书城自然科学谁会是下一个牛顿:最让人受启发的物理现象
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第1章 进入神奇的力世界(1)

宇宙是由物质构成的。力使物质聚在一起,产生运动。力是指物体之间的相互作用。一个物体受到力的作用,一定有另一个物体对它施加这种作用,力是不能摆脱物体而独立存在的。万有引力(或引力)是最基本的力之一。任何一种物质都有引力,从构成原子的微小粒子到最大的恒星,无一例外。万有引力是指所有物质都互相吸引着对方的力。

无处不在的力

力是个非常黏人的东西,因为它总是喜欢跟着我们,下面就带领大家去认识一下这些在我们的生活中无处不在的力。

首先,我们一定要认识这位跟我们时刻不离的力--重力。要知道,我们在任何情况下都一定会受到重力的作用。虽然我们不喜欢它跟着我们,不过我们的生活还真不能离开它。因为只要你想安稳地站在地上,不想在空中飘着,就一定要受到重力的作用。

地球上所有的物体都要受到重力的作用,不止我们人类,其他的生物和物体也同样要受到它的作用,就连高山、流水和空气也逃脱不掉。

说到重力,就不得不提起牛顿。一次偶然的机会,牛顿看到了苹果落地的现象后陷入了思考:为什么苹果会自己掉到地上来呢?又没有人上去摘。于是,他就发现了重力的存在,是重力的作用促使苹果掉到了地上。

重力还有个好朋友,它们也是形影不离的,那就是支持力。也就是说,我们在受到重力的同时,也同样会受到支持力。那么支持力是谁给我们的呢?是支持我们的物体。如果我们站在桌子上,那么就是桌子给我们支持力;如果我们躺在床上,那就是床给我们支持力;如果我们站在地上,那给我们支持力的就是大地。如果没有其他的力来凑热闹,我们所受到的支持力与我们本身的重力是相等的。其实这也是牛顿说的,即牛顿第三定律:两个物体之间的作用力和反作用力是大小相等、方向相反、且作用在一条直线上的两个力。

还有一个力也是很讨厌的,那就是摩擦力,这是一种阻碍相对运动的力。当我们骑着自行车向前行走时,摩擦力就找上门了。本来我们可以骑得很快,可就是因为摩擦力在作怪,所以才限制了我们的速度。不过这样也好,最起码减少了交通事故的发生率。如果没有摩擦力,那还不都成了飞车了?摩擦力是两个互相滑行的物体之间的运动阻力。任何质地的物质表面,或者有起伏的表面,甚至是玻璃上,都会有摩擦力存在,它的表面与沙砾相比,只不过是表面更加光滑而已。物体表面上的起伏对于运动的抵抗效果就如同崎岖不平的道路对于汽车速度的减慢。摩擦力实际上是由于两个物体的分子被虚弱地连接在一起,然后又被分开形成的。摩擦力有一个特点,那就是它只喜欢跟着运动的人,而如果我们老老实实地坐在那里,摩擦力是不会找上门儿的。

怎样让溜冰鞋一直滑下去

我们穿着溜冰鞋溜冰的时候,有没有为了躲让突然从路口冲出来的人或小狗而摔倒过?我们每个人应该都经历过类似的事情,那么,为什么想拼命停下来的时候,却怎么也停不下来呢?当公交车正在急速行驶的时候,司机突然紧急刹车,车里的乘客们会怎么样呢?结果是:他们的身体会向前倾。相反的,如果是司机突然开动公交车的时候,乘客的身体就会向后倾。这个时候,你还可以观察一下公交车的扶手,你会发现公交车的扶手也会出现同样的现象。如果公交车突然停下来,扶手就会向前倾;如果公交车突然开动,扶手就会向后倾。也就是说,乘客和扶手的运动方向与公交车的运动方向是完全相反的。

正因为这样,所以在公交车上我们才会经常听到"请您、坐稳、扶稳"的广播提示,在坐公交车的时候爸爸妈妈才会一上车就开始唠叨,对我们说"坐稳了"、"抓紧扶手"……因为,如果汽车紧急刹车,你的身体就会向前倾,这时你就会失去重心,自然也就很容易摔伤了。

那么,为什么会出现这种现象呢?其实,这是因为物体身上都存在一种惯性,只要不向它施加任何外力,它就会一直保持静止或者匀速直线运动的状态。人们把物体这种想要保持原来运动状态的性质称为惯性,而惯性定律也被称为"牛顿第一定律"。

在我们的日常生活中,经常会利用到惯性原理。比如说小狗使劲抖掉身上的雨滴、人们为了掸掉被子上的灰尘而使劲拍打被子……另外,惯性还会在我们跑步的时候把我们绊倒呢。

是惯性原理帮助小狗抖掉了沾在毛上的水珠。小狗在摇动身体的时候,先把身体向右移,然后再猛地向左移,这样一来由于物体的惯性,沾在狗毛上的水滴会继续向右运动,最后从小狗身上掉下来。人们在拍打掉被子上的灰尘和螨虫的时候,同样也利用了惯性原理。人们用木棒敲打被子时,就向被子施加了外力,被子就会运动起来,然而惯性却让灰尘和螨虫停留在原地,灰尘和螨虫自然也就落到了地上。

你知道吗?宇宙飞船在宇宙中飞行,达到一定的飞行速度后,就不再喷射火焰了。虽然没有火箭的推力,但宇宙飞船却仍然能以同样的速度向前飞行。这是因为宇宙中没有空气,宇宙飞船和空气摩擦产生的摩擦力也就消失了,没有了阻力,所以宇宙飞船就可以一直恒速向前飞行了。

我们可以在下雨的时候做一个小实验,试着转动你手中的雨伞。当你转动雨伞的时候,伞上面的雨珠就会被甩出去,乍一看,这些雨珠似乎是杂乱无章地向四周射出。但如果你仔细观察的话,你就会发现,雨珠的运动方向和雨伞的中心刚好形成一个直角。这是为什么呢?其实,这也是惯性的魔力,一直在做圆周运动的雨珠在飞离伞的时候摆脱了向心力的控制,惯性就可以轻而易举地让它们做直线运动,所以就出现了这种现象。

读到这里,你是不是已经知道文章开头提出的问题的答案了呢?就是当你穿着溜冰鞋溜冰的时候,突然有人和小狗冲了出来,你很想停下,可是它却不听你的话,怎么也停不下来。

当你穿着溜冰鞋溜冰的时候,惯性也会在你身边,偶尔推你一下。

所以,在没有受到外力的作用的时候,物体就会做匀速直线运动。不论是有小狗突然冲出来,还是你前面出现了一个大坑,或者是送比萨的大叔骑着摩托车突然出现在了你的面前,结果都一样。因为你溜冰的时候,惯性一直都在你身边。

想要躲开这些突然冒出来的障碍物,你就必须减速或是改变方向。不然的话,惯性就会让你的身体继续向前运动。所以,在你溜冰的时候必须戴上安全帽,做好防护措施,还要在相对安全的专用溜冰场地里溜冰,而不是在大街小巷中。

你知道大炮出现以前,世界上最厉害的武器是什么吗?是投石器。投石器就是利用了弹性和惯性,才会有那么大威力的,才能把巨石投到很远的地方。也是因为惯性,我们家里用的洗衣机才能把湿衣服甩干,把衣服和水分分离开来。

苹果为什么不能掉到天上去

假如有一天一个苹果落到你的头上,你会是什么反应?

也许你能成为牛顿,也许你只感觉到头被砸得很疼。

其实,在苹果掉在牛顿头上之前,牛顿就一直认为大自然中有一种神秘的力存在,是这种无形的力拉着太阳系中的行星围绕太阳旋转。但是,他一直无法验证这是一种怎样的力。

直到有一天,当牛顿在花园的苹果树下思索,一个苹果落到他的脚边时,牛顿终于获得了顿悟,他的问题也逐渐地被解决了。

传说1665年的深秋,牛顿坐在自家院中的苹果树下苦思着行星绕日运动的原因。这时,一只苹果恰巧落下来,它落在牛顿的头上,这是一个发现的瞬间,这次苹果下落与以往无数次苹果下落不同,因为它引起了牛顿的注意。牛顿从苹果落地这一理所当然的现象中找到了苹果下落的原因--地球引力的作用,这种来自地球的无形的力拉着苹果下落,正像地球拉着月球,使月球围绕地球运动一样。

地球为什么会有引力呢?为什么能够吸引着周围的力量呢?解释这一切,还需要从地球的磁场说起。

地球的磁场主要是南北两极磁场,来自于地球内部。地球磁场的起因有很多学说,其中最有说服力的,也是最合理的解释为发电机说。这种学说认为,地球的外核心中融化的铁、镍合金可以流动,由此流动而生电流;由于电流的产生,维持物质继续流动,如此循环,周而不息,维持地球磁场的存在。

对于地球而言,由于地球自转的因素,两极引力强,赤道引力最弱,这也是为什么卫星发射中心的纬度都很低的原因,也就是考虑到低纬度的地球引力要更小一些。

同时,我们可以得出一个定理,就是地球引力是连续变化的。两极引力大,赤道引力小,引力最大的地方在哪里呢?在地球引力除去自转离心力作用最大的地方,就是两极的金属矿上。北极是冰雪覆盖的一片大海,地表没有矿藏,所以这个引力最大的位置就是南极查尔斯王子山脉南部的鲁克尔山北部的特大磁铁矿上。

至于地球上哪里引力最弱,从上面推导可以看出,那就是赤道海洋表面。

不仅是地球,万事万物同样都存在着引力。

月亮和地球的距离很近,约等于三十个地球的直径,尽管月球的质量不算太大,但对于地球而言,同样具有吸引力。

由于月球引力的作用,地球上的引力最小点的位置随着月球的潮汐引力而不断移动着,绕着地球不断地跑。如果把问题放宽到整个地球,那么引力最弱的地方就在地心,那里的引力没有了。

怎样从开动着的车子跳下来不摔倒

这个问题,无论你把它向什么人提出,一定会得到相同的答案:"根据惯性定律,是应该向前跳的。"但是,你不妨请他把这个道理说得更详细些,问他:惯性对于这个问题究竟起着什么作用?我们可以预言,这位朋友会肯定地滔滔不绝地开始叙述;但是,只要你不去打断他的话头,他会很快就自己也迷惑起来了:他的结论竟是,由于惯性的存在,下车时候相反地竟是要向跟车行相反的方向跳的。

真的,事实上,惯性定律在这个问题上只起着次要的作用,主要的原因却是在另外一点上。假如我们把这主要的原因忘了,那么我们就真会得到这样的结论:应该是向后跳而不是向前跳了。

假设你一定得在半路上从车子里跳下来,这时候会发生些什么情况呢?

当我们从一辆行驶着的车子上跳下的时候,我们的身体离开了车身,却仍旧保有车辆的速度(就是要依惯性作用继续运动)继续前进。这样看来,当我们向前跳下的时候,不但没有消除了这个速度,而且还相反的把这个速度加大了。

单从这一点看,我们从车子上跳下的时候,是完全应该向跟车行相反的方向跳下,而绝对不是向车行的方向跳下。因为,如果向后跳下,跳下的速度跟我们身体由于惯性作用继续前进的速度方向相反,把惯性速度抵消一部分,我们的身体才可以在比较小的力量作用之下跟地面接触。

事实上呢,无论什么人,从车上跳下的时候,总是面向前方的,就是向行车的方向跳下的。这样做也确实是最好的方法,是由不知道多少次的经验所证明了的;这使我们坚决劝告读者在下车的时候不要做向后跳跃的尝试。

那么,究竟是怎么一回事呢?

我们方才那套"理论"跟事实所以有出入,毛病只是出在方才的解释只说了一半,没有说完。在跳下车子的时候,无论我们面向车前还是面向车后,一定会感到一种跌倒的威胁,这是因为两只脚落地之后已经停止了前进,而身体却仍旧继续前进的缘故。当你向前方跳下的时候,身体的这个继续前进的速度,固然要比向后跳下的更大,但是,向前跳下还是要比向后跳下安全得多。因为向前跳下的时候,我们会依习惯的动作把一只脚提放到前方(如果车子速度很高,还可以连续向前奔跑几步),这样就会防止向前的跌倒。这个动作我们是非常习惯的,因为我们平时在步行的时候都在不断地这样做着:在上文中,我们就已经说过,从力学的观点上说,步行实际上就是一连串的向前倾跌,只是用一只脚踏出一步的方法阻止着真正跌倒下去。假如向后倾跌,那么就不能够用踏出一步的方法来阻止跌倒,因此真正跌倒的危险就大了许多。最后,还有一点也很重要:即使我们真的向前跌倒了,那么,因为我们可以把两只手撑住地面,跌伤的程度也要比向后仰跌轻得多。

所以,在下车的时候向前跳跃比较安全,它的原因与其说是受到惯性的作用,不如说是受到我们自己本身的作用。自然,对于不是活的物体,这个规则是不适用的:一只瓶子,如果从车上向前抛出去,落地的时候一定要比向后抛出去更容易跌碎。因此,假如你有必要在半路上从车上跳下,而且还要先把你的行李也丢下去,应该先把你的行李向后面丢出去,然后自己向前方跳下。但最好自然是不要在半路上跳车。

有经验的人--例如电车上的售票员和查票员--时常这样跳:面向着车行的方向向后跳下。这样做可以得到两重便利:一来减少了由于惯性给我们身体的速度,另外又避免了仰跌的危险,因为跳车的人的身体是向着车行的方向的。

你知道你的重心在哪里吗

有的人活了一辈子也不知道身体的重心在哪里。只要能站稳走好,管它重心在哪里。

但是在体育运动中,了解自己的重心、控制重心就是-件十分重要的事。优秀的运动员和普通人的一个重要区别就是他能更好地控制自己的重心。

人的重心到底在哪里,这个问题不是一下子能解决的。因为重心很"不安分",随时随地都在变换着它的位置。站立的时候,重心在你的腰部,但是当你举一下胳膊或抬一下腿的时候重心就变了。向前或向后弯腰时,重心还会跑到身体的外面,所以,重心的"不安分"是来自你本身。

用实验的方法可以方便地了解身体重心的变化,你可以用硬纸片做一个人体模型,这个人体模型是由头、上身、下身和四肢组成的,人体模型的各个关节可以用按扣连接,能够转动做出不同的姿式。体育教练也常用类似的方法来研究人体的重心。

测量物体的重心的方法很简单:用绳把模型吊起来,顺着绳子的方位向下画一条线;然后再换一个地方吊起,再画一条线,两条线的交点就是模型的重心。如果画的两根线在模型上不相交,就要延长,交点会在模型的外面。这时重心就在体外。知道了这种方法,你就可测出人体的各种姿势的重心位置。用人体模型模仿运动员做后桥的动作,你会发现,运动员的重心竟在体外。