书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第4章 力学在生活中起到的作用(4)

我本来已经忘记了月球上的引力只有地球上的1/6,是我走路时的感受提醒了我。

我控制着自己的动作,小心翼翼地爬到了岩石的顶上,我好像患了风湿病一样,慢慢地走去,走到阳光下和小张靠在一起。

“你看!”我转过身来对小张说。可是小张忽然不见了,我惊呆了,对这件意外的事情感到诧异。后来我想看看岩石外面的情形,就急忙向前走去。我所用的力如果还是在地球上,只能使我移动1米,但我在月球上却使我移动了6米。

我尝试到了一种只有在梦里才能有的飞翔的感觉,在落下来的时候,感到自己好像是落到了深渊一样。人在地球上往下落的时候,第1秒大约落下5米,可是在月球上,第1秒只能往下落80厘米。这就是为什么我能够很平缓地向下落9米的缘故。我似乎觉得这次降落得很慢,大约延续了3秒钟。我在空中飘着,像羽毛一样平稳地往下落,落到了那岩石嶙峋的山谷的底上,膝盖宛如没在雪堆里。

“小张!”我环视了四周,大声喊着。但是连小张的脚印都没有发现。

“小张!”我更高声地叫着。

突然,我看到了他,他站在离我大约20米远的一个光秃秃的峭壁上,笑着向我做手势。我听不见他的话,可是我懂得他手势的含意:他叫我向他那里跳去。

我有些犹豫不决:我似乎觉得距离太远了一些。可是我立刻想到,小张能够跳到这么远的地方,我大概也能跳到那里去。

我就后退一步,用足气力往前跳。我像箭一样飞入了空中,似乎再也落不下来了。这是一次神秘的飞行,奇怪得好像在做梦一样,可是同时也使我感到非常愉快。

我跳的时候似乎用力太大了,一下子就飞越过了小张的头顶。又飘了一阵,最后总算落地了。定睛环顾四周,是一片开阔地,如果不是火山灰太厚,是个很理想的运动场。我急忙向小张打招呼,然后小张也跳了过来。

我们坐下来休息,考虑下一步该做点什么事情。小张忽然灵机一动要利用这个场地打靶,我欣然同意他这个好主意。

“可是,火药在这里能不能起作用呢?”小张考虑到月球上没有空气,犹豫地问道。

“爆炸物在真空里甚至比在空气里威力更大,因为空气只会限制火药爆炸开来;至于氧气,那它是不必要的,因为火药本身所含的氧已经足够了。”我按自己的理解作了解释。

“我们把枪口朝上放,以便子弹射出后可以在附近找到……”小张补充说。

一道火光,微弱的声音,地面微微有些颤动。

“枪塞哪里去了?它应当落在附近。”小张惊讶地问道。

“枪塞是随子弹一起飞出去的,它大概不会落在子弹的后面。因为在地球上有空气阻碍它跟着子弹一起飞走;而在这里,就是羽毛落下和飞向空中的速度,也和石头一样,你拿一片从羽绒服掏出来的羽毛,我拿一个小铁球。你能够像我用小铁球一样,用手里的羽毛击中一个靶子,甚至是离得很远的靶子。在这种重力很小的情况下,我能够把小球掷到400米远,你也能把羽毛掷过同样的距离。固然你掷的羽毛是不会打坏任何东西的,因为它的质量太小,尽管它们的速度一样,但是它的动量太小了,同时你也感觉不到你是在掷什么东西。我们两个力气差不多,让我们用全力把手里的东西掷向前方的那块花岗岩吧……”我发了一通议论后,注视着眼前的实验。结果羽毛好像被强烈的旋风刮着一样,略微赶在铁球的前面。

“可是这是怎么一回事呢?从开枪到现在已经有3分钟了,子弹还没有下来!”小张不解地问。

“大概再等两分钟,它一定会回来的。”我顺便答道。

果然,两分钟以后,我们发现在不远的地方,有一颗刚落下的子弹,附近还有一个枪塞。

“这颗子弹飞出去的时间真长!它能升得多高呢?”

现在让我们来计算一下。如果子弹离开枪口时的速度是每秒500米。那么,在地球上不考虑空气阻力的情况下,这颗子弹上升的高度是12.5千米。

h=v22g=50022×10=12500米。

而在月球上,重力只有地球上的1/6,这里的g月就只有g1/6;因此,子弹在月球上能够飞到的高度是12.5千米×6=75千米。

无怪乎我们需要耐心地等待这么长的时间哩!

十六、杂技团的平衡力学

看过杂技的人,无不为演员精湛的技艺所折服,尤其是高难度的平衡动作,更令人叹为观止。你看那表演椅子顶的演员,在他身下,一共放了七把椅子,而最下面的椅子的四条腿放在四个啤酒瓶口上,啤酒瓶放在一个高脚桌上,总有五六米高。这时另一个演员小心翼翼地撤去一个啤酒瓶,顿时一条椅子腿悬空,观众为之提心吊胆,很为演员的安全捏一把冷汗,然而演员却做着各种轻盈的动作,悠然自得。

扛杆节目更是惊人。女演员肩头扛着4.5米长、碗口粗的竹竿,竿顶缚有约2米长的短横梯。一个女演员爬上短梯的一端勾着双脚倒挂着,脖子上挂了一个绳圈,另一个演员把后仰的头套在绳圈里,变着花样,做出各种优美的动作。这时,弯曲的竹竿在不断地倾斜并激烈地晃动着,摇摇欲倒,万分惊险。但是演员们却喜笑盈盈,坦然自若。

走钢丝的人,手持横杆或花伞在钢丝上行走如飞,甚至翻筋斗,骑独轮车等等,令人头晕目眩,赞叹不已。

诸如此类惊险的节目,数不胜举,除了演员娴熟的技巧之外,你可曾知道,还有奥妙的科学道理,这就是演员充分地运用了物体平衡的原理。

(一)椅子顶不会倾倒的原理

杂技里的椅子顶,只有在稳定平衡下才能进行。人和椅子所构成的系统的支面,就是四只啤酒瓶所围成的面积。不论演员在顶部的椅子上怎样表演,只要系统的重力作用线通过支面的话,系统就能随时保持平衡。不过要做到这一点谈何容易。虽然都是稳定平衡,但是稳定的程度是不同的(简称稳度)。正如一块砖,平放、侧放和立放都属稳定平衡,但是三种位置的稳度是不同的。

怎样才能增大稳度呢?我们先来做个实验。把一支长蜡烛立在桌子上,稍一振动就会翻倒。如果把蜡烛粘在一块较大的木块上,就稳定多了。倘若再用一块更大的木板,蜡烛就会立得更稳。可见增加物体的支面,是提高稳度的有效措施。

一个圆锥体,底面朝下就能稳稳地放在桌面上,如果朝上就很难放稳,即便放稳,也是一碰便倒。由此可见,物体的稳度又和重心的高度有关。重心越高,稳度越小;重心越低,稳度越大。

我们再来看前面说过的椅子顶的难度究竟在哪里?当椅子一把又一把加高的时候,演员和椅子组成的系统的重心也随之升高,最后可达5米左右,这时的系统是稳度很小的稳定平衡。加上演员要表演各种动作,因此要使系统的重力作用线不超出支面,是很不容易的事。

撤去一只啤酒瓶后,系统的支面几乎减少了一半,稳度更小了,这就难上加难。为此,演员必须把身体的重心移向撤去酒瓶的另一边,使系统的重力作用线落在三只酒瓶围成的支面里,才能保持系统平衡。在各种高难度的表演中,重心的位置瞬息万变,为了随时掌握平衡,演员不知洒下多少汗水和摔过多少跟头,才能掌握这一娴熟的技艺哩。然而,功夫不负有心人,有志者事竟成。

(二)扛杆的平衡力

扛杆是一种什么平衡呢?如果竹竿长为四五米,整个系统的重心大约在离底部3米的地方。而竹竿底部的直径最多不过十几厘米,相对于重心的高度,这个支面是相当小的。整个系统重心高、底面小,故头重脚轻,只要竿顶有五六厘米的偏离(这时偏离的顶角不到1°),系统便会失去平衡而倾倒。因此扛杆是一种不稳平衡。奇怪的是,竹竿并非一碰便倒,虽然摇摇晃晃,但却并没有歪倒,这是为什么呢?

秘诀就在于竹竿的支面是不断移动变化的。表演时,肩上扛着竹竿的演员,总是仰着头,密切地注视着竹竿的动向,凭着敏锐的感觉,用机智灵巧的动作,或左或右,或前或后移动着身体,随时调整竹竿支面的位置,使整个系统的重力作用线始终通过支面,保证系统平衡。

最扣人心弦的动作是,两个演员在横梯的右端表演,竹竿倾斜得几乎要倒下去了。然而,这种大角度的倾斜,正是系统平衡的需要。演员到了横梯的右端,系统的重心向右移动了。为了保持系统平衡,扛杆演员必须有意识地把支面也向右移,使重力作用线仍通过支面。所以观众为大角度倾斜而提心吊胆,而演员却若无其事地在表演。

你也许会想:“扛杆难在系统的重心高,支面小,平衡不好掌握。要是竹竿短一些,重心低一些,就一定容易表演得多了。”

事实恰恰相反,短竹竿比长竹竿更难表演。这是由于平衡的稳度决定于哪一种更容易调整支面。比如你可以做一个顶铅笔和顶一根长两三米的竹竿的对比实验,就会有直接的体会了。由于竹竿的重心高,转动惯量大,从开始倾斜到倾倒所需的时间长,你就有比较充裕的时间来调整支面,使它保持平衡。而铅笔的重心低,倒下的时间短,要使它仍保持平衡就很难。由此可见,对于稳定平衡,重心太高是一个不利的条件;而对于不稳定平稳,它却又成为维持平衡的条件了。

(三)走钢丝绳比扛杆容易吗?

不少人认为,走钢丝绳不如扛杆难。殊不知,二者相比,前者的难度更大。

这是由于走钢丝绳演员的重心位置最高也不过1米左右,身体稍有倾斜,倒下的时间也就很短。因此及时调整重心的位置。使重力作用线始终通过支面是很难的。有人认为走钢丝绳容易,是把支面不能移动的平衡问题套用到支面可以移动的平衡问题中来了。

如果你有兴趣可以做一个“会走钢丝的小人”,而且它还是单腿走钢丝,比真人还要技高一筹。你可以用橡皮泥(比较黏的泥土也行)捏一个小人的身体、头和手,而腿用两条短木棍做成。为便于放到钢丝上,要站立的那条腿下面可以挖一个小槽。然后在小人的腰部斜插两根长10厘米以上的铁钉,使小人和铁钉组成的系统的重心落在小人脚底下面,这是成败的关键。

你把小泥人开槽的腿放到倾斜的绷紧的金属丝上,泥人就会沿着金属丝缓缓向前滑动(如果滑不动,可以推它一下)。别看它颤颤巍巍的,却永远不会失足!小泥人“技艺”这样“高超”,秘密就在于它的重心落在金属丝(支点)的下面,是一种稳定平衡。倘若拔出两根铁钉,泥人就会失足落地,这是由于它的重心移到金属丝(支点)上面的缘故,变成不稳定平衡了。

(四)生活中常见惯性中的力

惯性的例子在日常生活中是不胜枚举的,比如飞快骑自行车的人,当他突然用前闸急刹车时,会连人带车向前翻滚,这是因为前轮虽已停止了运动,但是后轮和人由于惯性却要继续向前运动的结果。

惯性并不总跟人作对,它也不时地帮人们的忙。比如,司机为了节约燃料,在起步之后,便用适当的高速行驶。在停止之前可以提前关闭油门,让车辆利用惯性再跑一段路。斧头松动了,将斧把向下撞击硬物,由于斧把碰到硬物停止运动后,斧头由于惯性继续向下运动,就会紧箍在斧把上。一些动物抖动身体,如驴打滚后便不断地搐动身体,以清除沾在身上的泥土。机器上安装笨重的飞轮,利用惯性起到储能作用。例如,小型195柴油机上的飞轮用来克服工作中的缺点。车轮上装飞轮,当车辆停下来时,转动的飞轮能储存车辆行驶时的能量,待车辆开动时再释放出来。