书城自然谁会是下一个牛顿:最让人受启发的物理现象
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第5章 进入神奇的力世界(5)

做圆周运动的物体,都有摔出去的趋势,例如坐转椅或乘汽车急转弯的时候,我们都有这样的体会。我们必须紧拉住车上的扶手得到一个指向圆心的力才行。

重物在竖直面上做圆周运动转到最高点的时候,重力起的作用是防止物体甩出去,就和公共汽车拐弯时扶手拉着我们的作用一样。在重力不够的时候,绳子还要帮忙,所以重力再也没有"余力"把重物或水从头顶上拉下来。

这就是穿梭环轨飞车不会从轨道的顶部掉下来的原因。一般来说,飞车的速度越大越安全。如果由于某种原因飞车的速度不够大,那就会发生问题。所以穿梭环轨飞车一定要精心设计,滑梯和高度,车轮和轨道之间的摩擦力等都要经过仔细的计算。

西红柿也能变身为飞弹

你相信一个西红柿会有子弹一样的威力吗?

在欧洲的一个国家,曾经发生过这样一件趣事:

一个盗贼在盗窃了一户人家的财产之后,驾车飞奔而去,很多人都参与到了抓捕盗贼的行动中,无奈盗贼的车速过快,很多人都被甩在了身后。

眼看着盗贼就要逃之夭夭了,这个时候,一件匪夷所思的事情发生了。盗贼的车正准备经过的地方,几个少年手中每人拿着一个西红柿,正准备吃,看着盗贼的车开过来,他们就用手中的西红柿扔向盗贼的车。难以置信地一幕发生了,西红柿把车身砸坏了,西红柿直接砸到盗贼身上的,造成了严重的外伤,盗贼被这几个少年抓住。

这个理由很简单:汽车本身的速度加上投出的西红柿的速度,就把这些西红柿变成了危险的、有破坏能力的"炮弹"。

用一个比较简单的事例进行分析。

两个向着相反方向奔跑的人,如果一不小心撞到了一起,会发生很严重的后果,就是这个道理。

如果一架高速度飞行的飞机,具备每小时3000千米的高速度,也就是有了跟炮弹一样的速度的时候,每一个飞行员就都有机会碰到方才所说的情形。就是在这种飞机飞行的路上,每一个落在这架高速飞机前面的物体,对于这架飞机都会变成有破坏力的炮弹。如果有一个物体,哪怕是一只小鸟,撞到了这架飞机上,就等于从机枪射击出的子弹一样:这只小鸟碰到这架飞机时候的力量,跟从机枪里射到飞机上的子弹一样。

相反,假如一只飞过来的小鸟,在飞机后面跟飞机相撞,对于飞机是没有伤害的。

两个物体向相同方向用几乎相等的速度移动,在接触的时候是不会发生什么撞击的。

世界各地的西红柿节上,很多人用西红柿乱砸,人会不会受伤?受伤的可能性不大,因为西红柿节的规则是西红柿必须要捏碎了才能扔出去,这样西红柿的冲击力就小了很多,动量也削弱了不少。

为什么高尔夫球表面上有很多小坑

表面光滑的高尔夫球一杆只能打出几十米,而布满500来个圆形或六边形小坑的"麻脸"高尔夫球却可以打到200米开外。这是怎么回事呢?为什么高尔夫球表面上布满小坑反而打得更远呢?有人说这样空气阻力会小,可是一般都是物体表面越粗糙,摩擦阻力越大,空气和高尔夫球的接触面布满小坑,那为什么高尔夫球受到的空气阻力却变小呢?

我们知道空气对于任何在其中运动的物体,包括高尔夫球,都会施加作用力。我们把手伸出行驶中的车外,可以很容易地说明这个现象。根据空气动力学,可以把这个力分成两部分:阻力和升力。阻力的作用方向与运动方向相反,而升力的作用方向则朝上。高尔夫球表面的小凹坑可以减少空气的阻力,增加球的升力,从而让高尔夫球飞得更远。统计发现,一颗表面平滑的高尔夫球,经职业选手击出后,飞行距离大约只是表面有凹坑的高尔夫球的一半。

一颗高速飞行的高尔夫球,其前方会有一高压区,空气流经球的前缘再流到后方时会与球体分离。同时,球的后方会有一个紊流尾流区,在此区域气流起伏扰动,导致后方的压强小,压力较低。尾流的范围会影响阻力的大小。通常说来,尾流范围越小,球体后方的压力就越大,空气对球的阻力就越小。小凹坑可使空气形成一层紧贴球表面的薄薄的紊流边界层,使得平滑的气流顺着球形多往后走一些,从而减小尾流的范围。因此,有凹坑的球所受的阻力大约只有平滑圆球的一半。

小凹坑也会影响高尔夫球的升力。一个表面不平滑的回旋球,就像飞机机翼一样偏折气流从而产生升力。球的自旋可使球下方的气压比上方高,这种不平衡可以产生往上的推力。高尔夫球的自旋大约提供了一半的升力,另外一半则是来自小凹坑,它可以提供最佳的升力。大多数的高尔夫球有300~500个小凹坑,每个坑的平均深度约为0.025厘米。阻力及升力对凹坑的深度很敏感,即使只有0.025厘米这么小的差异,也可以对轨迹和飞行距离造成很大的影响。小凹坑通常是圆形的,但其他的形状也可以有极佳的空气动力性能,例如某些公司生产的高尔夫球采用的是六角形。这和飞机机翼般偏折气流以产生升力是一样的道理。

让我们来看看飞机起飞跟机翼构造的关系。我们来看飞机的机翼构造。原来,飞机机翼的上下两侧形状不一样的,上侧的要凸些,而下侧的则要平些。当飞机滑行时,机翼在空气中移动,从相对运动来看,等于是空气沿机翼流动。由于机翼上下侧的形状是不一样,在同样的时间内,机翼上侧的空气比下侧的空气流过了较多的路程(曲线长于直线),也即机翼上侧的空气流动得比下侧的空气快。根据流动力学的原理,当飞机滑动时,机翼上侧的空气压力要小于下侧,这就使飞机产生了一个向上的浮力。当飞机滑行到一定速度时,这个浮力就达到了足以使飞机飞起来的力量。于是,飞机就飞上了天。

抽水马桶带来的大方便

现在,抽水马桶成为每家每户的卫生间里必不可少的洁具,它为我们的生活带来了极大的便利。可是,你知道吗,就是这个不起眼的抽水马桶,它的发明可是费了不少周折,而且还经历了一个非常漫长的过程呢。

英国著名的《焦点》杂志曾经评选世界上最伟大的发明,经过本国千名读者和百名最权威的专家学者投票,评出的结果使人们大跌眼镜,令人意想不到的是,位居榜首的居然是抽水马桶。不过仔细想想,抽水马桶确实是人们日常生活中必不可少的一项设备,如果没有它的话,现代人的生活将会无法想象。可以说,小马桶改变了大世界。如果没有马桶,人们的生活不知要变成什么样子。马桶的发展史,实际上就是人类社会文明、干净和有秩序的历史。难怪有人说,在时代的今天,人们可以不要汽车、电冰箱、电脑或电视,但却离不开马桶。

早在公元前2000年的克里特岛,就出现了世界上第一个马桶,但直到四百多年,才出现了真正意义上的水冲式马桶,而城市下水道系统更是仅仅只有150年左右的历史。在中国,"马桶"这个称谓最早可追溯到北宋时期欧阳修的《归田录二》中的"木马子"。马桶在较早时期是制作成马的形状的,后来才改成圆桶形状,这也是"马桶"这个称呼的由来。

在现代马桶真正出现之前,人们排泄的地点是随意的。老百姓们大都将自己的排泄物倒在窗外的街道上,或者"躲到树后面"解决个人问题。1843年,维多利亚女王参观剑桥大学时问陪同的校长:"那些顺流而下的纸张是怎么一回事?"校长知道那些是手纸,但为了不让女王难堪,校长只回答那是禁止在此游泳的告示。不只是平民百姓,就连优雅的贵族们也是如此,亨利四世就曾下令禁止贵族在罗浮宫的角落里大小便。

四百多年前,英国有一位名叫约翰·哈灵顿的教士因故被判处流放。1584~1591年间,他在流放地凯尔斯顿的住房里,将马桶与储水池相连,设计出了世界上第一个抽水马桶。由于他热爱文学,并对此发明颇为自豪,因此特地以荷马史诗中一位英雄埃杰克斯的名字为它命名。当时,女王伊丽莎白一世抱怨她的里士满宫殿里未倒空的便器恶臭难闻。1595年,约翰·哈灵顿爵士听到女王的烦恼时,便决定用自己的这项发明来给女王排忧解难。于是,哈灵顿的抽水马桶终于在里士满宫殿里安装起来了。

此后,哈灵顿还将他的抽水马桶的设计详细记录在《夜壶的蜕变》一书中,但对大多数人而言,抽水马桶多少显得有些不切实际。当时,人们的生活中没有任何排污的主管道,也没有自来水,更没有多余的闲钱来支付管道装设费用,因此,大多数人仍然选择清理倒空便器,或者让"夜间掏粪人"打扫污物。

18世纪后期,英国发明家约瑟夫·布拉梅改进了抽水马桶的设计。他采用了一些构件,诸如控制水箱里水流量的三球阀以及保证污水管的臭味不会让使用者闻到的U形弯管等。1778年,他取得了这种抽水马桶的专利权。

1858夏天,伦敦泰晤士河爆发了著名的"大恶臭事件",人们认识到马桶虽然带来了个人卫生,但由于排泄物是顺着管道直接排到河流里,从而导致了严重的环境污染,就造成了传染病的流行。由此,人们才开始着手建立下水道系统。19世纪后期,欧洲的各大城市都安装了排污系统和自来水管道,抽水马桶才真正在人们的生活中普及起来。

马桶在给人们的生活带来诸多便捷的同时,也引发了一些争论,很多人认为,由于马桶的工作原理问题,造成大量生活用水的消耗和浪费,加剧了水资源的紧张状态。这确实是目前存在的一个无法回避的问题,等待着聪明的科学家们进一步研究并解决。