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第8章 生活中的物理现象(3)

这个设想是无法实现的,为什么呢?让我们做一个小实验:在冰面上轻轻推动杯子,杯子可以迅速地在冰面上滑行。在玻璃上推动杯子,杯子滑行不多远就会停下来。这说明玻璃上的摩擦力要远远大于冰面上的摩擦力,这是为什么呢?

原来,在冰面上滑行时,滑冰者的冰刀对冰面产生压力,使冰的熔点下降,另外,冰刀与冰面剧烈地摩擦产生热量,也会使冰融化,这样,在冰刀与冰面的接触面间就有了水。

固体与流体间的摩擦称做湿摩擦,固体与固体间的摩擦称做干摩擦。物理学的研究表明湿摩擦阻力要比干摩擦阻力小得多。冰面上的水使冰刀与冰面间产生湿摩擦,而在没有水的玻璃面上会产生干摩擦,自然无法在玻璃上滑冰了。

没有摩擦力,世界会怎样

日常生活中常见的摩擦力

两个相互接触的物体,当它们做相对运动或具有相对运动的趋势时,在接触面上会产生一种阻碍相对运动或相对运动的趋势的力,这种力叫做摩擦力。影响滑动摩擦力大小的因素:压力的大小和接触面的粗糙程度。在接触面的粗糙程度相同时,压力越大,滑动摩擦力越大;在压力大小相同时,接触面越粗糙,滑动摩擦力越大。

在日常生活中我们常常会感受到摩擦力给我们带来了许多不便和烦恼。一双新鞋或一件新衣穿一段时间,花纹被磨平了,衣服就被磨出了洞。如果自行车轮轴上长时间不加润滑油,骑起来就十分费力。我们的家电、工厂的机器设备由于磨损都要定期检修更换……所有这一切都是由于摩擦力在作怪,这时我们会想,如果世界上没有摩擦力,该有多么好啊!

然而,世界上的任何事物都会有两面性,摩擦力也不例外。它有对人不利的一面,但更多的却表现为摩擦力是人类的朋友。可以毫不夸张地说,人们的衣、食、住、行、用一刻也离不开摩擦力。设想有一天摩擦力突然消失了,世界将是一个什么样子呢?

如果没有摩擦力会怎样

我们吃食物,无论用手拿或用筷子夹都是靠手、筷子和食物间的摩擦力才能把它送入口中。如果没有摩擦力,我们将不能摄取任何食物。同样的道理,如果没有摩擦力,我们手中将不能使用任何工具,因为我们手握工具,全靠手和工具间的摩擦力。况且许多工具也不可能存在,如没有摩擦力锤头也不可能固定在木柄上。

如果没有摩擦力,我们将没有任何衣服、鞋袜可穿。因为布是靠棉纱的经线和纬线间的摩擦力而交织在一起的;即使有了布也做不成衣服,因为衣服的一块块布料是靠布和线间的摩擦力而连在一起的。

没有摩擦力,我们将无法睡在床上(假设有床存在),因为床不可能绝对水平,你一定会滑到地下,地也不可能绝对水平,所以你只能和家具一起挤在房间地面最低的墙角处。更何况在这种情况下也不可能有房间存在。

如果没有摩擦力你将寸步难行。因为人类能在地面上行走就是靠鞋底和地面间的向前的摩擦力使我们前进。下雪天汽车在路面上空转打滑,人常常被摔的鼻青脸肿,正是由于摩擦力减小的原因。冬天高寒地区的汽车的轮子上部都要绕上防滑铁链以增加摩擦力,保证安全行驶。没有了摩擦力也就没有了电视、计算机、房屋、家具,因为这些电器和设备的组件固定在一起要靠螺栓,而螺栓的连接全靠摩擦力。甚至你连眼镜也戴不了,因为它是靠镜腿和耳朵、鼻托和鼻子间的摩擦力支撑着的。

摩擦力尽管对人类有不利的一面,但是我们可以利用科学技术尽量减少它的危害。的的确确我们这个世界一刻也不能离开摩擦力,可以毫不夸张地说,如果没有了摩擦力也就没有了世界,没有了生命!

应该向哪个方向跳

惯性定律的问题

从开动着的车子里下来,要向前跳吗?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。

向前跳还是向后跳

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。

不能向后跳的道理

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,问题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: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,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。

最好面向前向后跳

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,然后自己面向前向后跳下。但最好自然是不要在半路上跳车。

轮船为什么能浮在水上

浮力的大小

一块大木头能浮在水面上,而一块小铁块在水里会下沉,轮船却能浮在水面,这是为什么呢?浸在液体里的物体,除了受到竖直向上的浮力,还受到竖直向下的重力,物体的沉浮全在于这两个力的合成。

如果浮力大于重力,物体就上浮,一部分浸入液体中,一部分露出液体外;如果浮力小于重力,物体就下沉;如果浮力等于它的重力,物体就可以停留在液体的任何深度的地方。

如果把木头压进水底,放手以后,由于浮力大于重力,木头就上浮。露出水面以后,木块排开的水逐渐减少,浮力也随之减小。等到浮力减小到跟木块的重量相等时,木块则处于平衡状态。所以浮在液面上的物体受到的浮力等于物体的重量。

浮力原理的发现

公元前245年,国王命令阿基米得鉴定一个皇冠。赫农王给金匠一块金子让他做一顶纯金的皇冠。做好的皇冠尽管与先前的金子一样重,但国王还是怀疑金匠掺假了。他命令阿基米得鉴定皇冠是不是纯金的,但是不允许破坏皇冠。

阿基米得躺在浴盆中,水位则变得更高了,而他也感觉到自己变轻了。他站起来后,水位下降,他则感觉到自己重了。一定是水对身体产生向上的浮力才使得他感到自己轻了。他把差不多一样大的石块和木块同时放入浴盆,浸入水中。石块下沉到水里,但是他能感觉到石块变轻了。而且,他必须要向下按着木块才能把它完全浸到水中。这表明浮力与物体的排水量(物体体积)有关,而不与物体重量有关。物体在水中感觉有多重一定与它的密度(物体单位体积的质量)有关。

阿基米得因此找到了解决国王问题的方法,问题关键在于密度。如果皇冠里面含有其它金属,它的密度会不相同,在重量相等的情况下,这个皇冠的体积是不同的。把皇冠和等重的金子放进水里,结果发现皇冠排出的水量比金子的大,这表明皇冠是掺假的。最重要的是,阿基米得发现了浮力原理,即水对物体的浮力等于物体所排出水的重量。

轮船漂浮的原理

钢板在水里会下沉,为什么用钢板制成的轮船和舰艇却能在水面上浮起来呢?要使比重比水大的金属浮在水面上,只要把它做成空心的就行了。因为它浸在水里时,占的面积要大得多,它能够排开更多的水,得到等于或大于它本身重量的浮力。就是这个道理才使轮船能浮在水面上。

每一条轮船的船舷上都有一条醒目的吃水线,用来表示装满货物以后水面到达的位置。轮船的排水量,是指水面到达吃水线位置,也就是说轮船满载时所排开水的重量。轮船装的货物越多,船身越下沉,当水面与“吃水线”重合的时候,就不应该再继续往船上装货了。否则,遇到风暴轮船会有灭顶之灾。

不过,海水因为含有百分之三左右的盐分,比重比淡水大,轮船从内河驶向大海,虽然船所受的重力和浮力都没有变化,但因为海水比重大,所以排水的体积减小,因此“吃水线”将露出水面。反过来在海港上往船上装货,装到“吃水线”,从海里开到江河时,船身会下沉过“吃水线”,一遇风浪就会发生危险。

同样,在海里学仰泳比在江河里容易。因为每排开一立方厘米的海水,所受的浮力就比一克重还要大些。所以在海里学仰泳,可以把鼻子、嘴、眼都露出水面也不会沉下去。

水流产生的力

“春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横。”这是一幅美丽画卷。

您是否想到诗句中凝聚着诗人对力学现象的洞察力。为什么小船总是横在河里呢?这是一个流体力学问题,直立在桌子上的细杆,是一个不稳定的平衡位置,而悬挂的直杆平衡是稳定的;前者,受一扰动后,重力形成的力矩将使细杆远离平衡位置,后者力矩倾向于恢复平衡位置。

由于流体运动时对物体产生合力和合力矩是比较复杂的,要想得到运动流体中物体平衡稳定的精确计算,必须经过许多力学家的努力。所以唐代诗人对船体稳定性能问题的观察,比起西方精确描述的出现要早1000多年。

为何人躺在硬板上会不舒服

硬板的接触面小

你坐在表面粗糙的板凳上,会觉得坚硬不舒适,但是,如果坐在同样是木质的表面光滑的椅子上,却觉得很舒适,这是什么缘故呢?还有,为什么睡在由相当硬的棕索编成的吊床上会觉得柔软舒适?为什么睡在钢丝床上不会觉得坚硬难受?

这道理是不难明白的。粗板凳的凳面是平的,我们的身体只有很小一部分面积能够跟它接触,我们的体重只好集中在这比较小的面积上。光滑的椅子的椅面却是凹入的,能够跟人体上比较大的面积相接触,人的体重就分配在比较大的面积上,因此,单位面积上所受到的压力也就比较小。

所以,这儿的全部问题只在于压力的分配更均匀。如果我们躺在柔软的床褥上,褥子就变成跟你身体的凹凸轮廓相适应的形状。压力在你身体的底面上分布得相当均匀,因此身体上的每一平方厘米面积上,只需分配到几克的压力。在这种条件下,你当然就能够躺得非常舒适了。

这个差别,也不难用数字表示出来。一个成年人身体的表面积大约是2平方米或2万平方厘米。假定我们躺在床上的时候,靠在床上的面积大约有身体表面积的1/4,就是0.5平方米或5000平方厘米。又假定你的体重大约是60千克。那么,每1平方厘米的支持面积上,只要承受12克的压力。

但是,如果你是躺在硬板上,那么你的身体只有很少几点跟板相接触,而这几个接触点的总面积一共也不过100平方厘米左右,因此每个平方厘米所承受的就要是五六百克,而不是仅仅十几克了。这差别是很大的,因此,我们的身体立刻就会有“太硬”的感觉。

增大接触面

但是,即使在最硬的地方,我们也可以睡得非常舒适,只要把我们的体重均匀分配在很大的面积上就行。比方说你先睡到一片软泥上,把你身体的形状印在这泥上,然后起来让这片泥土干燥(在干燥以后,泥土会收缩5~10%,但我们假定这个情形不发生)。

当这片泥土变成和石块一样坚硬的时候,你试着再躺到上面去,使你的姿势和泥上留下的形状相吻合,那么你就会感到跟睡在柔软的鸭绒垫上一样舒适,一点也不觉得硬,虽然实际上你是睡在石头上。

现在的这种情形,恰好跟罗蒙诺索夫在一首诗里所写的传说里的巨鲸相仿:

横卧在尖锐的石块上,这些石块的坚硬它可毫不在乎,对于这伟大力量的堡垒,这些只是柔软的泥土。

而你之所以不觉得这石头的坚硬,原因却不在于“伟大力量的堡垒”,而只是由于你的体重分配到极大的支持面积上的缘故。

奇妙的磁悬浮列车

国际上的磁悬浮技术

磁悬浮是利用“同性相斥,异性相吸”的原理,让磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道约1厘米处,腾空行驶,创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。

磁悬浮技术是起源于德国,早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理,并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。

1970年代以后,随着世界工业化国家经济实力的不断加强,为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要,德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

因为磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的高新技术。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展,磁悬浮技术得到了长足的发展。

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