你可不要以为用这样简单的问题问著名的物理学家,这岂不是班门弄斧吗?遗憾的是他们三人都没答对。
表面上看来,问题比较复杂。石块入水后将排开一部分水,使水面上升;然而船的载货量减少又要浮起,因而池塘水面又要下降。这样分析,池塘里的水究竟是上升、下降,还是不升不降呢?就很难确定了。
实际上,由于船和人的重量是不变的,只考虑石块在船上和在水里的情况就行了。
石块在船上时,排开水的重量应该等于石块的重量,然而当石块投入水中之后,排开水的重量仅等于和石块同体积的水的重量。由于石块的密度(约为2.5克/厘米3)大于水的密度(1克/厘米3),当然石块在船上所排开的水的重量要比在水中大,即前者排开水的体积要比后者多。所以,前后较之,把船上的石块投入水中之后,池塘里的水面应该比原来低。由此看来,权威也有失误的时候,孰是孰非只有勤动脑筋,才能明辨其真伪。在科学面前人人平等,千万不可盲目崇拜,随意听信啊!
九、利用浮力测定重量
大家都知道,鸡蛋在淡水里会下沉,如果把它放在盐水里却漂浮。同样,人在江河湖海里也要下沉,但是却能躺在“死海”里看书。一块锡箔把它捏成一团可沉,做成船则浮起……这究竟是什么原因呢?
相传在两千多年前通过揭破“金冠之谜”使阿基米德悟出了一个道理:物体在水里之所以会减轻重量,是由于受到向上的浮力,它的大小等于物体排开水的重量。他根据这个道理在希腊国王面前亲自做了实验:把王冠浸没在水里,根据它排开水的体积便知道王冠的体积,结果发现王冠的体积大于等重量的黄金的体积。说明珠宝商在王冠里掺进了比黄金密度小的白银。至此,“金冠之谜”便真相大白了。并由此总结出阿基米德定律:浸在液体里的物体所受的浮力等于物体排开同体积液体的重量。其数学表达式为:F浮=P液gV浸。式中P液为浸入的液体的密度,V浸为物体在液体中浸没的体积。
物体在液体中浮沉的条件是:F浮>G(物体的重量),物体便上浮;F浮
懂得这个道理之后,刚开始我们提出的几个问题便不难弄清楚了。物体在淡水里易沉,在咸水里易浮,这是由于咸水密度大于淡水密度的缘故。因此,物体在咸水里所受的浮力大于物体的重量,在淡水里所受的浮力则小于物体的重量。根据这个道理,可进行选种,也可以解释人躺在死海里看书的趣闻。原来炎热而干燥的巴勒斯坦气候,使死海里的水分大量蒸发,因而溶解在海水里的盐的浓度越来越大。一般海水里的含盐量是2%~3%(按重量计算),而死海里的含盐量却在27%以上,致使任何生物都不能生存,无怪乎人们称之为“死海”。据估计,死海里大约有4000万吨盐,死海的含盐量如此之大,以致人只要在海水里浸入一小部分体积,所排开海水的重量便可足以和人体的重量相等。这样人便可以很轻松地躺在水面上而不下沉。关于这方面的趣闻,作家马克·吐温作了生动的描述:
“这是一次有趣的沐浴!我们竟不会沉下去。在这里,我们可以把身体完全伸直,并且把两手放在胸部,仰卧在水面上。而大部分身体却仍旧在水面上,这时候我们还可以把头完全抬起来……你能够很舒服地仰卧着,把两个膝盖抬到下颚下面用双手抱住它们—不过这样会使你很快就翻一个筋斗,因为头部太重了。你可以头顶着海水竖起来,使自己从胸膛中部到脚尖这一段身体露在水上面,不过你不能长久地保持这种姿势。你不能仰游得很快,因为你的脚完全露在水面上,只好用脚跟推水,如果你俯着身体游泳,那你不能前进,反而要后退。马在死海里既不能游泳,也不能直立,因为它的身体太不稳定了—它一到水里,只能侧着身子躺在水面上。
十、气体中的浮力
你不要以为物体只有在液体里才受到浮力,倘若果真如此,你可曾在节日里看过热气球的表演吗?它为什么能上升呢?还有载货的汽艇,吹的肥皂泡,为什么也能飘浮在空中呢?这说明物体在空气里也同样受到浮力,并且也遵循阿基米德定律,其浮沉条件也相同,由此我们可知道在空气中测量的物体的重量比它真实的重量要小些。不过一般由于减小得不多,人们不予重视罢了。但是对于庞大的热气球和汽艇,它们在空气中所受到的浮力却大得惊人,人们利用它们搬运各种货物—如贮木场用来搬运木材和在空中做各种实验。
十一、浮力对人类的作用
在世界各地的江河湖海里,每年要沉没很多船只,其中不少船只经过修复以后是可以重新使用的。如果任其沉睡水底多可惜呀!人们根据浮体原理,千方百计地把它们打捞上来,使其重新被使用,现以“萨特阔”号为例说明之。
“萨特阔”号是帝俄时代的破冰船,它在1916年由于船长渎职而沉没在白海底的25米处。打捞时在船底下面的海底上潜水手们挖了12条沟渠,然后将钢带穿过每条沟渠,将钢带的两端与船体两旁的浮筒相连。
浮筒是不漏气的铁筒,长11米,直径5.5米,其体积约为250立方米。浮筒先是装满水沉在海底,它受的浮力是250吨,自重是50吨,因此每个浮筒的载重为200吨。
待12条钢带牢牢系好船体两侧的浮筒后,就用软管往浮筒里注入压缩空气。在25米处水的压力是3.5个大气压,当时将4个大气压的空气打入浮筒。浮筒里的水全部排空之后的总浮力为200×24=4800吨,这已超过该船的重量,为了平稳地把船浮起来,浮筒里的水只排出一部分。
上述工序从原理上讲好像并不复杂,但是有些实际技术问题却并不这么简单。“水下特殊工作队”的主任船舶工程师波布利茨基在谈到打捞时的情景时说:“打捞队获得成功以前,曾经出了几次事故。有三次,在紧张地等待着的时候,我们看到的并不是船,而是混在波涛和泡沫之间自己冲上水面来的一些浮筒和破碎的软管。有两次已经捞上来了,没有等我们把它系牢,又重新沉下去了。”
900多年以前,我国宋朝怀丙和尚打捞铁牛的故事也是脍炙人口的。
1066年,黄河发大水冲走了一座桥梁和桥头的八只上万斤重的铁牛。官府为修复该桥,贴出“招贤榜”,招募能工巧匠打捞沉入河底的铁牛。这一下可难坏了周围的人们,正当人们一筹莫展的时候,有一个叫怀丙的和尚出来揭榜,他说:“铁牛是被水冲走的,我就叫水把铁牛送回来!”
怀丙准备了两只装满沙土的大船,用一根大木梁捆绑在两只船上,成一个“廿”字形。然后选一根粗绳索,一端拴在木梁中间,另一端紧缚铁牛。准备停当后,派人把船上的沙土卸掉,随着船上沙土的减少,铁牛也就慢慢地上升。当沙土卸完时,铁牛便从淤泥中被拉了出来。怀丙果真利用水的浮力“叫水把铁牛送回来了”。
十二、破冰船的力学原理
大家可能听说过鲸鱼集体自杀的事吧,有时大批鲸鱼会游到岸边的沙滩上,不久便纷纷毙命了。至于它们为什么会集体游到岸边,目前尚无定论,姑且不去细究。但是它们是露出水面呼吸的呀,为什么在沙滩上不能生存呢?
前面我们说过,物体在水里的重量由于被浮力抵消一部分要轻些,一旦露出水面或脱离水,它在水里已失去的重量就会立刻恢复。
鲸鱼的厄运就在这里。它是个庞然大物,一旦它搁置在沙滩上,浮力立即消失,于是惊人的重量便会把它压死。难怪它要长久生活在水里才能赖以生存。
破冰船也是根据类似的道理工作的。有人认为破冰船像一般船只冲破冰面前进一样是冲破冰面前进的,这种船应该叫“切冰船”,它只能切开薄的冰层。
真正的破冰船的工作方式有两种情况:
一是遇到冰层在半米左右时,破冰船便依靠强大的动力把船首翘到冰面上去(为此船首的水下部分造得非常斜)。这时船首便恢复了它原有的重量,以极大的压力把冰压碎。为了加强这种作用,有时还在船首的贮水舱里盛满水。
二是遇到半米以上的冰块,这时破冰船先是往后退,然后再全速向冰块撞去。这时发挥作用的不是船首的重量而是破冰船的动量。根据动量定理,mυ=F冲t,因为撞击冰块时,破冰船的动量变化很大(虽速度不大但质量很大),在很短的时间内可以产生很大的冲力,就像汽锤冲击工件一样。如果是几米高的冰山,就得反复冲击几次才能撞碎它们。
现摘引一段1932年“西伯利亚人”号通过极地时,水手马尔科夫的一段描述:“在几百座冰山中间,在密实地覆盖着冰的地方,‘西伯利亚人’号开始了战斗,连续52个小时,信号机上的指针老是从‘全速度后退’跳到‘全速度前进’。在13班每班4小时的海上工作着,‘西伯利亚人’号疾驰着向冰块冲去,用船首撞它们,爬到冰上把它们压碎,然后又退了回来。厚达四分之三米的冰块慢慢地让出了一条路。每撞一次,船身就可以向前推进三分之一左右。”
十三、鱼鳔的浮沉原理
关于鱼鳔的一般说法是它控制着鱼的升降。当鱼从深水里浮到水的上层来时,它就鼓起自己的鳔,这时由于鱼的体积增大了,使被排开的水的重量大于它的体重,于是按照浮沉条件,鱼就升起来;如果鱼想下沉,它就收缩鱼鳔,从而鱼的体积变小,使它的体重大于被排开的水的重量,因此鱼就沉下去了。
关于鱼鳔功用的解释,从17世纪佛罗伦萨科学院的波雷里教授在1685年正式提出后,一直沿用了200多年,从没有人表示过异议,同时也在学校的教科书里生了根。后来经过科学家详细研究之后,才发现这个理论是毫无根据的。
诚然,鱼鳔与鱼的沉浮有着密切的关系。如果把鱼鳔切除,我们会发现只有在鳍加紧摇摆的情况下,鱼才能浮在水里;鳍一停止,它就会沉到水底去。那么鱼鳔的作用究竟是什么呢?经过研究发现,鱼鳔是不会自动收缩的,因为鱼鳔的壁上并没有能够主动改变自己体积的肌肉纤维。因而,鱼鳔的真正作用说来十分有限:它只使鱼保持一定的体积,即只能使鱼停留在一定的深处—就是停留在所排开水的重量等于它的重量的那个位置上。在这里,鱼鳔里的气压和周围的水压是平衡的,当鱼用鳍使自己下沉到比这个平衡位置低的位置时,它的身体由于经受着水的外来压力而缩小,并且对鳔施加压力,从而使鳔的体积变小,于是被排开的水的重量也变得比鱼的体重小了,因此鱼就不可避免地往下沉。它下沉得越低,水的压力就越大(平均每下沉10米,水的压力就增加1个大气压),鱼的身体也被压缩得越小,从而就继续往下沉。这时它就不得不以游动来避免进一步下沉。此外,鱼还会分泌出气体进入鱼鳔,以使它的体积几乎保持不变,所以尽管压强增大了,鱼仍能保持相同的体积,从而使浮力也保持不变。
当鱼用鳍的力量离开原来平衡的那个位置升高时,也会出现类似的情况,只是朝相反方向进行。上升后,水的外来压力减小,因而,鱼鳔要从里面把自己的身体撑大起来。鱼的体积越大,浮力也越大,于是也越需要继续往上升。鱼是不能用“压缩鱼鳔”的方法来阻止这种上浮趋势的,只能借助于鳍的力量。
总之,跟流行的说法相反,鱼鳔的体积是不会主动胀大和缩小的。鱼鳔体积的改变是被动的,是在外部压力增强或减弱的作用下进行的(遵守波义耳—马略特定律)。鱼鳔体积的改变对鱼来说,不但没有好处,反而会招来麻烦,它将迫使鱼不得不越来越快地沉到水底去,或是越来越快地升到水面上来。鱼鳔虽然能使鱼在不动的时候保持平衡,但是这种平衡是不稳定的。
渔民观察到的情况也可以证明这种说法。渔民在深海里捕鱼的时候,常常可以看到有些鱼在半途中逃脱了,可是和人们的想法相反,它们并不重新沉入原来被捕的深水里,而是急速地上升到水面上来。这是由于在逃跑的那个位置的水压远远小于海底的水压,这时鱼鳔被迫膨胀,它受的浮力远大于本身的重量,靠鱼鳍的力量也不能恢复平衡了。无可奈何,只能不得已地向上浮罢了。这样的鱼,有时可以看到它们的鳔已经突出到嘴外面来。
对鱼的浮沉来说,鱼鳔的真正功用恐怕就是如上所说。至于它在鱼的身体里是否还起别的作用,究竟是些什么作用,目前尚未研究清楚,还是一个没有识破的谜。现在能解释明白的,只是它在流体静力学方面的作用而已。
十四、作用力与反作用力
根据牛顿第三定律,作用力和反作用力总是等大反向地作用在不同的物体上,并且发生在一条直线上。
当马拉车时,车子也以相同的力向后拉马,车子不应该原地不动吗?为什么反倒前进呢?问题的症结所在还是对牛顿第三定律没有正确的理解。作用力和反作用力虽然是等大反向,但并不是作用在同一个物体上,因此这两个力不是平衡力,彼此不能抵消。
上面说的两个等大反向的力,一个作用在车上,一个作用在马上。在水平方向上车受到两个力的作用,一是马拉车的力,一是地面阻碍车前进的摩擦力。在一般情况下,马拉车的力远大于车受到的摩擦力,合外力为二力之差,其方向与马拉车的力的方向相同。车就是在这个合外力的作用下加速前进的。
马拉车,当地面的摩擦系数足够大时,马蹄蹬地给地面以作用力,同时马也受到地面的反作用力,因此在水平方向上,马受到地面的反作用力和车对马的反作用力。二力相较,前者大于后者。二力之差为马所受的合外力,其方向和地面给马的反作用力的方向相同,马之所以能加速前进也就是这个合外力作用的结果。倘若马和车紧紧连接在一起,它们的加速度应是一样的。由此观之,马拉车的效果是马和车一道前进,不是原地不动。
雷同于这种现象的比如物体下落,物体受到地球的吸引力和物体给地球的反吸引力,二者也是等大反向的,但只见物体下落,却不见地球上升。原因是地球的质量比物体大很多倍,所以地球的加速度就比物体的加速度小很多倍,实际上近乎为零,一般就说地球岿然不动了。严格讲,地球时时在吸引周围的物体,同时也招惹周围的物体时时刻刻在吸引它,故地球是在不断地颤动,只不过不易察觉罢了。
(一)大力士之死
相传古代有个臂力过人的大力士叫斯维雅托哥尔。他相信自己的力气,说“只要有地方用力,我就能举起整个地球”。后来传说他确实在地面上找到了一个“小褡裢”,它很牢固,不松不转,也不能从地里拔出来。有首民歌生动地描绘了这场表演:
斯维雅托哥尔跳下马,
双手抓住小褡裢,
把小褡裢提得高过了膝盖,
他就齐膝盖陷进地面里。
他苍白的脸上没有泪,却流着血,
</g,便下沉;f浮=g,物体在液体中处于平衡状态,可以停留在液体中的任何地方,或在液体里做匀速直线运动。