书城科普读物物理的妙趣
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第3章 世界真神奇(3)

英国人赫胥黎著有《人类在自然界的位置》一书,书中引述了马丁对敏捷的长臂猿的报道,其中有一段:“它(雌长臂猿)动作的敏捷和优美,几乎难于用文字表达。它在林中从这枝到那枝,好像仅仅触着枝上一点点,真如飞腾在空中一样,而且每一次极其轻易地移过12英尺(于3.66米)至18英尺(5.49米)的距离。几小时持续不断地移动,也毫不出现疲乏的样子。显然,如果林中有更大的空地,长臂猿一次的移动还远远不止18英尺远呢!因此有人说他曾看过长臂猿从一树枝到另一树枝,一跃相距40英尺(12.19米)。这话虽然很惊人,但还是可以相信的。有时在握着树枝前进时,用仅仅一臂之力,绕着树枝旋转一圈,转动之快速几乎使眼睛来不及观察,随即又以同样的速度,继续前进。……它的身体好似用绳挂存树上一样。”

长臂猿在平地上行进是相当笨拙的,它高举前肢以保持身体的平衡,犹如庙会上走钢丝的艺人。显然,它真正的本领在树林中,无论玩耍、争食、逃跑,都离不开圆周运动。它身材虽然不及人的一半高,而且又瘦又小,但用离心力作为一切活动的手段是任何其它动物所没有的。尤其当它行进速度减下来时,“它用仅仅一臂之力,绕着树枝旋转一圈”,作为加速的动力,再度发挥出它特有的本领,可以称得上利用离心力的大师。

人类对离心力的利用

在体育运动中,有一项链球运动,人挥舞着带链的球,利用离心力把链球抛出去,但动作之优美、自然却不及长臂猿了。

人类利用离心力到底比长臂猿聪明,因为人类能思索、能创造。比如离心分离器,在两只金属管内放置好要分离的液体,当旋转时,两只金属管里原来垂直下挂成为水平乳状的混合液在旋转后取出时,在金属管的底部为沉淀物,物面上部为清水。

人类对离心力的利用远非这些,其它还有如洗衣机的甩干、蒸汽机中的飞球式调速器、制糖工业中分离糖蜜液体、铸造工业中离心浇铸法,等等。

走在高空钢索上要拿个杆子

高空走索表演

阿迪力·吾守尔——全国人大代表、中国杂技艺术家协会副主席、新疆达瓦孜艺术的第六代传人,曾五次成功打破高空行走世界纪录。这位维吾尔族的英雄、中华民族的骄子,曾多次受到国家领导人的接见。

2001年10月25日,阿迪力在南岳衡山的举动,使人们再一次认识了这位杰出的“达瓦孜”艺人。这个维吾尔族的小伙子,如今已成为人们心目中当之无愧的英雄。

那天下午,阿迪力应邀来到南岳,开始跨越架在玉板桥和凤凰峰之间高66米、长260米的斜拉钢丝。在距终点3、4米的地方,由于手中平衡杠碰到山间松树,他意外的从钢丝上跌下来。当人们及时将阿迪力从山间抢救上来,他却在亲朋好友的劝阻声中,竟然连身上尘土都没拂去,带着伤痛,以比第一次更快的速度从失败地点飞掠而过。

一位现场的女观众说,“阿迪力完全可以不用再挑战,这样做太危险了,但他表现出的英雄气概确实让人钦佩。”阿迪力事后接受新华社记者采访时说,“观众来看我表演,我就要对得起他们。阿迪力没有失败,失败对‘达瓦孜’就是意味着死亡。”

高空走索是一项非常惊险又极具观赏价值的表演项目,20世纪90年代,加拿大高空走索表演者科克伦在国三峡地区首次高空走索跨过了长江。维吾尔族高空索艺术世家的传人阿迪力在缺乏资金和没有媒体关注情况下,以大大少于科克伦的时间再次走索跨过了长江。阿迪力一家还多次在全国运动会和各种节庆活动中演高空走索,赢得了观众们的喝彩和敬佩。

惊险的一幕

根据物体平衡的条件,要求高空走索演员,要始终使自己身体的重力作用线通过支面——悬空的绳索。由于绳索很细,对人的支面极小,一般人很难让身体的重力作用线恰巧落在绳索上,随时有从绳索上掉下的危险。

但是,我们却看到表演者在很细的绳索或钢丝上如履平地,还能轻灵捷地做出各种惊险优美的动作,让观众紧张得透不过气来。

表演者不用保险绳的保护却不会从绳索上摔下来,这是为什么呢?而且,表演者还要拿着一根长长的竹竿或长棍子,这根长竿难道不会妨碍他做动作吗?

与人们的想象相反,表演者手里拿的长竿,不但不会妨碍表演者做动作,而且恰恰是使他保持平衡、不会从绳索上掉下来的关键。

平衡原理

我们知道,不论什么物体,要保持平衡,物体的重力作用线(通过重心的竖直线),必须通过支面(物体与支持着它的物体的接触面),如果重力作用线不通过支面,物体就会倒下。

手中的长竿可以左右摆动,以调节身体的重心,将身体的重力作用线调整到绳索上,使身体重新恢复平衡。我们都有这样的经验,当身体摇晃即将倒下时,我们会下意识地摆动双臂,使身体重新站稳,这是我们依靠摆动双臂来调整身体的重心。

杂技演员走钢丝时,也会通过摆动手臂的方法保持平衡。同样道理,高空走索表演者手里拿的长竿,实际起了延长手臂的作用,还有长竿转动惯性大,可以有效地帮助表演者在空中保持平衡。

大象和蚂蚁的童话

出乎意料的判决

著名作家秦牧写有《艺海拾贝》一书,其中有一篇“象和蚁的童话”,讲的是有一头大象和一只蚂蚁比赛力气,请仙人裁判。

大象挥动长鼻子拔起了一棵大树,卷着来回走了一程,显得十分自豪;蚂蚁不慌不忙咬断了一根小草,吃力地把它拖着走了一段路,仙人看了,出乎一切动物意料之外地评判道:“我认为蚂蚁的气力比象大,因为大象拖动着大树,没有它的身躯那么重。而蚂蚁呢?它衔着的小草都已经等于它的体重的25倍,单就大树和小草的重量来说,大树自然要比小草重得多。但是按照一只动物的大小和它能够拖走多重的东西比较一下来说,蚁的气力却比大象大好几十倍了!”

力量的对比

从做功的角度来说,蚂蚁的气力与大象的气力相比是微不足道的,但仙人主要的论点是大象卷起的大树与大象本身重量之比为1∶1,而蚂蚁拖着的小草与蚂蚁本身重量之比为25∶1。既然大象气力大,为什么不能像蚂蚁那样,背起是自己体重25倍的物品呢?

这个问题很早以前已经引起人们的注意,伽利略在《关于两门新科学的对话》一书中,借书中主人公萨尔维亚蒂之口说:“一只小狗可以背起两只甚至三只同样大小的狗,可是一匹马却不一定能够背起哪怕是一只同样大小的马。”

动物骨骼的承受力

原来,所有的动物承受重物,关键在于动物的骨骼,骨骼的承受能力是骨质的强度(单位面积上承受的力)与骨骼横截面有效面积的乘积。小狗骨骼的骨质强度与骨骼横截面有效面积的乘积,决定了小狗能背起两三只小狗。

所有动物的骨质强度都差不多,即马的骨质强度与小狗差不多。虽然马骨大,马的骨骼横截面有效面比小狗大,但大的毕竟有限,所以马骨比小狗的骨承受能力大的也有限,故马只能背起与它差不多大小的马了。

大象骨骼要承担的力比蚂蚁骨骼要承担的力大千万倍,但大象的骨质强度不可能比蚂蚁的大几十万倍,况且,大象的骨骼除了负担大象自身硕大的重量外,富余能力已不多,否则将会造成骨折的危险,对于按比例负担重量来说,大象只好甘拜下风了。

水为什么抽不上来

有一天,意大利物理学家托里拆利挖了一口深井,并装上抽水机。然而没想到的是,水怎么也抽不上来,这是为什么呢?为了揭开这个谜,他找来了一根约一米长的细玻璃管,一端封闭,从另一端灌满水银,然后用食指按住开口的一端,把玻璃管倒放入盛有水银的器皿中,放开食指,只见管中的水银面降到比管外器皿的水银面大约高76厘米时就停止了。

托里拆利又把玻璃管倾斜起来,进入管内的水银虽然多了一些,但是管内的水银面与管外水银面垂直高度仍然约76厘米。

这些实验使托里拆利联想到,玻璃管里的水银柱上面没有空气,水银柱虽然有重量但是并没有落下来,说明器皿中水银对管内的水银柱有一个向上的托力。

这个托力在数值上等于76厘米高的水银柱的重量。但是托力从何而来呢?找不到别的可能性,于是他肯定这是大气在器皿里水银面上产生的压强而产生的。如果把玻璃管延长十几米长,把管中的水银用水代替,用同样的方法实验,管中的水面降到比皿中水面大约高10米时就停止了。这就说明大气压强相当于10米高的水柱产生的压强,当井深超过10米时,大气压强就无力把水压到井口了。

陀螺为什么转的越快越稳

陀螺的历史

陀螺最早出现在后魏时期的史籍,当时称为独乐,今天日语依然把陀螺书写为汉字“独乐”,沿袭中国古代叫法。

陀螺这个名词,直至明朝才在书籍里正式出现。《帝京景物略》一书中就提到一首民谣:杨柳儿青,放空钟;杨柳儿活,抽陀螺……由此可见,在明朝时期,陀螺这个名词已正式出现于词语上,陀螺成为民间儿童们大众化的玩具。且从文句中也可发现,民俗童玩的玩法是具季节性的,打陀螺成为春天的一项流行活动。

陀螺的玩法

目前一般常见的传统陀螺,大致是用木头、塑胶或金属制的倒圆锥形状。前端大多为铁制材料,玩者会因不同方式的玩法,将陀螺钉制作成圆柱形、斧头状或尖锐形。但经时代的演变,科技的改良,大家玩的陀螺花样百出,且玩法创意多变,现在已有各式各样的材质与形状出现。

一般来讲,年纪较小的孩童可先从小陀螺玩起,小的陀螺玩具上面有一根突起的小木棒,利用像宋朝那样的玩法用手来旋转。稍大的孩童便玩木制陀螺,木制陀螺的材质十分重要,通常是选用硬材,如樟树、番石榴树或龙眼木等。而打陀螺的绳子则要结实,且不会滑动,一般打陀螺的线是用棉绳或细麻绳最合适。钉子的种类则是针形的钉子或前端为圆柱体者,最适宜旋转,也有长菱形的剑钉旋转和劈打都可以,而三角形的斧头钉则只专用劈打别人的陀螺,自己却不太会旋转。在木陀螺方面,由于成年人的参与以及年龄层的分布较广,陀螺愈玩愈大,若是再结合其它道具(例如:呼啦圈、飞盘、骑单车、溜冰等)共同演出,更是让人耳目一新。

通常打陀螺都是利用木制陀螺来抛掷,即利用棉绳缠绕陀螺后,用手施力将陀螺抛出后,以陀螺钉为轴心旋转的玩具。另外,也有人利用鞭打陀螺的方式,使其继续旋转;而有些厂商为了推广陀螺技艺,增加学习者的学习动机,别出心裁,改用其它方式制作出许多新颖的陀螺相关童玩作品。而且甚至在陀螺身上加装电池及七彩灯炮,让陀螺旋转起来,发出绚丽多姿的彩光,以吸引打陀螺者的目光。另一方面,有的厂商为了使陀螺旋转时发出响亮的声音,将陀螺身挖成中空。陀螺侧身有一长条状小空隙,特殊之处即在这里,当陀螺旋转时就可发出蜂鸣的响声,所以陀螺经过匠工的巧思琢磨,历经时代的演变,科技的改良,现在已有各式各样的材质与形状出现,不只老少咸宜,也更好玩、更臻完美。

陀螺的旋转平衡原理

当一个力学系统(物体)受到数力的作用,若其合力(大小、方向)为零,且各力对任一点之力矩和亦为零时,就称此力学系统是处于平衡状态。换言之,当物体呈现一种“动者恒动、静者恒静”的状态时,即可称之为“平衡”。物体在很多情况下都能呈现平衡状态,不只是在静止的时候,当它在动的时候也会达到平衡(包括星体的运行也是),有些平衡状态能持久,而有些只是短暂现象。

一般而言,静态的平衡大多属于稳定平衡,动态的平衡则多属于不稳定平衡。当陀螺受力旋转时,因各方向离心力总和达到平衡,因此陀螺能暂时用轴端站立,保持平衡现象。接着受到空气阻力、地面摩擦、或陀螺重心问题等各因素的影响,使其旋转的力道逐渐减弱,等到旋转的动力消失时,陀螺也跟着左摇右晃的倒了下来。因此,如何制作挑选好的陀螺、拿捏抛掷的力道与掌握要诀,让陀螺抛得更准、转得更久,便成为玩陀螺者挑战的终极目标。

孔明灯为何飘在空中

节日放飞孔明灯

每到春节,许多人都参与放飞孔明灯活动。显然,孔明灯成了一种新的过年庆祝方式。

很多人第一次看到孔明灯,非常好奇,立即争相购买。商家也热心地向他们介绍使用方法:把纸制的灯笼张开,点燃下面的蜡烛,热气充满灯内,就会带着它起飞。一时间,年轻人三五成群地在灯纸上写下自己的新年愿望,或是祝愿家人健康平安,或是工作顺利、感情顺心,然后小心地点燃蜡烛……孔明灯带着众人的心愿频频升空,犹如繁星点缀夜空,煞是好看。

孔明灯渊源

孔明灯又叫天灯,相传是由三国时的诸葛孔明(即诸葛亮)所发明。当年,诸葛孔明被司马懿围困于平阳,无法派兵出城求救。孔明算准风向,制成会飘浮的纸灯笼,系上求救的讯息,其后果然脱险,于是后世就称这种灯笼为孔明灯。另一种说法则是这种灯笼的外形像诸葛孔明戴的帽子,因而得名。

现代人放孔明灯多作为祈福之用。男女老少亲手写下祝福的心愿,象征丰收成功、幸福年年。

孔明灯升空原理

孔明灯的结构可分为主体与支架两部份,主体大都以竹篦编成,然后用棉纸或纸糊成灯罩,底部的支架则以竹削成的篦组成。孔明灯可大可小,可圆形也可长方形。一般的孔明灯是用竹片架成圆桶形,外面以薄白纸密密包围而开口朝下。

欲点灯升空时,在底部的支架中间绑上一块沾有煤油或花生油的粗布或金纸,放飞前将油点燃,或者固定一只粗蜡烛点燃。灯内的火燃烧一阵后产生热空气,孔明灯便膨胀,放手后整个灯会冉冉飞升空,如果天气不错,底部的煤油烧完后孔明灯会自动下降。

燃料燃烧使周围空气温度升高,密度减小上升,从而排出孔明灯中的空气,使自身重力变小,空气对它的浮力把它托了起来。

海南孔明灯风俗

海南孔明灯又称文灯、天灯,相传它是由大陆流传到海南的,演变至今已成为当地的一种很有特色的民间风俗。每逢喜庆日子或盛大的节日,人们都点起文灯来表达他们的美好心愿。点燃文灯前人们都要在灯上写出自己的愿望,与天灯一起冉冉升向苍穹,以祈求心愿能实现。

在文昌、万宁、儋州一带的村庄里,至今民间有扎孔明灯,放天灯的习俗。由于文昌口音“天灯”与“添丁”谐音,男孩家拿着写有吉祥词语的公灯、人丁灯、首牌灯、花篮灯、鲤鱼灯、珍古灯等各式花灯自发组成“送灯”队伍,敲锣打鼓,绕村行进到村中的庙宇前,表示送去“人丁兴旺、家景兴隆”之意。放天灯时,家家的天灯如同热气球一样冉冉上升,带上祝福与心愿,飘上夜空。

孔明灯在现代生活中的危害

孔明灯成为中国传统文化的象征,有过时节举行仪式,放孔明灯祈福,甚至作为广告宣传。