书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第3章 力学在生活中起到的作用(3)

斯维雅托哥尔陷在那里,再也起不来,

他的一生就此完结。

可怜的斯维雅托哥尔,这是和你相等的力把你拉进地里的。自然规律是不能违背的,人们只能认识和驾驭。不过从这个神话里可以看出,人们对作用和反作用的关系早在牛顿的《自然哲学的数学原理》发表几千年前就已经认识了。

(二)火箭起飞的原理你知道吗?

作用和反作用不但在日常生活中处处应用,还可用来制作各种飞行工具,火箭就是一例。甲、乙二人围绕这类问题展开一场讨论。

甲:火箭并不稀奇,我国节日放的“起火”(或流星)就是最早的火箭,因此我国被誉为“火箭的祖国”。可是有个问题还搞不清楚,火箭是利用内部喷出气体的冲力来推动本身前进的,就是说火箭可以不借助外力而运动。那么我们为什么不能抓住头发把自己提起来呢?

乙:这是两个性质不同的问题,人们不能抓住头发把自己提起来,这是因为受力物体是人本身,头发和手是人体不可分割的组成部分。向上提头发的拉力和头发对手的反作用力都作用在人体上,二力属于平衡力,彼此抵消了,这就是说物体不能只用内部力量使整体一起向前运动。

然而火箭的飞行情况就不一样了,火箭和喷出的气体是可分离的两部分。根据动量守恒定律,物体可使本身的一部分物质向一个方向运动,而使另一部分物质向相反的方向运动,火箭飞行的机理就在于此。

甲:类似的例子还有什么?

乙:还有很多类似的例子。在仿生学里,人们精心研究了各种生物的活动后,受到了很大的启示。例如乌贼,先将水经过体侧的孔和前面特制的漏斗吸入鳃内,然后再紧缩漏斗把水排出体外。根据牛顿第三定律,排出的水产生反冲运动。乌贼在反冲力的作用下向前游去。有趣的是,它的漏斗管可根据需要随时改变方向,因此乌贼便能在水中自由活动了。

按仿生学的启示,人们不但制造了火箭、喷气式飞机,还制造出了气垫船,它可以畅行无阻地通航在江河湖海乃至沼泽等难以通行的地带。

甲:你刚才又提到火箭和喷气飞机,有人说它们的飞行是由于喷出的燃烧气体冲开空气时,受到空气的反作用的结果,那么火箭和航天飞机为什么又能在没有空气的太空里飞行呢?

乙:它们在没有空气的太空里不但能飞,而且比在空气里飞得更好。其实这并不奇怪,就拿火箭来说,前面我们曾提到,火箭和喷出气体是作为系统的两部分物质。火箭喷出高压气体后,实际上是受到喷出的气体的反冲力的作用而前进的。所以火箭只要携带助燃剂,在能喷出燃烧气体的情况下就能加速前进。在没有空气的空间里因为无须克服阻力,当然会飞得更快些。太空人就是利用叫做“气枪”的推进器在空中活动的。

早在19世纪60年代,法国人朱尔斯·维恩就在他的小说《飞向月球》中,描述了他幻想中的空中奇景:“人们身感无重力,两腿脱离地板,用力直线行走,似醉汉步履蹒跚。”现在火箭已成了人们征服太空的工具,朱尔斯·维恩的预言也得到证实,例如1969年美国发射了“阿波罗11号”,使人类首次登上了月球。目前在太空中形形色色的卫星和飞船都是靠火箭发射上去的。

(三)万有引力

物体不但受地球的吸引力,而且物体跟物体之间也存在着吸引力,由于万物皆有,故谓之万有引力。

不过,一般物体之间的吸引力微乎其微,可以略而不计。但是对于庞大的天体,万有引力就相当可观了。比如地球对人的吸引力(重力),能把人牢牢地吸附在地面上。太阳对地球的吸引力,有400亿亿吨之巨!地球之所以逃脱不了,从而乖乖地绕着太阳公转,就是这个巨大的力作用的结果。倘若由于某种原因太阳的强大引力消失了,地球便面临着悲惨的命运,向着寒冷而幽暗的宇宙深处飞去,永远不再返回了。假如用结实的钢绳系住地球,来代替那看不见的引力的链条,使它照现在的样子绕着原来的轨道运动的话,那就要200根直径是5千米的大钢柱,而且要求每根钢柱至少能承受2万亿吨的拉力才行!这简直是一片钢柱大森林,如果各钢柱之间的空隙,只比钢柱本身略宽一些,足以能覆盖面向太阳的那半个地球的表面。由于这个缘故,地球绕太阳的轨道是一个封闭的椭圆形。

(四)火山爆发是受引力的影响

前苏联学者别洛夫研究了3477年来全世界陆上与水下的火山喷发后,发现绝大部分火山爆发是在6月。他认为,火山爆发的这种季节性波动是受太阳的引力场的影响。6月,太阳与地球的旋转轴的方向一致,两者之间引力的相互作用促成火山爆发。

由银河核心部分产生的引力场作用,也是火山爆发呈周期性波动的原因。1.9亿~2亿年的时间间隔正好与银河年相同,即和太阳系围绕银河系中心旋转的周期相同。

(五)钱毛管现象之谜

我们在小学里都做过钱毛管实验,在抽成真空的玻璃管里盛着硬币和羽毛,先将硬币和羽毛靠拢在一起,然后迅速倒置,发现它们下落所需的时间相同。这似乎难以理解,人们往往认为硬币要比羽毛落得快。产生这种疑惑或错觉有两方面的原因。一是单纯从日常生活经验来考虑,平时总有空气阻力的因素,当然硬币比羽毛落得快些。然而钱毛管是被抽成真空的,条件变了,结论理应不同,显然这是经验主义在作祟。另外,分析问题要切忌片面性,古代物理学家亚里士多德就认为物体所受的重力越大,下落的速度也越大,速度和物体的重力成正比,但是在同一地方重力大的物体质量也大,其惯性亦大。惯性大的物体运动状态不易改变,即速度变化越难。由此看来,物体的惯性总是在补偿它的重力所引起的运动的效果,比如硬币大的惯性对于运动状态的改变方面恰好补偿了它所受的大的重力,因此它在下落时的速度变化并不比羽毛快,就是说它们具有相同的重力加速度。因此二者若同时下落,就应该同时到达管的底端。

(六)把地球打通的后果

能否把地球打通,至今仍是人们的幻想而已。据报道,前苏联在1986年在科拉半岛打了一个深12千米的地洞,是目前已知的世界较深的洞。联邦德国也欲在该国南部两个小镇之间挖一个世界最深的地洞,约14千米深,将耗资2.5亿美元,工程需用10年方能完成。然而地球的半径却是6400千米,两个数字相差何等悬殊!由此可见,依靠现在的科学技术欲实现这一计划是很困难的。不过人们并未就此止步,自古至今,人们总在向往实现这一计划。

现在我们想象有这么一个无底洞,你一旦落进了这个洞将会怎样呢(暂时不计空气阻力)?

能否和洞底相撞呢?不会的,因为这里并没有底。那么,你会停留在哪里呢?

能停留在地球的中心吗?现在让我们来分析一下吧。

当你接近地球中心的时候,你下落的速度约为每秒钟8千米,这样大的速度,使你根本没法停留在这里。由于惯性,你会继续向前飞去,运动速度逐渐变慢,一直飞到洞的另一端的边缘。这时你必须牢牢地抓住洞边,不然你将会再次落入洞里,重复上一次的穿洞旅行,在洞的另一端出现。这样穿一次洞约需要84分24秒,即大约1小时24分钟。

如果这个洞是顺着一个极到另一个极的地轴挖的,情况就会像上面说的那样。可是如果我们把出发点移动到别的纬度上,比如移到欧洲、亚洲或非洲的大陆上,那么就得把地球自转的影响也计算进去。众所周知,地球表面上的每一个点都因地球自转而飞奔。赤道上的各点每秒钟跑465米,所谓“坐地日行八万里”是也。而在巴黎所处的纬度上,每秒钟跑300米。由于离地球的自转轴越远,做圆周运动的速度越大,所以扔进洞里的小铅球不会笔直地落进去,而是略微偏向东面。因此如果在赤道上挖掘无底洞,就应该把它挖得很宽,或者挖得十分倾斜,因为从地面落下的物体所走的路,会远远离开地心而偏向东方。

假若洞口的入口是在南美洲的一个高原上,这个高原的高度假定是两千米,而洞的对面那一端是在海平面上。那么,因为不小心而落进美洲那一端洞口的人,在到达对面洞口时的速度,一定可以使他在出洞口后再向上飞两千米。

如果洞的两端都在海面上,那么那个穿洞的人在洞口出现的时候,飞行速度已经等于零,我们就可以伸出手去接住他。而在前一种情况下,我们应当小心地闪在旁边,免得和那位飞得很快的旅行家相撞。

(七)给我一个支点,我就能举起地球

相传古代发现杠杆原理的力学大师阿基米德曾说过:“给我一个支点,我就能举起地球。”他在给叙拉古国王希伦的信中又补充道:“如果还有另一个地球的话,我就能到上面去(即以此为支点),把我们的地球移动。”偌大的地球,倘被举起,的确是件了不起的事情。根据杠杆原理,从理论上讲只要力臂足够长,就可以用一个足够小的力把任意重量的物体举起来,让我们具体算一算吧:地球的重量约为6×1021吨,假设一个人能举起60千克的重物,能举起地球的杠杆的长短臂之比为1023。按这个比例,如果在短臂的一端使地球升高1厘米的话,那么手按住长臂的一端在空间里所通过的弧长约为1018千米。倘若阿基米德能在1秒钟里把60千克的重物举高1米(其功率接近于1马力!),那么如欲把地球举起1厘米就得花费30亿万年!由此可见,即便阿基米德耗费毕生的精力,也休想把地球举高一丝距离。这正如“力学的黄金律”所指出的,使用任何机械如果在移动长臂的力上占了便宜,必然在移动长臂的距离上,也就是在移动长臂的时间上吃亏,这是不以人的主观意志为转移的客观规律!如果当时阿基米德能精确地测出地球的重量的话,这位力学大师也许就不会轻吐如此的豪言了。

十五、月球之旅游

就当代的科学技术而言,登上月球,再也不需要借助于各种神奇的故事去幻想了,人们早已乘坐三级火箭到月球上观光过了。不过这也不是每个人都能如愿以偿的事。那么,在月球上究竟会遇到哪些有趣的事呢?一个去过月球的人讲述了如下的故事。

我和小张乘宇航一号在月球着陆后,打开了舱门。在下面离我一米远的地方,有一片松软的火山灰,这是从没有人踏过的地方。

这时小张已经先我一步,把两只脚放下去。当他快着地时,他迟疑了一会儿,最后还是下决心踏上了月球这个神奇的世界。

我隔着座舱的玻璃外壳望着他,只见他走了几步,站了一会儿,向四面张望了一下,然后向前跳去,只见他一下子就跳出6~10米远。他站在一块岩石上向我打手势,可能还在大声叫我呢—由于周围没有空气我听不到声音,可是他为什么总是跳着走呢?

因为莫名其妙,我也爬出了舱口,跳了下去。我觉得似乎是落在雪堆上。走了几步以后,我也开始跳了。

我觉得似乎在飞,很快就到了小张站着的那块岩石附近,抓住了岩石之后,我感到非常恐慌。

小张弯着腰,用力向我喊着什么,可能是让我小心些。