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第1章 力学奥秘(1)

轮船的“刹车”

汽车、火车有“刹车”,自行车有“刹车”,连飞机也有“刹车”(滑行轮上有“刹车”,有的在尾部还能放出减速伞),唯独轮船没有听说有“刹车”。

其实轮船的“刹车”有三种,一是抛锚,当轮船靠码头或在航行途中发生紧急情况需要停止前进时,就可以通过抛锚来达到目的。二是它的主机可以开倒车,利用倒车的反向速度来抵消因惯性而保持的正向速度。三是逆水行舟,利用水流的速度抵消轮船的速度。

如果你多次乘过轮船,就会发现一个有趣的现象,每当轮船要靠岸的时候,总是设法把船头顶着流水,利用逆向水流的减速作用,慢慢地向码头斜渡,然后再平稳地靠岸。尤其是在大江大河里顺流而下的船只,当它们快要到达港口码头时,都会先绕一个大圈子,使船逆水行驶以后,才慢慢地靠岸。船靠码头时为什么要“逆水行舟”呢?从相对运动的角度来看是不难理解的。因为顺流靠岸时,船对岸的速度等于船速加水速;而逆流靠岸时,船对岸的速度等于船速减水速。显然,前者要比后者大得多。既然目的是要使船停下来,究竟是大的速度容易变零?还是小的速度容易变为零?当然是后者。

在船靠岸的实际操作中,上述三种方法往往结合在一起运用:先是“逆水行舟”,继而“倒车行驶”,最后“抛锚泊岸”。

太空饮食店

随着宇航事业的发展,在太空中开设饭店已不是遥远的事了。

不过,在太空中吃喝可不是一件简单的事。

首先,太空面包不能像地球面包那样大,然后一片一片切开来吃。因为切面包时总有面包屑,在太空失重世界里,那些面包屑在空气中四处飘浮,被人吸进气管,就会酿成大祸。因此,太空面包必须做成像糖果那么大小以便让顾客一口一只地囫囵吞“包”。

在太空当然也可以用刀叉吃牛排,不过要注意两点:牛排、蔬菜之类的食品必须事先加工好,并拌上胶汁调料,使它们能粘在刀叉和勺子上,不然,这些大块食品也很容易“满天飞”;刀叉等餐具不用时,不能随意放在桌子上,否则它们会飘浮在空中,一经碰撞,这些金属物会像子弹一样飞出去,损坏室内的仪器、仪表,所以,“太空餐桌”上都备有一些小磁铁,餐具不用时就用小磁铁把它们吸附在餐桌上。

在太空中喝酒不可能像地面上那样,把酒从酒瓶倒入酒杯,因为硬的玻璃酒瓶在太空中是倒不出酒来的,而且即使有酒从酒瓶中溢出,也成了雨滴一样的小水珠,飘向四面八方。因此,“太空酒瓶”必须是软包装的,还必须一小节一小节地彼此隔开。饮酒时剪开软管的头部,把软管放入嘴里,再用手捏住球状的盛酒器,用力挤就能让酒进入自己的嘴中。

石块投水之后

在一次科学会议上,有人向伽莫夫博士、原子弹之父奥本海默和诺贝尔奖金获得者布洛赫这三位大物理学家提出一个问题:一只装着石块的船浮在游泳池中,船上有一人将石块抛入水中,池中水面的高度将发生怎样的变化?三位大物理学家由于没有仔细考虑,结果都作出了错误的回答。

这个问题初看很简单,其实却是复杂的。石块被投入水中后,石块将侵占原来被水所占据的空间而使池中水面上升;但船却因载重减小而向上浮起,从而使池中水面下降,这里既有使水面上升的因素,又有使水面下降的因素,因此,对这个问题不作仔细的分析就不能得到正确的答案。

当石块在船上时:船、人、石受到的总浮力=船、人、石所受的重力当石块投入水中后:船、人、石受到的总浮力=船与人所受的重力+与石块同体积的水所受的重力因为石块所受的重力比同体积的水所受的重力大,所以当石块投入水中后,船、人、石受到的总浮力小于石块在船上的总浮力。

我们都知道,浸在流体中的物体受到向上的浮力,其大小等于物体所排开流体所受的重力,这就是阿基米德定律,现将它应用到我们的问题中来。总浮力较小,被排开的水的体积就较小,池中水面就较低。所以我们的结论是:船上的人把石块投入水中后,池中水面的高度将降低。

水枪与水炮

说来你也许不相信,一股细细的高压水流能射穿12毫米厚的钢板,恰似具有和炮弹一样大的威力。这是一种叫“水炮”的高压发生器射出的高压水细射流,它的直径只有15毫米,但速度高达7000米/秒!这样的高速是怎样产生的?

这种水炮采用电、液压或压缩空气作动力,先将水炮中的活塞向喷嘴的另一端移动,使气体压缩。积蓄能量,然后突然松开活塞,由于气体的膨胀,使活塞迅速冲向喷嘴,在极短的瞬间里,将封闭的水推挤出去。如果释放的时间是蓄能时间的1%,就能获得100倍的瞬时功率。用于切割时它所产生的压强高达几百兆帕。

如果只需要几十兆帕的高压水细射流,这只要用一种叫柱塞泵,的“水枪”就行了。电动机通过曲柄、连杆和十字头,使一只柱塞在泵内往复运动,挤压泵内的水,产生高压水,其原理与打气筒打气一样。如果高压水从一只直径很小的喷嘴里射出来,就成了一股高压水细射流。用这种柱塞泵能产生压强为200兆帕以下的高压。

船吸现象

1912年秋天,“奥林匹克”号正在大海上航行,在距离这艘当时世界上最大远洋轮的100米远处,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号正在向前疾驶,两艘船似乎在比赛,彼此靠得较拢,平行着驶向前方。忽然,正在疾驶中的“豪克”号好像被大船吸引似地,一点也不服从舵手的操纵,竟一头向“奥林匹克”号撞去。

最后,“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上,撞出个大洞,酿成一件重大海难事故。

我们知道,根据流体力学的伯努利原理,流体的压强与它的流速有关,流速越大,压强越小;反之亦然。用这个原理来审视这次事故,就不难找出事故的原因了。原来,当两艘船平行着向前航行时,在两艘船中间的水比外侧的水流得快,中间水对两船内侧的压强,也就比外侧对两船外侧的压强要小。于是,在外侧水的压力作用下,两船渐渐靠近,最后相撞。又由于“豪克”号较小,在同样大小压力的作用下,它向两船中间靠拢时速度要快得多,因此,造成了“豪克”号撞击“奥林匹克”号的事故。现在航海上把这种现象称为“船吸现象”。

鉴于这类海难事故不断发生,而且轮船和军舰越造越大,一旦发生撞船事故,它们的危害性也越大,因此,世界海事组织对这种情况下航海规则都作了严格的规定,它们包括两船同向行驶时,彼此必须保持多大的间隔,在通过狭窄地段时,小船与大船彼此应作怎样的规避,等等。

龙井茶叶,虎跑水盛产龙井茶的杭州,流传着这么一句话:“龙井茶叶,虎跑水。”意思是龙井茶叶最好用烧开后的虎跑泉的泉水来泡,才能喝出美味来。其中的奥妙在于,虎跑泉水中的矿物质里含有多种微量元素,对人体健康有利。其实,不仅是虎跑泉水如此,其他名泉的泉水也都有此效应。

虎跑泉水还有另一个显而易见的特点:在装满泉水的茶杯里,投进一粒小石子后,它的水面会高出茶杯口,但却不溢出来。有人说这就是虎跑泉与众不同之处。

其实,这一“特点”是众多泉水(如济南趵突泉、无锡惠山泉等)的“共同点”,它是由这些泉水中富含矿物质造成的。

纯水在一定的温度下具有一定的表面张力。例如,室温(20℃)下纯水的表面张力为7275×10-4牛/厘米,到60℃时,水的表面张力减小为6618×10-4牛/厘米,到沸点(100℃)时更减小为5855×10-4牛/厘米。当水里含有杂质时,有的杂质能使水的表面张力减小,例如肥皂或有机物;有的杂质能使水的表面张力增大,例如矿物质。一般的泉水里都富含矿物质,所以泉水的表面张力比纯水要大得多,它使得泉水表面的分子相互吸引,紧紧地挤紧在一起。这就是泉水能满过杯口而不溢出的原因。

裂缝里的学问

1954年,英国两架“彗星”号喷气客机,先后因增压舱突然破裂而在地中海上空爆炸坠毁。起先,人们认为是材料强度不够而造成断裂,于是利用高强度合金钢来制造关键零部件。但是,事与愿违,断裂破坏有增无减。此事引起工程技术界的高度重视,在深入研究中发现,原来高强度材料中也存在着一些极小的裂纹和缺陷,正是这些裂纹和缺陷的扩展,才产生了断裂破坏。在此基础上诞生了一门崭新的科学——断裂力学。

传统的材料力学认为材料是均匀的、连续的、向同性的。而断裂力学却认为任何材料都是不连续的、不均匀的、有缺陷的,因为材料中不可避免地会存在一些裂纹和缺陷。它们是那样微小,即使用高精度的无损探伤仪也难以测出来。但正是这些潜伏的缺陷和裂纹,在一定的使用条件下会造成重大的断裂事故。

造成断裂的影响因素是多方面的,主要有以下几种:(1)疲劳断裂。在交变载荷的来回作用下,加速了材料中裂纹的扩展,最终导致材料断裂。这是一种很常见的断裂现象。例如,要弄断一根铅丝,只要把它来回弯折几次,很快就会在弯折的地方断裂。这就是疲劳断裂,来回弯折的力叫“交变载荷”。(2)冷脆断裂。金属材料对温度的变化很敏感,在正常温度下的韧性材料,处于低温环境时往往会变脆,当温度下降到某个临界值时,材料的微小裂纹就会以极快的速度扩展(高达1000米/秒),最后导致材料断裂。(3)氢脆断裂。钛合金和高强度合金钢等材料在使用中往往要接触腐蚀介质,因此,在它们的表面会发生电化学反应并产生微量的氢,这些氢原子能渗透到金属结构中去;而且材料中哪里的应力最大,氢原子就往哪里跑,并聚集在那里,使该部位的应力变得更大,当聚集的氢原子达到一定数量时,在它们聚集处就会发生突然的脆性断裂。

倒立的人

世界上只有苍蝇、蚊子等昆虫可以停留在天花板上,连鸟也不能倒抓在天花板上。可是,魔术师却能借助于力学装置成为“人蝇”,倒吸在天花板上行走。

在剧场的天花板上挂着一块75米长的木板,木板朝下的一面漆着油漆并打蜡上光,目的是使表面光洁平整,让吸盘可以牢牢吸在上面。表演开始时,一位小姐坐在紧挨木板上头的秋千上,脚上穿着一双像溜冰鞋那样的高帮靴子。只见她在秋千上做一个倒立动作,用脚蹬住那块木板。然后双手放开秋千,嗨!她居然头朝下,身体挂在木板上了。一开始,她以很小的步子倒退着走,接着又往回返程,也是倒着走。几个来回一走,博得满堂喝彩。

这个魔术成功的关键在那双靴子上,原来这双靴子的鞋底里装有气动装置,每只气动装置所产生吸力足以支持两倍于表演者体重的重物。因此,当魔术师在天花板上行走时,即使只有一只脚与木板接触,它也足以把她牢牢吸在上面。当然,靴子里还有一套紧固装置,可以把表演者的双脚牢牢缚在靴子里,为了预防万一,天花板下设有一张安全网。

真假子弹

世界着名的魔术师托里尼,每次演出的压轴戏总是“退尔枪”。

由他儿子扮演瑞士民族英雄威廉·退尔的儿子,将一只苹果放在他口中,用嘴咬住。托里尼请一位观众拿起一把手枪,在众目睽睽之下将一颗子弹推上镗,随后让他对准苹果开枪。“乒”的一声,子弹在烟雾中飞出,只见小托里尼安然无恙,而子弹却留在苹果中。

人们从力学角度去思考,怎么也无法解释快速飞驰的子弹会被一只苹果挡住。其实这个魔术的窍门在子弹上。总共有3颗子弹,2颗是真的,1颗是假的。起初,观众拿的是一颗真子弹,当托里尼把它推上镗时换成了假子弹。这颗子弹看上去和真的一模一样,只是一受到压力就会粉碎。因此,一开枪它就马上散成无数细粒,像灰尘一样四处飞扬,观众看来还以为是子弹射出后的火药烟尘。

当然,苹果中的子弹是事先埋藏在里面的真子弹。它当然与托里尼向观众出示的那颗真子弹一模一样。

这个魔术的关键是制造假子弹,它既要在外形上与真子弹一模一样,又必须在枪击的压力下碎成粉末。有一位魔术师为节约成本,表演时用的子弹在“肥皂弹”的外面滚拌上石墨粉。可是,有一天晚上演出时,“肥皂弹”出了事故。它没有粉碎,结果打在表演者的脸上,使他受了重伤。原因在于那颗“肥皂弹”因放置时间较长,肥皂本身干固了,结果射出以后没有粉碎。

高高的自来水塔

扭开水龙头,自来水就哗哗地流出来了。

自来水是从哪里来的呢?你一定会想到深埋在地下的水管。但要追寻水源,那就得循着自来水管,到自来水厂里去看看。原来,那些埋在地下的水管,都是和自来水厂里一座座高高的水塔连接在一起的。

那么,这些水塔又有什么用呢?我们不妨举一个小小的例子。浇花的时候,如果你把水壶稍微侧一点,流出来的水流又细又慢;要是将水壶侧得厉害些,喷出的水流就又粗又急。这是什么原因呢?原来,水越深,压强就越大。水的深度每增加10米,压强就会增加大约1个标准大气压。让水壶侧过来,就是让水面相对于喷嘴的深度加大,水的压强也会跟着变大,水流喷出来时就又粗又急。

我们再来看看高高的水塔。如果一个水塔的高度为10米,另一个水塔的高度只有5米,那么高10米的那个水塔塔底的水流压强,比高5米的那个水塔塔底的水流压强大40千帕左右。倘若两个塔底的出水口大小一样,它们同时开放,压强大的自然比压强小的出水急。因为自来水要供应地势高低不等的各处用户,如果没有足够的压强,地势高处的用户就会得不到水,所以水塔一般都造得很高。

在现代化的大、中城市,由于水网范围宽,管路阻力大,光靠水塔来产生压强是不够的,还得借助于很多加压水泵。

头顶飞坛

大家都知道,一块小石头从高处落下,就可能打破头。

那么一个杂技演员,为什么能用头顶住从高处落下的坛子,而不会受到伤害呢?

原来,当我们要接住一个从上面落下来的物体时,不但要受到物体本身的重力作用,还要承受一个缓冲力的作用。

这个冲力的大小不是固定不变的,它跟物体的轻重和冲过来的速度有关,还与我们使它停止的快慢有关。物体重、速度大和停得快,都会使冲力加大。如果我们有办法使它慢慢地停下来,就能减小这种冲力。

你可以试一下。把一串钥匙向上抛到3~5米,等它落下来时,把手心摊平不动,任凭钥匙掉在手上,手心会感到很痛。如果我们密切注视着下落的钥匙,当钥匙快掉到手上时,手也顺势向下移动一小段距离,使钥匙慢慢地停在手中,手心就不感到怎么痛了。可见,用后一种办法去接钥匙,钥匙对手心的冲力小。我们称这种作用为缓冲作用。

现在再来看一看杂技演员是怎样表演顶坛的。

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