书城科普读物物理的妙趣
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第9章 生活中的物理现象(4)

目前世界上有3种类型磁悬浮技术,即日本的超导电动磁悬浮、德国的常导电磁悬浮和中国的永磁悬浮。

中国的磁悬浮技术

永磁悬浮技术是中国大连拥有的核心及相关技术发明专利的原始创新技术。据技术人员介绍,日本和德国的磁悬浮列车在不通电的情况下,车体与槽轨是接触在一起的,而利用永磁悬浮技术制造出的磁悬浮列车在任何情况下,车体和轨道之间都是不接触的。

上海磁悬浮列车是“常导磁斥型”(简称“常导型”)磁悬浮列车。是利用“同性相斥”原理设计,是一种排斥力悬浮系统,利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁,和铺设在轨道上的磁铁,在磁场作用下产生的排斥力使车辆浮起来。

磁悬浮列车可以减少轨道摩擦阻力,消除撞击产生的震动,有利于保护零件,节约资源;列车在铁轨上方悬浮运行,铁轨与车辆不接触,不但运行速度快,能超过500千米/小时,而且运行平稳、舒适,易于实现自动控制;无噪音,不会排出有害的废气,有利于环境保护;可节省建设经费;运营、维护和耗能费用低。

磁悬浮列车会是21世纪理想的超级特别快车,世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。中国和日本、德国、英、美等国都在积极研究和发展这种车。

中国永磁悬浮与国外磁悬浮相比有五大方面的优势:一是悬浮力强;二是经济性好;三是节能性强;四是安全性好;五是平衡性稳定。槽轨永磁悬浮是专为城市之间的区域交通设计的,列车在高架的槽轨上运行,设计时速230千米,既可客运,又可货运。

电梯里的失重感

电梯里的感受

当电梯处于快速下降的过程中时,会给人一种恐惧的感觉,好像五脏六腑都被向上提起,似乎将要跌进无底的深渊,电梯启动下降越迅速,这种恐惧的心理感觉越强烈。

如果在电梯内有一台秤,你站在台秤上相对台秤不动,在你有“提心吊胆”感觉的时候,不妨注意一下台秤指针的读数,可以看到你的体重突然变轻了。

这种恐惧感觉越厉害,你的体重减少得越严重。这就是所谓“失重”的现象。倘若电梯自由下落(当然,实际运行是不允许出现这种情况的),你会发现台秤上指示出来的你的体重完全消失,你的重量等于零!这就是“完全失重”的状态。

失重的道理

到底“失重”是怎么一回事呢?人站在电梯内的台秤上,电梯启动时,有一个向下的加速度,这时人也以同样的加速度下降。人之所以具有了向下的加速度是由于人受两个力的作用:一个是竖直向下的重力;另一个是台秤对他的支承力,这个力的方向竖直向上。

由于人获得的加速度方向是向下的,所以人受重力、支承力这两个力的合力也应该是竖直向下的。也就是说,竖直向上的支承力小于竖直向下的重力。这时反映在台秤上的读数便比重力小,这个结果说明此时的实际重量比真实重量小,好像是人失去了一部分重量,这就是“失重”。

根据牛顿第二定律便可知道,“失去”的这部分重量的大小应该等于人体质量与加速度大小的乘积。在升降机加速下降过程中,人体质量并无变化,而加速度是可以不同的,所以,当下降加速度越大,“失重”就越严重。

失重的宇航员

1961年4月12日莫斯科时间上午1时7分,在拜克努尔飞船发射场,一支重型火箭起飞了,在末级火箭的顶端连着一个直径是2.3米的球形空间,这是“东方”1号宇宙飞船。在球形空间中坐着世界上第一位宇航员——苏联空军少校尤里·加加林,当时他刚满27岁。

在绕地球飞行一周后,加加林安全地降落在莫斯科西南805千米的萨拉托夫。飞船在绕地球的轨道上总共飞行了108分钟,其中有89分钟加加林是在失重状态下度过的。

失重是人进入宇宙空间遇到的一个特殊物理因素。宇宙飞船绕地球轨道作圆周运动时,飞船运动的离心力和地球对飞船的引力相等。由于这两种作用力方向相反,使飞船里的人和物体,处于失重状态。在失重的条件下,会出现一些难以想象的奇妙而有趣的现象,它对人的生活、健康有着重要的影响。

人类进入宇宙空间前,曾有人预言,失重可能破坏人体的内环境平衡,使人的生理功能发生不可恢复的变化,甚至断言,谁要是摆脱重力谁就将因发生心力衰竭而死亡。人在宇宙空间生理的实践证明,人在失重时,生理功能要发生变化,但不像有的人预言的那么严重。

失重对人的影响

失重时人体生理功能改变,主要是血液重新分布,大量血液涌向上身,骨盐代谢紊乱,骨质出现脱钙,初期出现类似地面运动病症状的航天适应综合症等。这些变化,短时间不会构成对人体健康的损害,回到地球后都可以逐渐恢复。

习惯于地球重力生活的人,一旦进入失重环境,将会感到新奇。人体的重量消失了,行动起来真正是身轻如燕、掌上可舞。在舱内可以自由地飞来飞去,也可以停留在空中。但站稳脚跟变得不那么容易,国外有些航天员穿着一种带磁性的鞋,工作地点的舱壁上包上铁皮,这样站立就很稳了。失重下的睡眠更为简便,用不着和地球上一样要设置床铺,只需一个睡袋,挂在舱壁,睡眠时人钻进去就行,站着睡、卧着睡都一样舒服。

在失重时,吃饭、喝水、穿衣等也变得不那么简单了。失重环境不分上下,装满水的杯子倒过来,杯子里的水不会倒出来,会悬浮在空中。喝水时最好把水装在带有管子的塑料袋中,喝时把管子含在口中,轻轻压迫水袋,水就流入口中。

食用的食品要有简单的包装,一切散装的易掉屑的食物,都会在舱内飘浮。黏稠状的食物可以装在类似牙膏的软管子内,块状食物如面包等,可在食品表面涂上可食用的蛋白膜,做成一口大小的小块,食用时方便也不掉屑,罐头食物也可食用。

运动中的自行车为何不倒

自行车的力

会骑自行车的人有时会有这样的疑惑:行走中的自行车为何不倒,原因在于:凡是高速转动的物体,都有一种能保持转动轴方向不变的能力,使它们不向两侧倒。陀螺能够不倒也是这个道理。我们骑车时是在前进的方向上给自行车一个力,使车轮转动起来,车轮就能保持一定的平衡状态,再利用车把调节一下平衡,自行车就可以往前走了。可是一停下来,车子就会因失去平衡倒下来。

自行车在垂直平面内合外力为零,以此为目标来寻找,便会发现意想不到的结果。自行车在垂直平面内受到重力和支持力,支持力随着车偏离垂直面的夹角的增大而减少,但是在自行车运动起来处于垂直平面内静止时,自行车垂直平面内的受力真的只有这两种吗?

当自行车竖直放在地面时,通常自行车与地面的垂线成微小的角度,使得地面对车的支持力小于重力,使车要向下运动,但由于车因运动而产生的摩擦力使自行车摔倒的痕迹成弧状。

当自行车向前运动时,产生了一个新力——摩擦力,也就是这个力的出现和车轮的弹性的共同作用下才产生了一个垂直方向上的力,弥补支持力向上,使得垂直方向上的合外力为零。

新力的产生与球类以及一些弹性物体的一个特有的现象相同,若把气球水平放在桌面上,两只手只在水平方向挤压气球,人的手会感觉到一个垂直向上的力,所有的弹性物质或多或少都有这个性质——力之间相互的传递性,自行车的车轮也不例外。

因为分子间力的相互传递可以是不同方向的,当一个分子打在两个分子之间这两个分子便向上下两方向运动。还有其它的分子之间的碰击使得力能四处传递。最终使球类物质发生形变,当有物体阻止其形变时,使球类物质获得一个与接触面垂直的力,无物质阻挡时则不会受到力。

运动产生的平衡力

自行车垂直放在水平面上,是没几个人能够让它不倒的。只有运动车才不易倒,运动过程中,摩擦力挤压车轮使车轮发生了形变,车轮的形变是四面八方的,再挤压地面,产生了一个向上的力,这个力的产生是自行车不倒的原因。

自行车不倒的原因是竖直方向上合力不为零。这里的一个难点就是支持力的变化因素。当自行车斜放时,支持力减少,原本是向下运动的,但是有摩擦力产生使得自行车最终绕接触点做圆圈运动。简单地说合力向下,自行车向下运动。

当自行车运动起来时,由于轮胎的挤压而产生的力向上,使得总体合力向上。有人说那么这个力很大吧!其实未必,因为自行车斜的角度很小时,它向下的合力是很小的,只不过越到后来角度越大合力就越大了!更现实的是我们骑车时也会把车扶正的。

挤压程度的大小是由阻力来决定的,速度越快阻力越大。合力向上,当然是向上动了,到了最上面,即车与地面垂直。所以我们一般看见的自行车都是垂直地面静静地驶向远方的。

生活中的惯性

惯性定律

什么是惯性呢?如果物体在没有外力作用的情况下,它的运动状态就不会改变,原来静止的将继续静止,原来运动的还将以原来的速度沿原来的方向继续运动下去,这个规律叫做牛顿第一定律,又称为惯性定律。

一辆公共汽车急速地行驶在公路上,突然前方出现了一个意料不到的险情,司机迅速踩住踏板猛然刹车,车虽然停下来,但是乘客却身不由己地全都向前倾倒,拥挤在一起,这是由于惯性引起的。

惯性是物体本身的固有属性,任何物体都有着保持自己原来运动状态的能力。比如放在桌上的书,没有人拿走,书总是留在原处,停在车站上的列车,没有被机车拉走,总是停在原地。这说明在没有外力作用时,静止的物体总保持静止状态。

惯性与运动

正在前进的自行车,不用脚去蹬它,它自己仍会前进,枪弹离开了枪膛,已经不受火药气体的作用,它仍然以很大的速度前进。可见运动的物体能保持自己的运动。

把一个小车放在不同光滑程度的表面上,用同样的力推它一下,表面越光滑,小车受的阻力越小,小车走得越远,小车的运动状态越接近于匀速直线运动状态。如果在绝对光滑的理想表面上,小车将做匀速直线运动。这说明在没有外力作用下,运动的物体就保持匀速直线运动状态。

惯性的例子太多了,在日常生活中,你早就和惯性见过多次面了。

惯性的应用

进行百米赛跑,当你跑到终点时,仿佛有个人还在后面推你,使你身不由己地还要往前跑一段才能停下来。在舞台上,杂技演员头顶花坛,他的身子迅速转了九十度,可是花坛并不随着转动。另一位演员站在晃板上,盘上放着四个玻璃杯,杯口架着一块光滑的薄木板,在木板上对准各个杯口的位置上放着“蛋圈”,每个“蛋圈”上放一个鸡蛋,然后用手中木棍猛打薄木板,木板飞走了,鸡蛋却准确地落进一只只玻璃杯中。

人们在实践中,经常会碰到物体的惯性现象,逐渐认识它,并把它应用在生活和生产中。古代打仗,在敌人可能经过的地方埋伏绳索,把马脚绊住,马的身子由于惯性继续前进,因此摔倒在地,骑在马背上的人也就跌了下来。

“物体惯性”与“外力作用”