书城科普透析万物的物理时空(新编科技大博览·B卷)
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第8章 力和运动(3)

再看一个有趣的问题,它的答案是许多人意想不到的。

经常有人开玩笑问:一吨铁重还是一吨木头重?有些人会想也不想地说一吨铁重,结果引起周围人的哈哈大笑,他忘记了都是一吨重。

但是要是有人回答一吨木头重的话,那么周围的人一定会笑得更厉害,认为这个人比第一个人更笨。可是这个看似荒谬的回答,实际上非常正确。

这是什么原因呢?原来阿基米德原理不但对液体的适用,对气体也同样适用。因此一个物体的真正重量,应该是它在真空中称出的重量。可是我们平常所说的重量,都是在空气里称出来的。既然是在空气里称出的,就要受到空气浮力的作用。右图中F表示空气浮力,P表示物体的重力,所以在空气中物体称出的重量是T=P-F,方向向下。因而要求出物体的真正重量P,就应该把空气的浮力也加上去。在这个问题里,木头的真正重量,应等于在空气中一吨木头的重量再加上木头所排开的空气的重量;而铁的真正重量则是在空气中一吨铁的重量再加上铁所排开空气的重量。

但是,一吨木头所占的体积大约是一吨铁的16倍,一吨木头的体积约占2立方米,而一吨铁约占1/8立方米。我们知道空气的重量是每立方米1.29公斤,所以木头和铁所排开的空气重量分别为2.58公斤和0.16公斤,两者相差约2.42公斤!也就是一吨木头比一吨铁重2.42公斤。确切地说,在空气里重一吨的木头的真正重量,比在空气里重一吨的铁的真正重量重。

因此对于此问题,正确的答案应是:如果是在空气中称它们,然后在真空中比较的话,则一吨木头重。可见在什么条件下称重量,以及在什么条件下进行比较,是相当重要的。

物体的重量会变化

要是有人对你说:一个物体的重量不是固定的,会随着地点的不同而变化,你相信吗?

事实正是这样,把物体放在不同的地点,它们的重量的确会发生变化。

曾经发生过这样一件事:一个商人在荷兰向当地渔民买进5000吨青鱼,装上船从荷兰运往靠近赤道的索马里首都摩加迪沙。到了那里,用弹簧秤一称,青鱼竟一下少了30多吨。奇怪,鱼到哪里去了呢?被偷是不可能的,因为轮船沿途并没有靠过岸。装卸中的损耗也不可能有这样大。大家议论纷纷,谁也无法揭开这一秘密。

后来,终于真相大白。鱼既没有被偷,也不是装卸造成的损耗,而是地球自转和地球引力开的玩笑。

原来,一个物体的重量,就是物体所受的重力的大小,是由地球对物体的吸引所造成的。但地球不停地转着,会产生一种自转离心力。因此物体所受重力的大小,等于地心引力和自转惯性离心力的合力,应当是地心引力减去自转惯性离心力在垂直方向的分量。因为地球是个两极稍扁的椭球体,重力的作用使比萨斜塔的倾斜角度逐渐变大越靠近赤道,地面与地心的距离越远,地心引力也就越小;另一方面,越靠近赤道,物体随地球自转产生的自转离心力却越来越大。所以,越是靠近赤道,物体实际所受重力就越小。5000吨重的青鱼,从地球中纬度的荷兰运到赤道附近的索马里,所受重力必然逐渐减小,难怪过秤时就短少30多吨。这里要说明的是:吨是计量质量的单位,但在日常生活和贸易中,吨往往也用作重量的单位。

如果登山运动员从珠穆朗玛峰采集到一块岩石标本,把它送到北京时,它会变得重一点;要是航天员把它带到地球引力所达不到的太空,它又会变得没有重要了。但是,不论物体的重量怎样变化,它们的质量却是不变的。

修筑在山上的公路都是弯弯曲曲的吗

汽车要从山脚往上开,不可能笔直地开上去,总是沿着弯弯曲曲的盘山公路盘旋而上。这样,汽车开起来不仅比较安全,而且更加省力。

我们都有这样的生活经验:走路或骑自行车从低处往高处走,比在平地上来得吃力;爬陡的斜坡,又要比爬坡度小的在盘旋而上的路面上行走比在陡直的路面上行走轻松斜坡来得费劲。所以,在爬斜坡时,人们总是想办法将斜坡的坡度变得小些。对于一定高度的斜坡来说,斜坡的斜面越长,坡度就越小。因此,人们往往利用延长斜面的方法来减小坡度,达到省力的目的。

比如,推着装重物的车子上坡时,如果是笔直地往上推,人会觉得很吃力。而有经验的人,往往是弯来弯去沿着S形向上推。这样,虽然多走了一些路,但可以少花很多力气。沿S形上坡,就是使斜面变长,坡度变小。

还有一个例子,在高大的桥梁两端,都有长长的引桥,有时候,还将引桥造成螺旋形。这都是为了减小桥的坡度,而将桥面伸长。

针容易刺进别的物体里去的原因

用一根大头针刺一张纸,大头针很容易地在纸上刺出一个小孔。要是将大头针反过来,用圆圆的钝头去刺纸,就没那么容易将纸刺破了。这是因为纸受到了大小不同的压强。压强就是单位面积上所受压力的大小。

当我们分别用大头针的针尖和用它的钝头去刺纸的时候,虽然用的力相同,但是纸所受的压强却不一样。用针尖刺的时候,所用的力都集中在小小的针尖上;而用钝头刺的时候,所用的力却分散在面积比针尖大的钝头上。这样,纸受到针尖所加的压强,当然要比受到钝头的压强大。因此,大头针的针尖比钝头更容易将纸刺破。

在生活中有许多增加压强的例子。比如,用针缝衣服、用注射器打针、在墙上钉钉子、用锐利的刀切割东西等等,都是将力集中在较小的面积上,来达到增加压强的目的。

可是,压强过大也常常带来麻烦。

当你在雪地上行走的时候,两脚往往会陷下去,这就是因为身体对雪地的压强太大了。要是穿上一副滑雪板,不仅不会陷下去,还能在雪地上滑行如飞呢。原来,又宽又大的滑雪板,比你的脚的面积增大了20多倍,它使你的身体压在雪地上的力分散了。

弄清了这个道理,你就知道为什么坦克和拖拉机的轮子上要安上又宽又长的履带,火车的钢轨为什么要铺在枕木上了。

吸管的作用

当你用一根吸管喝饮料的时候,你有没有想过:为什么用嘴一吸,水就能沿着吸管跑到我们嘴里来呢?

这主要是依靠大气压力的帮助。

我们知道,在地球的周围包着一层厚厚的空气,称为大气层。哪里有空气,哪里就要受到大气的压力。据测定,在地球的表面,每平方厘米的面积上,所受到的大气压力大约为10牛顿。

吸管插在杯子里,吸管的里面和外面都跟空气接触,都受到大气的压力,而且内外受到的大气压力相等,这时,吸管内外的水保持在同一个水平面上。我们含着吸管一吸,吸管里的空气被我们吸掉了,吸管里没有了空气,作用在吸管内水面上的压力就比吸管外水面上的压力小,这样,大气压力就会把饮料压进吸管,使吸管内的水面上升。我们不停地吸,饮料就源源不断地跑到嘴里来了。

能够自动出水的钢笔

当你用钢笔写字的时候,纸上立刻就现出字迹。你可曾想过:为什么你写字的时候,钢笔里的墨水会源源不绝地跑出来,而你不写字的时候,墨水就不出来呢?

我们来做一个实验:将一根细玻璃管插入盛有水的玻璃杯里,水就很快地从细玻璃管中往上升,而且管子里的水面比玻璃杯内的水面还要高。这个现象叫做毛细现象。钢笔就是应用毛细原理加以设计的。它依靠笔身上一系列毛细槽和笔尖上的细缝,把笔胆里的墨水输送到笔尖。书写的时候,笔尖一碰到纸张,墨水就附着在纸上,在纸上留下了明显的字迹。

不写字的时候,钢笔里的墨水为什么不流出来呢?让我们再做个小实验来说明这个问题。用一块硬纸片盖在装满水的玻璃杯上,按住纸片,并迅速地将玻璃杯和纸片一起倒转向下,再轻轻地放开按住纸片的手。只见硬纸片紧紧地吸在玻璃杯上,并托住了满满一杯水。是什么力量托住了硬纸片而使玻璃杯中的水不流出来呢?这就是大气压力的作用,正是大气压力托住了硬纸片和杯中的水。不写字的时候,钢笔里的墨水不流出来的道理也是一样的,因为笔胆外面的大气压力比笔胆里的压力大,所以能够把墨水抵住。

万物都在运动

行走的人群,奔驰的汽车,飞翔的小鸟,航行的轮船……都在运动。那么,远处的青山、桥梁,近处的房屋、烟囱……也在运动吗?是的。自然界中的万物都在运动,绝对不动的物体是不存在的。

大家知道,地球在昼夜不停地自转,青山、桥梁、房屋、烟囱等都固定在地球上,所有这些表面看来不动的物体,实际上都在随着地球一例如屹立于我国西藏高原的珠穆朗玛峰,除了随地球自转、公转以外,它相对于地球表面的高度每年以1—5厘米的速度增高。至于微观世界中分子和原子的运动,人们用眼睛根本无法直接看到,只有用放大约100万倍的电子显微镜,才能发现物质内部这个永恒运动的奇妙世界。

起转动。如果你坐在赤道上随地球转圈,一昼夜要移动4万公里,大约每秒钟移动460多米。然而在地球上,没有人能看到地球运转的实际情景,只有驾驶宇宙飞船,脱离地球运行于太空的宇航员,才能观察到地球运转的奇观异景。

天上的星星也在运动。初看起来,它们仿佛静静地停在太空中。可是,只要留心观察几天、几月、几年……就会发现它们的位置也在变化。天文学告诉我们,月亮围绕地球运转每秒钟约移动1公里,地球绕着太阳公转每秒钟要走30公里,而太阳系绕银河系运动大约每秒钟要走250公里以上,银河系又在总星系中以更大的速度运动着。

自然界中绝对不动的物体是没有的。只是有些运动现象十分细微而缓慢,不容易察觉。

相对运动

在空中,鸟和飞机相撞,已经算不上什么新闻了。在世界航空史上,这一类事故屡见不鲜。

小鸟撞上大飞机,小鸟自然无法逃生。至于飞机呢?其结局也跟小鸟差不多。有一次,一只鸟把波音737飞机的机翼撞出了一个大洞。另一次,一只小鸟撞进飞机的发动机内,飞机顿时失去控制,机上所有人员无一人幸免于难。

你也许会问:为什么小鸟会撞破飞机呢?

要回答这个问题,我们首先要了解物体运动速度的相对性原理。这个原理是说,运动着的物体是相对某一物体来说的,我们说,一架飞机的飞行速度是每小时1000公里,那是指它相对于地面来说的。

如果两架飞机并列在空中飞行,相对于地面的速度是每小时1000公里,从甲飞机上看乙飞机,它是不动的,也就是两架飞机彼此之间的速度是零。

如果这两架飞机是面对面飞行,从甲飞机上看乙飞机,彼此之间的速度就是每小时2000公里。反过来,从乙飞机上看甲飞机,彼此之间的速度也是每小时2000公里。

小鸟在空中朝着飞机飞,相对于地面的速度如果是每小时100公里。从飞机上看小鸟,小鸟飞来的速度就是1000+100=1100公里/每小时了。小鸟的速度那么高,就具有极大的能量,能够把飞机撞坏。

据美国的统计,从1965年以来,由于同飞鸟相撞,引起飞机损伤的事件,每年平均在350起以上。1960年10月4日,一架美国“伊莱克特拉”式涡轮螺旋桨喷气式客机,从波士顿起飞不久,突然飞机上的4台涡轮螺旋桨发动机有3台坏了,整架飞机失去了平衡,一头栽到机场附近的小塘里,结果有62人死亡。原来这架飞机撞上一群惊鸟,有几只惊鸟撞到3台发动机的进气口里去了。

现代喷气式发动机都要从周围吸进大量的空气才能工作。因此,它们的进气口都开得很大,飞行起来像张开的一张大嘴巴,贪婪地吞食迎面的气流。如果飞鸟正好在它的附近飞行,就会身不由己地跟着空气一起被吸进发动机里去。喷气机的飞行速度加上小鸟的速度,小鸟的血肉之躯就会产生炮弹般的威力,撞坏机器零件,造成飞机失事。

在美国,曾发生过这样一件事,一个赛车手在与对手的角逐中,取得良好的成绩,第一个冲到了终点,见他赢得了冠军称号,亲朋好友们激动万分,纷纷向他投掷花朵、水果,表示祝贺,没想到,这些花朵、水果像子弹一样,射穿了他车前的玻璃,赛车手当场毙命。不曾想,好心的祝贺变成了残酷的袭击。原来,赛车向终点冲刺时,速度非常高,冲过终点以后,赛车仍以原速飞驰,不能马上停下来,亲朋们扔去的物体的速度加上赛车的速度,就是当时那些物体的速度,这些鲜花、水果像子弹一样射向这位赛车手,你想想,他能不丧命吗?

石头与羽毛同时落地

比萨斜塔,建于公元1173年,塔高55米,由于建造时塔基出了问题,塔身发生倾斜,成了一座斜塔,因而也成为世畀一大奇观。不过比萨斜塔闻名世界,不仅仅是因它的倾斜,还因为著名物理学家伽利略在斜塔上做了个改变当时关于物体运动概念的实验。简单地说就是石头和羽毛哪个先落地的实验。

少年朋友们,你也许有过这方面的经验,抛掷一个石块,它落地很快,如果抛出一根羽毛,一来是抛不远,二来即或抛出一定距离,它下落得却非常慢。如果站在高处做一个试验,同时抛出石块和羽毛,其结果也很明显,石块先落到地上,那么伽利略这一实验结果是怎样的呢?