射点从赤道移向北纬23.5°,然后移回赤道,此时北极处于“极昼”状态;在另外的半年里,北极处于“极夜”状态。南极与北极的极昼和极夜时间刚好相反。

徒手抓子弹,你也能

人能不能徒手抓住子弹呢?在一些电影或者书籍中,故事的主人公似乎能轻而易举地抓住敌人的子弹。这样的事情在我们看来就像天方夜谭一样,但是在第一次世界大战中,这种事情却实实在在地发生了。

当时一位法国飞行员正驾驶着飞机飞行在两千米的高空,他突然发现自己脸旁有一个东西在飞,最初他以为是昆虫就随手将其抓在手里,仔细一看却发现手中握住的竟是一枚德国人射出的子弹。

根据科学家的测算,子弹的初速度大概可以达到800~900米/秒,随着飞行中遇到的空气阻力,子弹的速度会渐渐减慢,最后当其冲力接近停止的时候,它的速度不过是40米/秒。而40米/秒的速度是飞机很容易达到的。一旦飞机达到这个速度,它和同向运行的子弹之间的相对速度就是零。此时对于飞行员来说,子弹就像是静止在空中一样。即便子弹由于同空气摩擦产生大量的热,可能会烫手,但是飞行员在飞行时是会戴手套的,抓住烫手的子弹,对他来说也不过是小菜一碟。

如果你也有机会遇到这样的事情,那么你也可以成为一个世人眼中的大英雄,拥有徒手抓子弹的传奇故事,不过千万记得戴手套哦!

【物理碰碰车】什么叫相对静止

当你坐在火车上的时候,你与火车都在进行高速运动,但是你并没有感觉到自己的运动,这是因为你与火车的速度相同,并且运动的方向也一样,此时你与火车就叫做相对静止。假使你能够跑得和火车一样快,当你在火车外面的公路上奔跑时,你与火车之间也不会拉开距离,此时你与火车也是相对静止的。你感觉到自己是静止的,是因为你选择了与火车相比,如果你与窗外的树相比,你就能发现自己是告诉运动的。你选来作为标准的物体就叫做参照物,参照物不同,我们的运动状态也不一样。