物理教師的好幫手《物理故事三百篇》

1、1 曹紹夔為和尚除怪唐朝開元年間，洛陽有一座寺院出了一件怪事：寺里有一個(gè)磬，沒有人敲打它常常自己“嗡嗡嗡”地響起來，把寺院里的和尚都嚇壞了。那個(gè)磬樣子像個(gè)瓦缽，放在老和尚房里。老和尚每天早晚燒香念經(jīng)，都要用椿錘敲磬。磬就發(fā)出“當(dāng)！當(dāng)”的清脆的響聲?？墒遣恢趺锤愕模袝r(shí)候，老和尚并沒有敲它，它無緣無故自己響起來了。寺里的和尚以為出了什么妖魔，請(qǐng)了許多會(huì)法術(shù)的人來降妖伏魔，都沒有結(jié)果。那個(gè)老和尚疑神疑鬼，嚇得生了病。老和尚有個(gè)朋友叫曹紹夔。他聽說老和尚病得很厲害，就到寺院里去探望他，問他得病的原因。老和尚就把磬自己發(fā)出響聲的怪事一五一十地告訴了他。曹紹夔很懂音樂，會(huì)修理各種樂器。他一面聽，一面心

2、里捉摸。他想：這個(gè)磬自己發(fā)出響聲，決不是什么妖魔作怪，總會(huì)有什么原因。正巧吃飯的時(shí)候到了，小和尚到鐘樓里撞起大鐘，老和尚房里的磬又響起來了。曹紹夔心里完全明白了，他笑著對(duì)老和尚說：“你明天好好請(qǐng)我吃一頓飯，我來給你除怪?！崩虾蜕胁幌嘈挪芙B夔真能除怪，但是看他說得那么肯定，也許有一線希望，就真的辦了一桌很豐盛的飯萊，把曹紹夔請(qǐng)了來。曹紹夔吃過飯，從懷里取出一把銼，在磬上這兒銼幾下，那兒銼幾下，銼了幾處，他對(duì)老和尚說：“你放心吧，磬再也不會(huì)自己響了?！贝蜻@以后，磬真就不再自己響了。老和尚問曹紹夔：“為什么那個(gè)磬被你銼了幾下，以后就不再自己響了呢？”曹紹夔回答說：“這個(gè)磬的律跟你們鐘樓里那口大鐘的律

3、正好相同。因此只要飯?zhí)美锏拇箸娨豁?，這個(gè)磬就跟著響起來。我用銼把磬銼了幾下，它們的律就不相同了。所以撞那口大鐘的時(shí)候，這個(gè)磬就不再跟著響了?！崩虾蜕新犃诉@番話，消除了心中的疑惑，病也就好了。曹紹夔所說的“律”，是現(xiàn)在我們所說的樂器的“頻率”。什么是“頻率”呢？就是樂器在發(fā)聲的時(shí)候，每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)。老和尚房里的磬和飯?zhí)美锏拇箸?，頻率恰巧相同。小和尚一敲大鐘，大鐘振動(dòng)起來，發(fā)出一定頻率的聲波。聲波通過空氣，傳到老和尚房里的磬上，磬的頻率因?yàn)楹吐暡ǖ念l率相同，就跟著振動(dòng)起來，發(fā)出了響聲。這種現(xiàn)象，在物理學(xué)上叫做“共振”，或叫做“共鳴”。曹紹夔把磬銼了幾下，就改變了磬的頻率。磬的頻率和大鐘不相同了，

4、就不會(huì)再跟大鐘發(fā)生共鳴了。2 從昂熱橋慘案說起18世紀(jì)中葉，法國昂熱市附近有一座102米長(zhǎng)的橋梁，一隊(duì)士兵正步通過這座橋時(shí)突然發(fā)生橋梁斷裂，226人掉入河中殞命。1906年的一天，俄國彼得堡封塔克河的一座橋上，一隊(duì)騎兵以整齊的步伐到達(dá)橋心時(shí)，橋突然裂成數(shù)段墜入河中。這樣的故事，別的地方也發(fā)生過。當(dāng)時(shí)人們進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)橋所受的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有超過許可的范圍，坍毀前也沒有任何損壞的地方，這在當(dāng)時(shí)是個(gè)不解之謎。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們才弄清：這種破壞事故是“共振”造成的。如果用鉗子夾住鋼鋸條的一端，另一端用手彈一下，它就要來回振動(dòng)。盡管振動(dòng)幅度越來越小，但每秒鐘振動(dòng)次數(shù)總是不變的。這個(gè)振動(dòng)次數(shù)叫物體的固有

5、頻率。任何物體都有自己的固有頻率。譬如近處有一個(gè)振源，它的頻率接近于這個(gè)物體的固有頻率，該物體在外界振源影響下會(huì)振動(dòng)得越來越激烈，這種現(xiàn)象就叫做共振。大隊(duì)人馬邁著整齊的步伐過橋，如果步伐正好與橋的固有頻率一致，橋的振動(dòng)就會(huì)加劇，振幅也逐漸加大，直到超過了橋的抵抗力時(shí)，就產(chǎn)生斷裂?，F(xiàn)在，世界各國都有一條不成文的規(guī)定：大隊(duì)人馬必須便步過橋。在現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸中也要考慮共振的影響。因?yàn)榛疖囓囕喿矒糗壍酪l(fā)生有節(jié)奏的強(qiáng)烈振動(dòng)，如果這個(gè)振動(dòng)頻率與車輪彈簧的固有頻率相接近時(shí)，乘客就要大受“顛簸之苦”了；如果這個(gè)頻率和所經(jīng)過的橋梁固有頻率相接近，同樣會(huì)造成橋斷車覆的后果。1890年，一艘外國遠(yuǎn)洋巨輪，在大海中攔

6、腰折斷而慘遭覆滅。經(jīng)分析，船的發(fā)動(dòng)機(jī)和主軸中心沒有對(duì)準(zhǔn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生了周期性的慣性離心力，它的周期性與船體的固有頻率相接近，產(chǎn)生了強(qiáng)烈振動(dòng)以致使船體破壞。在現(xiàn)代航天、航空、航海和機(jī)器制造中，都必需考慮到共振的破壞作用。共振在工程上有破壞作用，但只要掌握了它的規(guī)律也能讓它為人們服務(wù)。在建筑工地上，人們常能見到振動(dòng)搗固機(jī)，有了它，混凝土制件就更結(jié)實(shí)。振動(dòng)式壓路機(jī)能迅速地把路面壓平。在礦山里，利用快速振動(dòng)的風(fēng)鎬開鑿巖石、挖煤炭，其他如振動(dòng)式粉碎機(jī)、振動(dòng)炭沙機(jī)等無不是利用共振現(xiàn)象來制造的。3 塔科馬狹橋的倒塌從前在美國塔科馬有一座著名的狹橋。這座橋在施工時(shí)發(fā)生過擺動(dòng)。不時(shí)的振動(dòng)使修橋工人感到暈眩。橋竣

7、工通車后，搖擺得更加厲害。它吸引了不少遠(yuǎn)方的客人駕車到此一游，為的是尋求刺激，嘗嘗汽車駛過搖搖晃晃的狹橋時(shí)的滋味。在某些日子里，橋身上下振動(dòng)的幅度竟達(dá)1.5米，使得駕駛員看不見在它前面行駛的汽車。這座橋的倒塌非常突然。有一天早上，橋突然停止振動(dòng)，不一會(huì)它瘋狂地扭轉(zhuǎn)振動(dòng)起來。30分鐘后第一塊路面開始?jí)嬋胨?，接著?00米長(zhǎng)的路面斷開，然后振動(dòng)停止了幾分鐘，最后又發(fā)生新的振動(dòng)，將殘留的橋面全部掀到水里。事后，人們對(duì)狹橋的設(shè)計(jì)老是找不出可以指責(zé)的地方，因?yàn)槟菚r(shí)人們對(duì)于吊橋的空氣動(dòng)力學(xué)特性知道得很少。這場(chǎng)災(zāi)難在當(dāng)時(shí)說來是屬于不可預(yù)測(cè)的（或稱不可抗拒的），但它對(duì)以后的大橋設(shè)計(jì)影響頗大。出事那天的風(fēng)并不

8、特別大，但因?yàn)闃蛟陲L(fēng)的作用下產(chǎn)生了共振，振幅不斷增大，直至使狹橋破壞。風(fēng)是怎樣作用在橋上的呢？為什么相當(dāng)均勻的風(fēng)，會(huì)使橋產(chǎn)生脈沖式的振動(dòng)，然后變?yōu)榕まD(zhuǎn)振動(dòng)呢？研究的結(jié)果表明，是橋上豎直方向的結(jié)構(gòu)板引起了橋的振動(dòng)。它對(duì)風(fēng)的阻力很大，風(fēng)被擋之后，大量的氣流便從結(jié)構(gòu)板的上方經(jīng)過然后壓向橋面。由于吹過的氣流因不斷地被屈折而使速度增加，所以在豎直結(jié)構(gòu)板的上方和下方壓力降低（伯努利定律）。如果風(fēng)總是從板的正前方吹來，那倒不要緊，因?yàn)樯舷路降膲毫档蜁?huì)互相抵消。但是，如果風(fēng)的方向不停地變換的話，壓力就會(huì)不斷地變化。這一壓力差作用在整個(gè)橋面上，并因擋風(fēng)的豎直結(jié)構(gòu)板后所產(chǎn)生的渦流而得到加強(qiáng)，結(jié)果橋就開始振動(dòng)。與

9、這類似的情況是 線在壓力差和渦流的作用下會(huì)產(chǎn)生嘯聲。4 金屬疲勞鑄成的悲劇1979年5月25日，一架滿載乘客的美國航空公司DG10型三引擎巨型噴氣客機(jī)，從芝加哥起飛不久，就失去了左邊一具引擎，隨即著火燃燒，然后爆炸墜地。機(jī)上273名乘客和機(jī)組人員無一幸免。這是世界航空史上最悲慘的事件之一。事后，有關(guān)當(dāng)局對(duì)這架失事飛機(jī)的殘骸進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，這架飛機(jī)上連接一具引擎與機(jī)翼的螺栓因金屬疲勞折斷，從而導(dǎo)致引擎燃燒爆炸。人累了會(huì)疲勞，難道金屬也會(huì)疲勞嗎？稍微留點(diǎn)心的話，我們就會(huì)注意到：用雙手將一根細(xì)鐵絲拉斷，這是很費(fèi)力的，然而，若用雙手將細(xì)鐵絲來回反復(fù)彎折，那么很快就會(huì)將鐵絲折斷。這說明，像鋼鐵這類的金屬

10、在反復(fù)交變的外力作用下，它的強(qiáng)度要比在不變的外力作用下小得多。人們把這種現(xiàn)象叫做金屬材料的“疲勞”。金屬材料為什么會(huì)疲勞呢？當(dāng)金屬材料所受的外力超過一定的限度時(shí)，在材料的內(nèi)部存在缺陷或者是相互間作用最強(qiáng)的地方，會(huì)出現(xiàn)極微細(xì)的肉眼看不見的裂紋。如果材料所受的外力不是變的，這些微細(xì)裂紋不會(huì)擴(kuò)展，材料也就不會(huì)損壞。但若材料所受的是方向或大小不斷重復(fù)變化的外力，這時(shí)候這些微細(xì)裂紋的邊緣，就會(huì)時(shí)而脹開，時(shí)而相壓，或者彼此研磨，使得裂紋逐漸擴(kuò)大和發(fā)展。當(dāng)裂紋發(fā)展到一定的程度，材料被削弱到不再能承擔(dān)外力時(shí)，材料就會(huì)像雪崩似地毀于一旦。由于金屬材料的疲勞一般難以發(fā)現(xiàn)，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大戰(zhàn)期

11、間，美國的5000艘貨船共發(fā)生1000多次破壞事故，有238艘完全報(bào)廢，其中大部分要?dú)w咎于金屬的疲勞。那么，有沒有辦法克服金屬的疲勞，讓它延年益壽呢？有：盡量減少零件上的薄弱環(huán)節(jié)，比方說，開孔、挖槽、切口等，因?yàn)槠诹鸭y常常發(fā)生在這些地方；提高零件表面的光潔度，保護(hù)表面不受生銹腐蝕之害，加工粗糙所產(chǎn)生的刻劃痕以及材料銹腐之處，都是容易產(chǎn)生微細(xì)裂紋的；對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，比如，輾壓零件的表面，使材料表面強(qiáng)化，從而不易產(chǎn)生微細(xì)裂紋。5 少了19噸魚從前，有這樣一件事：一個(gè)商人向荷蘭漁民購入5000噸青魚，裝在船上，從荷蘭一個(gè)城市運(yùn)到靠近赤道的非洲城市馬加的沙港去。到了那里，一過秤，發(fā)現(xiàn)青魚少了

12、將近19噸。奇怪！到哪里去了呢？被盜是不可能的，因?yàn)檩喆赝静]有靠過岸。當(dāng)時(shí)大家都無法揭開這一秘密。有一次，蘇聯(lián)的一位運(yùn)動(dòng)員，也碰到一件怪事。這位運(yùn)動(dòng)員在他出生的城市，擲鐵餅經(jīng)常能擲到50米遠(yuǎn)，可是在列寧格勒的全蘇運(yùn)動(dòng)會(huì)上，他無論怎么努力，也擲不到那么遠(yuǎn)，總要相差89厘米。這又是怎么回事兒？我們知道，物體的重量是由地球?qū)λ奈Χa(chǎn)生的，同時(shí)，地球?qū)σ粋€(gè)物體的吸引力，是跟這個(gè)物體離開地心的遠(yuǎn)近而變化的。假如，我們把1公斤的一塊鐵，放到離地面6400公里高空，就是說，把這塊鐵舉到地面離地心兩倍的距離（地球的平均半徑不到6400公里），那么這塊鐵所受到的地心引力就會(huì)減少四分之三，它的重量只有0

13、.25公斤了。物體重量的變化情況還多呢。在高山上要比平地上輕一些，在赤道上要比南極輕些，在水里要比在陸地上輕得多，如果飛到地球引力達(dá)不到的高空里去，那就根本沒有重量了。前邊說的青魚和鐵餅的故事，都是地球引力跟人開的玩笑。由于地球是稍帶橢圓的，它的南北兩極的半徑要比赤道的半徑小22公里，半徑越小，吸引力越大，半徑越大，吸引力越小。因此，在荷蘭的5000噸青魚，運(yùn)到靠近赤道時(shí)，就剩下4981噸了。與此相反，列寧格勒比較靠近北極，因此地球引力就大了一些，也可以說鐵餅重了一些，而使運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)受到了影響。6 響沙唐代李華在吊古戰(zhàn)場(chǎng)文中曾經(jīng)描繪過內(nèi)蒙大沙漠和戈壁大沙漠一帶的古戰(zhàn)場(chǎng)是荒無人煙、陰森恐怖的。

14、常常能夠聽到鬼哭聲，“往往鬼哭，天陰則聞。”沙漠里真的有鬼哭聲嗎？當(dāng)然沒有，那不是鬼哭，是沙丘的響聲。原來，有一種能夠發(fā)出響聲的沙丘，叫做響沙丘。在我國內(nèi)蒙伊克昭盟達(dá)旗境內(nèi)、寧夏中衛(wèi)附近、新疆塔克拉瑪干沙漠中，都有這種響沙丘。這種響沙丘，在寂靜無人時(shí)，會(huì)發(fā)出吱吱響聲。當(dāng)有人從響沙丘上滑行下來時(shí)，就會(huì)發(fā)出一片“隆隆”的響聲，與汽車和飛機(jī)的馬達(dá)聲相仿。當(dāng)你用兩手把沙子使勁一捧，就會(huì)聽到“哇哇哇”青蛙般的叫聲。如果很多人同時(shí)踏進(jìn)沙丘，或者陰天疾風(fēng)驟起，它就會(huì)發(fā)出更為嚇人的巨響。其聲響之大，嘈雜之甚，宛如鬼哭狼嚎。響沙丘，在國外已經(jīng)知道的不下90處，它們主要分布在美洲各國。沙漠中的沙響是最常見的，其次

15、是海濱和湖濱的沙丘的沙，河沙會(huì)響的就極少了。有人把沙響比作“歌唱”。聽到過的人都覺得，沙子的“歌唱”可以同笛聲、琴聲、大提琴聲、遠(yuǎn)處的雷聲、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的嘈雜聲、哨聲相比較；聲音是多種多樣的，但是它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是沙漠中的沙子“唱”的音調(diào)比較低，而海濱的沙子“唱”的音調(diào)比較高。沙子為什么會(huì)“唱歌”呢？這是因?yàn)樯城鹬杏幸徊糠质⑸?，風(fēng)吹沙丘移動(dòng)時(shí)，石英沙相互摩擦，就產(chǎn)生了靜電，發(fā)出吱吱的放電聲。風(fēng)越大，摩擦越厲害，產(chǎn)生的靜電就越大，從而發(fā)出的放電聲也就越大。雖然石英沙產(chǎn)生的靜電電量是很小的，可是它的電壓卻很大。因此，當(dāng)它一旦同外界的金屬相接觸，就會(huì)發(fā)出吱吱的音響和熠熠的放電火花。人們?nèi)艚佑|這種

16、沙子，就會(huì)產(chǎn)生麻木的感覺。7 農(nóng)奴阿爾塔摩諾夫的發(fā)明世界上第一輛自行車是1800年俄國烏拉爾的一個(gè)農(nóng)奴阿爾塔摩諾夫發(fā)明的。它的樣子同現(xiàn)在的自行車大不相同，前輪很大，后輪很小，兩個(gè)腳蹬子直接裝在前輪的軸上。這個(gè)“怪物”轟動(dòng)了沙皇和大臣們，沙皇問：“它只有兩個(gè)輪子，為什么不倒呢？”當(dāng)時(shí)很少有人能說出道理來。實(shí)際上，這是一個(gè)重心問題。每個(gè)物體都要受地心引力的作用，都有一個(gè)垂直向下的重力，也就是平時(shí)說的重量。這個(gè)重力可以認(rèn)為是集中在物體的某一點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)就是物體的重心。物體的重心同物體的穩(wěn)定程度大有關(guān)系。不倒翁上輕下重，重心位置比較低，從重心垂直向下的重力作用線，總是落在它與地面的接觸范圍之內(nèi)。所以不

17、管怎么推它，它都不會(huì)倒，只搖晃幾下。陀螺剛好相反，它與地面相接觸的范圍幾乎只是一個(gè)點(diǎn)，從重心垂直向下的重力作用線很難正好落在這個(gè)點(diǎn)上。所以陀螺不旋轉(zhuǎn)，很難叫它站住不倒。人要站穩(wěn)也是一樣，他的重力作用線必須落在兩腳踩地的范圍之內(nèi)。人前蹌的時(shí)候，重心向前傾，兩腿必須緊緊跟上，不然便會(huì)摔倒。騎自行車的時(shí)候，人和自行車成為一個(gè)整體，有一個(gè)共同的重心，要想不倒，也必須符合上述的要求。可是自行車的兩個(gè)輪子與地面的接觸范圍幾乎都是一個(gè)點(diǎn)，人與自行車共同重心垂直向下的重力作用線必須落在這兩點(diǎn)連成的直線上，才能維持不倒。這是很不容易做到的。好在自行車的前叉向前延伸，轉(zhuǎn)動(dòng)又靈活，稍微一轉(zhuǎn)動(dòng)便能矯正重心的位置。如果

18、重心偏向右側(cè)，即將摔倒，只要將車把稍稍往左一轉(zhuǎn)，車輪與地面的接觸線馬上向左偏過來，重力作用線便會(huì)落在接觸線的左側(cè)，再將車把向右偏一點(diǎn)兒，就能保持車子平穩(wěn)了。你看過“定車倒立”的雜技嗎？演員是把前輪稍稍偏向一邊，與車身構(gòu)成一個(gè)角度，然后一手握住車把，一手握住大梁或座墊把身子倒立起來。因?yàn)橹挥羞@樣，才能使接觸線在一個(gè)三角區(qū)的范圍內(nèi)，并且隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使重力作用線正好落在接觸線上。技藝高超的演員如果不懂得物理學(xué)，是很難獲得觀眾鼓掌叫好的。你騎自行車可能有這樣的經(jīng)驗(yàn)，車后帶的東西越重騎起來越困難。為什么呢？道理很簡(jiǎn)單，這時(shí)候車輪與地面的接觸線隨著車把左右擺動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)三角區(qū)，而人、車和東西作為一個(gè)整體

19、，三者的共同重心落在三角區(qū)后部頂端，要隨時(shí)調(diào)整就不大容易，走起來就不那么穩(wěn)當(dāng)了。當(dāng)自行車拐彎或跑圓圈的時(shí)候，情況復(fù)雜一些。這時(shí)候，人和車的共同重心偏向圓心的方向，但是掌握了重力、離心力和地面反作用力之間的相互關(guān)系，仍然可以使車平衡。8 在自由墜落中超音速的人1960年8月16日，一只巨大的氣球從美國新墨西哥州的白沙空軍基地冉冉升起。氣球下吊著一個(gè)大小僅一米見方的敞開式吊艙，里面只乘一人。在一個(gè)半小時(shí)內(nèi)，這只氣球從地面暑熱逼人的沙漠夏季，逐漸進(jìn)入周圍氣溫僅有零下56攝氏度的同溫層寒冷世界。在31540米高度上，氣球上的這位飛行員，打開高度及胸的吊艙側(cè)門，環(huán)顧一眼四周寂靜的天宇，便一頭向腳下茫茫的

20、云海栽了下去。他并不打開救生傘，而是任憑身體像一塊墜石下落，下墜速度越來越快，在稀薄的大氣層上竟然超過了音速。強(qiáng)大的迎面氣流和急速的下降速度，使他受到一種強(qiáng)力的壓迫。盡管身穿適于高空飛行的密閉式耐壓服，攜帶氧氣設(shè)備，他在27002100米的下墜途中，還是感到呼吸艱難。不過，隨著高度下降，大氣密度逐漸增加，他所受到的空氣阻力也不斷增大，使得下降速度慢了下來。在1500米的高度，他的墜落速度已經(jīng)從每小時(shí)1000公里的超音速，減到每小時(shí)400公里。他離開氣球自由下墜了4分37秒，高度下降了25815米。在離地面5400多米的高空，他的救生傘自動(dòng)打開了，又經(jīng)過大約3分半鐘，在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)安全著陸。他的

21、右臂受了輕傷，因?yàn)樵诩彼俚膲嬄溥^程中手套破裂了。這位跳傘者名叫約瑟夫基廷格爾，是30歲剛出頭的年輕上尉試飛員。這次跳傘，創(chuàng)造了三項(xiàng)世界紀(jì)錄：敞開式吊艙載人氣球上升的最大高度；距離最長(zhǎng)的自由墜落；距離最長(zhǎng)的開傘下降。另外，他也是世界上第一位在自由墜落中達(dá)到超音速的人。由于這項(xiàng)成就，他獲得了由美國總統(tǒng)艾森豪威爾頒發(fā)的國際航空獎(jiǎng)杯。冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)行跳傘，并不單純出于愛好。原來在50年代中期，超音速軍用飛機(jī)的飛行高度，已向離地2000030000米的同溫層高度發(fā)展。但是在這樣大的高度上，如果飛機(jī)出現(xiàn)問題，飛行員是否能安全跳傘？在高空低溫，低氣壓的環(huán)境里急速下墜，有沒有生命危險(xiǎn)？為飛行研制的高空服裝和救

22、生跳傘裝備，性能是否可靠？這些問題都迫切需要有人敢于沖擊前人從未達(dá)到過的領(lǐng)域。在上述那次創(chuàng)紀(jì)錄跳傘之前，這位年輕的試飛員已經(jīng)從23000米的高度作過兩次同溫層跳傘，第一次由于引導(dǎo)傘的繩子繞住脖子差點(diǎn)送了命。其他國家也進(jìn)行過類似的試驗(yàn)。蘇聯(lián)跳傘員多爾戈夫和安德列也夫，于 1962年 11月 1日乘“伏爾加”號(hào)同溫層氣球上升到離地25000米的高度，并從那里跳傘下降。5060年代所進(jìn)行的一系列同溫層載人氣球跳傘試驗(yàn)，為獲取醫(yī)學(xué)生物學(xué)方面的珍貴資料，為試驗(yàn)和改進(jìn)高空救生器材作出了貢獻(xiàn)，同時(shí)也為人類飛向太空做了一定準(zhǔn)備。從同溫層跳傘這個(gè)例子，也可以說明在發(fā)展人類航空和航天事業(yè)中，隨時(shí)都需要具有開創(chuàng)精神

23、的勇敢的先驅(qū)者。這位年輕時(shí)敢于沖擊未知高度的基廷格爾，到了56歲，探索精神依舊不減當(dāng)年，幾年前，他獨(dú)自駕駛氣球?qū)崿F(xiàn)了世界上首次單人駕球飛越大西洋的創(chuàng)舉，從美國東海岸起飛，直奔大洋彼岸的意大利，在茫茫海洋上空同風(fēng)暴雨雪搏斗了83個(gè)小時(shí)，最后暴風(fēng)雨使他的氣球迫降在山林之中，折斷了他的一條腿。9 阿基米德是吹牛嗎古希臘的科學(xué)家阿基米德說過這樣一句話：“給我一個(gè)支點(diǎn)，我就能舉起地球！”他認(rèn)為：“一定大小的力可以移動(dòng)任何重量?！钡厍蛑?0000億億噸，一個(gè)人的力量有多大呢，能夠移動(dòng)這么重的地球嗎？你可能認(rèn)為阿基米德在吹牛。其實(shí)，他的話有一定的道理，因?yàn)榱νㄟ^機(jī)械，可以“放大”。原始人為了保護(hù)自己的洞穴，

24、常常用大石頭堵住洞口。他們是怎樣搬動(dòng)大石頭的呢？幾千公斤的大石頭不是輕易能搬動(dòng)的，一定是工具幫了他們的忙。可能是這樣，幾個(gè)原始人拿一根結(jié)實(shí)的樹干想撬石頭。他們把樹干的一端放在大石頭下面，在靠近這一頭的樹干下墊了一塊小石頭。當(dāng)他壓下樹干另一端的時(shí)候，沒花多大的力氣，把大石頭給撬起來了。第一個(gè)這樣做的原始人，決不會(huì)意識(shí)到自己竟是大發(fā)明家。他發(fā)明了我們稱做“杠桿”的機(jī)械。這種機(jī)械可以節(jié)省力氣。原始人雖然知道用杠桿搬動(dòng)大石塊，但是并不知道為什么。阿基米德是總結(jié)出杠桿原理的第一個(gè)人。任何杠桿都有三個(gè)著力的地方：支持杠桿的地方叫做支點(diǎn)，用力的地方叫做動(dòng)力點(diǎn)，接觸載荷物的地方叫做阻力點(diǎn)。從支點(diǎn)到動(dòng)力點(diǎn)的作用

25、線的垂直的距離叫動(dòng)力臂；從支點(diǎn)到阻力點(diǎn)作用線的垂直距離叫阻力臂。阿基米德仔細(xì)研究了杠桿之后，發(fā)現(xiàn)杠桿的動(dòng)力臂越長(zhǎng)，舉起重物需要的力量越小。它們之間的關(guān)系是這樣：動(dòng)力動(dòng)力臂=阻力阻力臂因此，只要有足夠長(zhǎng)的動(dòng)力臂，任何小的動(dòng)力可以舉起任何重的物體。大概由于這個(gè)規(guī)律太重要，當(dāng)時(shí)人們把它稱做“黃金法則”。阿基米德夸口說，他能用杠桿移動(dòng)地球。在理論上，這是正確的；在實(shí)際上，這是辦不到的。因?yàn)椋旱谝?，需要一根長(zhǎng)得難以想象的杠桿，它的動(dòng)力臂應(yīng)該是阻力臂的一千萬萬萬萬萬倍。這樣長(zhǎng)的杠桿是無法找到的。第二，宇宙間的天體都在不停地運(yùn)動(dòng)著，找不到一個(gè)相對(duì)不動(dòng)的支點(diǎn)。第三，即使上面兩個(gè)條件能夠辦到，把地球舉起1厘米，

26、人必須在杠桿的動(dòng)力臂一端，按下十萬萬萬萬公里長(zhǎng)的一條弧。按照一秒鐘按下一米的速度計(jì)算，需要三十萬萬萬年的時(shí)間。誰的壽命有這么長(zhǎng)。利用杠桿能夠省力，但是有時(shí)候反而費(fèi)力。譬如劃槳，動(dòng)力臂短，阻力臂長(zhǎng)，動(dòng)力就大于阻力。劃船雖說費(fèi)力，但是節(jié)省了距離。劃槳的時(shí)候手移動(dòng)的距離短，槳葉在水中移動(dòng)的距離長(zhǎng)，使船行得更遠(yuǎn)。又例如剪刀，剪刀也是一種杠桿，它的兩片刀葉釘在同一支點(diǎn)上，稱做雙杠桿。用途不同的剪刀，形狀也就不同。剪鐵皮的剪刀，刀把長(zhǎng)，刀口短，這樣可以省力。理發(fā)用的剪刀，刀把短，刀口長(zhǎng)，這樣雖然費(fèi)力，卻省了距離。剪發(fā)不需要多大力氣，刀口長(zhǎng)，手指不用移動(dòng)很大距離，就能剪很多頭發(fā)，并且剪得整齊。上面說的杠桿，

27、有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是支點(diǎn)在動(dòng)力點(diǎn)和阻力點(diǎn)的中間。這類杠桿稱為第一類杠桿。它既有省力的，也有費(fèi)力的，主要由支點(diǎn)的位置決定。說撬棍是一種杠桿，你容易理解；說鍘刀也是杠桿，你的腦子也許轉(zhuǎn)不過彎來。但是稍加思索就不難明白。它和第一類杠桿不同的地方，是它的阻力點(diǎn)在動(dòng)力點(diǎn)和支點(diǎn)中間。我們稱這一類杠桿為第二類杠桿。這類杠桿有一個(gè)明顯的特點(diǎn)：動(dòng)力臂總是大于阻力臂，所以它總是省力的。獨(dú)輪小車，起瓶蓋的扳子，都屬于這類杠桿。還有一類杠桿，它的動(dòng)力點(diǎn)在支點(diǎn)和阻力點(diǎn)之間，如用鐵鍬向卡車上裝土。這一類杠桿稱為第三類杠桿。這類杠桿也有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：動(dòng)力臂總是比阻力臂短。所以使用這類杠桿總是費(fèi)力，然而能夠節(jié)省距離。你看

28、，往卡車上裝土，手的動(dòng)作不大，鐵鍬移動(dòng)的距離卻相當(dāng)大，可以把土送到很高的地方。用兩只手拿長(zhǎng)掃帚掃地，釣魚的時(shí)候往上提釣竿，都是在利用第三類杠桿。原始人應(yīng)用，是一種偶然、沒有多大意識(shí)的舉措。阿基米德給他們?nèi)苋肓怂伎?、總結(jié)，上升為理論，進(jìn)而推而廣之。再說，即使原始人他們有人想總結(jié)，那么長(zhǎng)度、力的大小他能量度嗎？所以還受時(shí)代環(huán)境的影響。10 比薩斜塔上創(chuàng)造的奇跡傳說在1590年，年僅26歲的伽利略在比薩斜塔上進(jìn)行了落體實(shí)驗(yàn)。他特意邀請(qǐng)了一些大學(xué)教授來觀看，許多人也聞?dòng)嵡皝韲^。只見伽利略身帶兩個(gè)鐵球，一個(gè)重45.4公斤（100磅），一個(gè)重0.454公斤（1磅），像出征的戰(zhàn)士一樣，威武地登上塔頂。當(dāng)他

29、向人們宣布，這一大一小的兩個(gè)鐵球同時(shí)下落，將會(huì)同時(shí)著地的時(shí)候，塔下面的人像開了鍋似的議論開了：“難道亞里士多德真錯(cuò)了？這是絕對(duì)不可能的！”“這家伙準(zhǔn)是瘋了！”伽利略聽到這些議論和譏笑，坦然自若，他胸有成竹地大聲說：“先生們，別忙著下結(jié)論，還是讓事實(shí)出來說話吧！”說完，他伸開雙手，使兩個(gè)鐵球同時(shí)從塔上落下來，只見它們平行下落，越落越快，最后“啪”的一聲，同時(shí)落地。面對(duì)無可辯駁的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，那些亞里士多德的忠實(shí)信徒，一個(gè)個(gè)瞠目結(jié)舌，不知所措，只好灰溜溜地走開了。比薩斜塔實(shí)驗(yàn)不但推翻了古代權(quán)威的錯(cuò)誤學(xué)說，結(jié)束了它對(duì)學(xué)術(shù)界近兩千年的統(tǒng)治，而且開創(chuàng)了近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)的新紀(jì)元。今天，懂一點(diǎn)物理學(xué)的人都知道，輕重

30、、大小不同的物體，從同一高度同時(shí)自由落下，要是沒有空氣阻力，它們必定同時(shí)著地。但是，在16世紀(jì)以前，人們都相信古希臘的權(quán)威亞里士多德的學(xué)說。他認(rèn)為：物體下落的快慢是由物體的重量決定的，物體越重下落越快，比如10公斤重的物體下落，要比1公斤重的物體快9倍。在那個(gè)時(shí)候，教科書上是這樣寫的，大學(xué)教授也是這樣講的。不過，還是有人懷疑，伽利略就是其中最著名的一位。他經(jīng)過認(rèn)真思考，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)“物體越重，下落越快”的學(xué)說是錯(cuò)誤的。要知道，當(dāng)時(shí)在歐洲人的眼里，除了上帝，只有亞里士多德是絕對(duì)正確的。誰膽敢反對(duì)他，說他的不是，那是大逆不道。勇敢的伽利略堅(jiān)持真理，義無反顧，決定當(dāng)眾實(shí)驗(yàn)，公開向古代權(quán)威挑戰(zhàn)。也許

31、少年朋友會(huì)說，要是伽利略在斜塔上同時(shí)放下一個(gè)紙球和一個(gè)鐵球，那么一定是鐵球先落地。的確是這樣的。當(dāng)紙球還在空中飄蕩的時(shí)候，鐵球已著地了。這是不是亞里士多德的學(xué)說是正確的呢？亞里士多德很可能正是從這類現(xiàn)象中得出結(jié)論的，但是他被假象迷惑了。事實(shí)上，物體在空氣中下落，都要受到空氣阻力。紙球輕，空氣阻力的影響大，不可忽略；鐵球重，空氣阻力的影響小，可以忽略。如果在真空中進(jìn)行紙球和鐵球同時(shí)下落的實(shí)驗(yàn)，排除了空氣阻力的影響，它們是一定會(huì)同時(shí)落地的。11比薩斜塔不倒之謎比薩斜塔坐落在意大利古城比薩大教堂的廣場(chǎng)上，1173年建筑師博納諾皮薩諾開始建造。當(dāng)建到第3層時(shí)，塔身開始傾斜，博納諾皮薩諾只得把工程停了下

32、來。94年后，建筑師焦旺尼迪西蒙內(nèi)恢復(fù)建塔，他試圖將傾斜的塔身調(diào)直，可是沒有成功。由于迪西蒙內(nèi)死于1284年的戰(zhàn)爭(zhēng)中，建塔工程再度擱置。直到1350年，該塔才由建筑師托馬索皮薩諾最后完成。竣工時(shí)，因塔頂中心點(diǎn)已偏離垂直中心線2.1米，所以被人們稱為“斜塔”。600多年來，塔身繼續(xù)緩慢地向南傾斜。據(jù)自1911年以來的系統(tǒng)測(cè)量表明，它平均每年向南傾斜大約1毫米。如今，塔頂已南斜5.3米，斜度為5度6分。塔身為什么傾斜？根據(jù)地下鉆探的土樣，已查明塔基下面地表至10米深度是混砂層，由10米至40米是含很多結(jié)合水的粘土層，再往下是含自由水的砂層。這層粘土層在建筑物的壓力作用下，部分結(jié)合水就會(huì)被擠出來，跑

33、到下面的砂層中去，造成粘土層的壓縮和沉降，使塔傾斜。當(dāng)下面砂層自由水被人為地抽汲而造成壓力下降時(shí)，這種粘土層的壓縮和沉降還會(huì)大大地加速，引起斜塔的傾斜速度加快。據(jù)測(cè)定，在從砂層中抽汲地下水的時(shí)期，斜塔的傾斜速度曾增至每年2毫米，比以前加快了約一倍。后來，人們發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題，停止抽汲砂層中的地下水，斜塔的傾斜速度才恢復(fù)原來的數(shù)值。這座塔為什么向南傾斜？據(jù)比薩大學(xué)一位老教授的解釋說，可能是太陽的影響。因?yàn)橐獯罄窃诒卑肭颍厦娴拇罄硎苋照諒?qiáng)，熱脹冷縮產(chǎn)生的力對(duì)下面的土層起著不間斷的沖擊作用，所以向南傾斜。另外，斜塔是在比薩城北部，原來城內(nèi)蒙林取地下水的位置在它南面，南部地面沉降也可能造成塔身加速

34、南傾。眼下，塔頂中心點(diǎn)偏離垂直中心線已近5米。不過，按照目前的傾斜速度，比薩斜塔在未來的200年內(nèi)還不會(huì)倒塌。這是因?yàn)閺乃闹匦囊碌呢Q直線并沒有越出它的底面的緣故。據(jù)說有位中國人在幫助他們扶直呢！你有什么好的舉措呢？12 太空行走為什么不掉下來1984年2月7日，有兩個(gè)美國宇航員在不系安全帶的情況下走出航天飛機(jī)，在太空里“行走”一段時(shí)間，又安全地進(jìn)入了“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)。美國宇航員的太空“行走”，引起了人們的濃厚興趣。尤其是時(shí)速28000公里的“行走”速度，更令人“嘆為觀止”。那么，這里的奧秘是什么呢？時(shí)速28000公里，相當(dāng)于超音速噴氣機(jī)速度的20多倍，對(duì)于站在地球上的人來說，可說是風(fēng)馳

35、電掣的“神行太保”了。其實(shí)，這正是離地球280公里高空軌道的航天飛機(jī)賴以不墜所必須具備的環(huán)繞速度。因此，只要乘在航天飛機(jī)上，就可以“坐享其成”地獲得這樣的高速度。美國宇航員布魯斯麥坎德利斯和羅伯特斯圖爾特滑離“挑戰(zhàn)者號(hào)”進(jìn)入茫茫太空后，便是靠了這個(gè)慣性速度，成為繼續(xù)繞地球運(yùn)動(dòng)的“人體地球衛(wèi)星”。而這個(gè)速度聽起來似乎很嚇人，其實(shí)，地球作為繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的一顆行星，時(shí)速高達(dá)108000公里，幾乎為這兩名宇航員繞地球旋轉(zhuǎn)速度的4倍！地球上人們都身處如此高速，但能毫無感覺，難怪宇航員以時(shí)速二三萬公里在太空軌道上“行走”，也能若無其事，“勝似閑庭信步”了。宇宙空間既無氧又無水，氣壓幾近于零，還游蕩著無數(shù)運(yùn)動(dòng)

36、速度極快的流星。宇航員若“行走”太空，必須穿戴具有特殊防護(hù)性能的“航天服”。目前，最新型的航天服由尼龍、滌綸、特氟隆等9層絕緣材料疊合制成。它既能抵御宇宙射線又能防止小流星襲擊。服裝小巧、靈活，具有供氧、供水、隔熱、保暖、存尿、通信聯(lián)絡(luò)、電視攝影、照明等多種功能。為保證宇航員安全，還設(shè)有靈巧的電子報(bào)警系統(tǒng)。更有意思的是還備有給宇航員充饑的可口點(diǎn)心呢！整套航天服從頭到腳的密封性能極好，總重113公斤，可謂地地道道的“奇裝異服”。這樣重的服裝若在地面穿戴，恐怕連大力士也夠嗆！不過，進(jìn)入太空軌道，處于失重，穿戴也就十分自如。何況這種航天服的四肢、腰部等處均裝有軸承關(guān)節(jié)，十分靈活。這套服裝價(jià)值215萬

37、美元，這也是歷代帝王龍袍感嘆不如的。宇航員穿上這套“奇裝異服”便可在太空“亮相”。但若離開航天飛機(jī)“行走”茫茫太空，再要安全返回機(jī)內(nèi)，真的用腳是走不起來的，尚需要帶上一套動(dòng)力裝置?！疤魬?zhàn)者號(hào)”的兩名宇航員就是繼穿上航天服之后又加穿背包式的噴氣推進(jìn)器，這才滑離航天飛機(jī)而進(jìn)入太空漂浮。背包式噴氣推進(jìn)器由24個(gè)氮?dú)庋b置和一套備用裝置組成，通過宇航員手控器點(diǎn)燃，它可以根據(jù)需要任意調(diào)整推進(jìn)器噴氣方向，在空間自由來往而不受限制。最先滑離航天飛機(jī)的是宇航員麥坎德利斯，他在離機(jī)45米處欣賞著從未見到過的地球奇景。隨后又利用推進(jìn)器返回機(jī)內(nèi)稍稍休息。接著又興致勃勃地作另一次更遠(yuǎn)的行走。隨后另一名宇航員也作了太空行

38、走表演。兩名宇航員在太空漫步都持續(xù)了一個(gè)多小時(shí)，不僅試驗(yàn)了一些設(shè)備，還修理了發(fā)生故障的電視攝影機(jī)。宇航員太空“行走”的成功，為修理正在軌道上運(yùn)行的但已發(fā)生故障的人造衛(wèi)星，以及為將來建立永久性的太空軌道站創(chuàng)造了條件。13 蘋果變成了炮彈1985年11月28日，沈空航空兵某團(tuán)飛行員張漢成駕駛104號(hào)飛機(jī)，在800米高空以每小時(shí)600多公里的速度進(jìn)行飛行特殊訓(xùn)練。突然，一群大鳥與飛機(jī)相撞，致使飛機(jī)幾乎失去控制能力。我英雄飛行員果斷地采取了最難操作、危險(xiǎn)性最大的方法進(jìn)行操縱，使飛機(jī)安全著陸。機(jī)務(wù)人員當(dāng)即檢查飛機(jī)，發(fā)現(xiàn)機(jī)身上多處沾有鳥的血跡和羽毛，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p傷，壓縮器葉片和進(jìn)氣整流罩全部被打壞，右

39、機(jī)翼前沿被打裂20厘米長(zhǎng)。鳥撞飛機(jī)主要發(fā)生在起飛、著陸的過程中及低空飛行的時(shí)候。尤其是群鳥，危害飛機(jī)的可能性就更大。飛鳥像子彈一樣，除了可以打壞噴氣式飛機(jī)的壓氣機(jī)葉片外，也可以擊穿飛機(jī)駕駛艙的風(fēng)擋玻璃。風(fēng)擋玻璃被擊穿，不僅使飛機(jī)周圍震裂，飛行員視線也會(huì)受到影響，使其不能清晰地觀察外界，給駕駛飛機(jī)帶來困難。更有甚者，玻璃碎片很可能打傷飛行員。鳥撞到飛機(jī)上，為什么產(chǎn)生如此巨大的力量呢？這主要是由于飛機(jī)的速度太快了。據(jù)計(jì)算，一只0.45公斤重的鳥，撞在每小時(shí)以80公里速度飛行的飛機(jī)上，能產(chǎn)生153公斤力；撞在每小時(shí)以960公里速度飛行的飛機(jī)上，則能產(chǎn)生22000公斤力。倘若是一只7.2公斤的大鳥，撞

40、在每小時(shí)以960公里速度飛行的飛機(jī)上，能夠產(chǎn)生13萬公斤力！由此不難看出，飛機(jī)飛行的速度越高，鳥撞在飛機(jī)上的力就越大，危害也就越嚴(yán)重。飛機(jī)是這樣，汽車也是這樣。1924年舉行過一次汽車競(jìng)賽。沿途的農(nóng)民看到汽車從身旁飛馳過去，為了表示祝賀，向車上乘客投擲了西瓜、香瓜、蘋果。這些好意的禮物竟起了很不愉快的作用；西瓜和香瓜把車身砸凹、弄壞了；蘋果落到駕駛員身上，造成了嚴(yán)重的外傷。這個(gè)理由很簡(jiǎn)單：汽車本身的速度加上投出西瓜和蘋果的速度，就把這些瓜果變成了危險(xiǎn)的、有破壞能力的炮彈。我們不難算出，一顆10克重的槍彈發(fā)射出去以后所具有的能，跟一個(gè)4公斤重的西瓜投向每小時(shí)行駛120公里的汽車所產(chǎn)生的能不相上下

41、。眼下，普通汽車最高時(shí)速也可以達(dá)到100多公里了，賽車的車速就更高了。所以，我們?nèi)f萬干不得70多年前人們干過的蠢事了。為避免鳥撞事故，人們一直進(jìn)行著不懈的努力。比方說，清除對(duì)鳥類具有吸引力的水、食物、樹木等生活條件；在機(jī)場(chǎng)周圍設(shè)置帶有聲響和其他恐嚇裝置；在飛機(jī)上安裝專門儀器，監(jiān)測(cè)航線上的鳥群，提醒駕駛員避開鳥群飛行；在機(jī)場(chǎng)上設(shè)置雷達(dá)，監(jiān)視跑道上的鳥群，指令駕駛員推遲起飛時(shí)間等。盡管是這樣，完全杜絕鳥撞事故也是不可能的。于是，人們又設(shè)法提高飛機(jī)有關(guān)部件，特別是提高風(fēng)擋玻璃抗鳥撞的能力，最大限度地減輕由于鳥撞造成的損失。14 中幡不倒之謎看過電視連續(xù)劇甄三的人，一定記得甄三和他師傅中幡老藝人駱小辮

42、耍中幡的精彩場(chǎng)面。他們嫻熟而又驚險(xiǎn)的表演，使觀眾驚心動(dòng)魄，瞠目結(jié)舌。他們那胸有成竹，輕松自如的動(dòng)作，凝結(jié)著平時(shí)刻苦鍛煉的汗水，依靠的是長(zhǎng)期練就的鋼筋鐵骨，運(yùn)用的是前人總結(jié)出來的力學(xué)原理。中幡這種“頭重腳輕”雜技造型的成功，除了因?yàn)檠輪T的頭有足夠的力量之外，更重要的是演員掌握好了平衡。要使物體保持平衡，必須叫中幡桿子的重心沿力的作用線落到演員的頭頂。這樣，頂中幡桿子的演員頭部向上用的力和中幡的重力，恰好在一條直線上，大小相等，方向相反，合力為零，使兩個(gè)力處于平衡狀態(tài)，所以中幡桿子越高，觀眾會(huì)越為演員們提心吊膽。其實(shí)，桿子越高，演員反而容易做到安然無恙，這又是為啥呢？讓我們一塊兒做個(gè)實(shí)驗(yàn)吧：假如我

43、們用手指頂根鉛筆，鉛筆很難被頂立起來；假如用手指頂立個(gè)雞毛撣子時(shí)，雞毛撣子卻很容易地被頂起來。這是由于雞毛撣子桿兒比較長(zhǎng)，當(dāng)它要倒時(shí)，也就是重心偏離開時(shí)，人有足夠的時(shí)間靠擺動(dòng)手指來調(diào)整它的重心。由此可知，只要頂中幡的演員頭部有足夠的力量，桿子越高，就越容易掌握力的平衡。利用力學(xué)原理排演的耍盤子就更巧妙了。你看吧，演員的雙手拿著好幾根細(xì)竹竿。每一根細(xì)竹竿的尖端都頂著一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的瓷盤。這時(shí)候，演員隨心所欲地表演著種種動(dòng)作，最后在臺(tái)上倒翻一個(gè)筋斗，站起來，盤子仍舊穩(wěn)穩(wěn)地在竹竿尖上旋轉(zhuǎn)。是什么力量使它“粘”在竹竿尖上不掉下來呢？如果我們自始至終仔細(xì)地觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，演員在做著各種動(dòng)作的時(shí)候，必須讓盤子

44、旋轉(zhuǎn)著。換句話說，盤子“粘”在竿尖的秘密在于旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)著的盤子為什么不容易掉下來呢？簡(jiǎn)單地說，這是物體運(yùn)動(dòng)慣性的表現(xiàn)。當(dāng)竿子的尖端支撐著盤子的重量，而盤子以竿子為軸線繞著它旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，盤子上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在盤子所處的平面上作著圓周運(yùn)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)的慣性規(guī)律，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都要保持已有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是要保持在盤子所處的平面上運(yùn)動(dòng)，既然每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都要保持在盤子一開始所處的平面上運(yùn)動(dòng)，那么，整個(gè)盤子就會(huì)繼續(xù)保持在原來的位置繞著竿子旋轉(zhuǎn)，而不掉下來。因此盡管演員的身體在運(yùn)動(dòng)，只要他掌握住竿子的方向，旋轉(zhuǎn)著的盤子就不會(huì)掉下來。除了“中幡”、“耍盤子”等節(jié)目外，在雜技表演中，還有利用力平衡原理表演的“高臺(tái)定車

45、”、“走鋼絲繩”；運(yùn)用向心力和離心力原理表演的“水流星”等。倘若我們?cè)谛蕾p雜技演員精湛的藝術(shù)表演的同時(shí)，又仔細(xì)地琢磨它里邊的力學(xué)原理，打開“雜技之謎”的科學(xué)之窗，會(huì)更趣味無窮。15 奇妙的“被中香爐”西京雜記這部古書上說，漢武帝時(shí)，首都長(zhǎng)安有位叫丁諼的巧匠，他制成了當(dāng)時(shí)已經(jīng)失傳的“被中香爐”。在香爐中貯存著香料，點(diǎn)燃以后，放在被褥之中，隨意滾動(dòng)，香爐能始終保持水平狀態(tài)，不會(huì)傾翻，香火也不會(huì)傾撒出來。這種巧妙的香爐到底有沒有呢？是不是西京雜記的作者夸大其詞呢？這個(gè)不解之謎，直到1963年，考古工作者在漢唐的古都西安發(fā)現(xiàn)窖藏一處，在200多件金銀器皿中，發(fā)現(xiàn)了好幾個(gè)“被中香爐”，人們研究了它的構(gòu)造

46、，才算有了答案，確實(shí)像西京雜記上說的一樣。原來，這種“被中香爐”是一個(gè)銀制的高約5厘米的球形爐子。外殼由兩個(gè)半球合成。殼上鏤刻著精美的花紋，花紋間有空隙，借以散發(fā)香氣。球殼內(nèi)部裝有大小兩個(gè)環(huán)，大環(huán)裝在球殼上，小環(huán)則套在大環(huán)內(nèi)，兩個(gè)環(huán)的軸相互垂直。置入香料的金碗又用軸裝在內(nèi)環(huán)上，并使金碗的軸與兩個(gè)環(huán)的軸都保持垂直。由于這三根軸互相垂直，不論香爐的外殼如何滾動(dòng)，置放香料的金碗在重力作用下，能始終保持水平狀態(tài)。令人驚異的是，“被中香爐”的構(gòu)造原理，竟與現(xiàn)代陀螺儀中的萬向支架完全相同！陀螺儀在現(xiàn)代的宇航、航空、航海事業(yè)中，已經(jīng)扮演了重要的角色。但是，當(dāng)陀螺在飛速旋轉(zhuǎn)時(shí)，需要有支架給以支撐。最簡(jiǎn)單的陀螺

47、儀，就是依靠這種萬向支架來支撐的。在這種儀器中，由于有了萬向支架的支撐，可以讓陀螺的轉(zhuǎn)軸指向任意方向。在西京雜記的記載中，丁諼還不是“被中香爐”的發(fā)明人，只是將失傳的事物再行創(chuàng)造出來，換句話說，“被中香爐”的發(fā)明還要早于丁諼活動(dòng)的年代（公元前140年到80年）。西方直到公元1500年才由意大利科學(xué)家達(dá)芬奇提出類似的設(shè)計(jì)，比我們的祖先起碼晚了1600年。16 “硬度之王”的秘密1905年1月25日，南非普列米爾礦山的一個(gè)職員在礦場(chǎng)偶爾拾到了一塊巨大的金剛石。它純凈透明，呈淡藍(lán)色，有一個(gè)拳頭那么大，重3106克拉，是迄今為止世界上發(fā)現(xiàn)的最大金剛石。人們把它命名為“庫利南”。（1克拉等于0.2克。）

48、南非地方當(dāng)局把庫利南送給了英國皇室。后來，人們把庫利南分開，磨成大小鉆石105粒。最大的叫“非洲之星”，重30.2克拉，是世界上現(xiàn)有的最大鉆石，它被鑲在英國國王的權(quán)杖上。據(jù)估計(jì)，全世界天然金剛石的總儲(chǔ)量約有200余噸，其中95%集中在非洲。扎伊爾和南非是最重要的出產(chǎn)國。此外還有坦桑尼亞、加納、安哥拉、澳大利亞、俄羅斯等。近些年來，我國也有發(fā)現(xiàn)。1977年12月21日，我國山東省臨沭縣常林大隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆158.7860克拉的金剛石，這在我國歷史上是最大的，被命名為“常林鉆石”。金剛石也叫鉆石，是世界上各種珠寶之中最珍貴的品種。習(xí)慣上，人們把沒有琢磨過的叫金剛石，把琢磨好的叫鉆石。金剛石是世界上最

49、硬的物質(zhì)?？茖W(xué)家把物質(zhì)的硬度分為10級(jí)，1級(jí)稱為1度。金剛石的硬度是10度，號(hào)稱“硬度之王”！金剛石是什么材料組成的呢？幾百年前，意大利佛羅倫薩科學(xué)院的幾位院士揭開了這個(gè)秘密。他們把金剛石放在密閉的燒瓶里加熱，結(jié)果金剛石“燒”掉了，變成了二氧化碳。這說明，寶貴的金剛石和普通的石墨、木炭是一家，成分是純粹的碳。既然都是碳，為什么金剛石是“硬度之王”，而石墨卻軟得可以做鉛筆芯呢？原來，它們內(nèi)部碳原子的排列方式不同。在金剛石內(nèi)部，每個(gè)碳原子都被幾個(gè)碳原子所包圍，它們之間的距離、角度完全一樣，具有高度的對(duì)稱性，聯(lián)系非常緊密。而在石墨內(nèi)部，碳原子卻是呈層狀排列的，層與層之間的引力很小，結(jié)合的力量微弱，所

50、以石墨很軟。金剛石在工業(yè)上的主要用途是做刀具、磨具和鉆頭。玻璃刀上就有金剛石，玻璃很硬，鋼刀也奈何不了它，而在金剛石面前，它是那樣俯首帖耳。金剛石車刀的耐磨性是硬質(zhì)合金刀的60倍，是高速鋼的250倍！用金剛石做磨石，耐磨性能頂?shù)蒙掀胀ㄓ褪?000塊。用它做成碗口粗的地質(zhì)鉆頭，打油井日進(jìn)千尺；做成銹花針?biāo)频难揽沏@頭，鉆蛀牙快而不痛。所以盡管金剛石價(jià)格昂貴，人們還是很愿意用它。此外，金剛石還可以用來做精密儀器的軸承，金剛石粉可以做砂輪和磨料。由于它的折光性很好，導(dǎo)熱性能也不錯(cuò)，所以在紅外技術(shù)、激光、精密測(cè)量等許多尖端技術(shù)上，都很有用途。17 子彈穿不透的玻璃1903年， 一天法國科學(xué)家別涅狄克在

51、打掃實(shí)驗(yàn)室，他用雞毛撣子撣灰塵時(shí)，一不小心把一個(gè)長(zhǎng)頸玻璃燒瓶從3米多高的架子上碰掉到地板上，他以為玻璃燒瓶非得粉身碎骨，可是仔細(xì)一看，盡管瓶壁上布滿了裂紋，玻璃碎片卻粘在一起，瓶中的液體一點(diǎn)也沒有流出來。他拿起玻璃瓶子陷入了沉思，后來，他想起來了，原來這只瓶子中曾經(jīng)裝過硝酸纖維溶液，溶液揮發(fā)干凈后，瓶壁上留下一層薄膜，它就像皮子一樣緊緊地貼在瓶壁上，他又往瓶子注入一些水。這時(shí)，別涅狄克迅速地寫了一個(gè)說明這一情況的標(biāo)簽貼在瓶壁上，又把它放在原處。過了數(shù)年以后，有一天，別涅狄克在閱讀報(bào)紙，看到報(bào)上報(bào)道有霧的天氣里，一輛小汽車撞在電線桿上，汽車被翻進(jìn)一條溝里，三個(gè)乘客，一個(gè)當(dāng)場(chǎng)死去，另外兩個(gè)人被玻璃

52、碎片把臉、手和身上刺成重傷這時(shí)，別涅狄克想起似乎在什么地方見過不碎的玻璃。于是，別涅狄克像發(fā)狂了一樣的尋找著，翻遍了試驗(yàn)記錄，查看各種試驗(yàn)成果，摸過了每一個(gè)試驗(yàn)用的器具，終于在一排試驗(yàn)架的最高層，找到了那個(gè)被摔壞的高頸玻璃燒瓶。別涅狄克出于救人的目的，他放棄了一切研究工作，開始著手研究和制造防碎玻璃。防碎玻璃也叫夾層玻璃或叫安全玻璃，它是用數(shù)片玻璃和透明塑料膠片粘合而成的。防碎玻璃在受到強(qiáng)大的外力劇烈地撞擊時(shí)，玻璃碎片由于有透明塑料膠片的粘結(jié)，碎片不會(huì)飛散，起到了保護(hù)作用。防碎玻璃主要安裝在高級(jí)轎車的前后風(fēng)窗上和飛機(jī)、宇宙飛船的舷窗上。近年來，防碎玻璃安全性能有了很大的提高，德國生產(chǎn)的一種25

53、毫米厚的防碎玻璃，它是用數(shù)層薄玻璃和粘性強(qiáng)、彈性大的塑料薄膜壓制而成的，從近距離發(fā)射的30發(fā)手槍和機(jī)槍子彈均被彈回，被擊破的兩層玻璃，碎片不脫落。英國還制造一種厚防彈玻璃，它的透明度很高，人們透過600毫米厚度的玻璃仍然能夠閱讀報(bào)紙。18 一萬多公斤羊毛不翼而飛1977年， 內(nèi)蒙古某縣的一個(gè)土產(chǎn)倉庫在清倉時(shí)，發(fā)現(xiàn)少了1.5萬公斤羊毛。倉庫保管員成了懷疑對(duì)象。但是，他堅(jiān)決否認(rèn)自己貪污。1978年，該縣計(jì)量所到倉庫檢修衡器，才真相大白。原來，倉庫使用的兩臺(tái)臺(tái)秤不準(zhǔn)，一臺(tái)每收購進(jìn)100公斤羊毛要少2公斤；另一臺(tái)每出售100公斤羊毛要多1公斤。這樣，每進(jìn)出100公斤羊毛，倉庫就損失了3公斤左右。1.5

54、萬公斤羊毛就是這樣日積月累丟掉的。這兩臺(tái)衡器所以失準(zhǔn)，主要原因是使用了近十年時(shí)間，沒有檢定過一次。按照檢定規(guī)程要求，臺(tái)秤最長(zhǎng)使用一年就得檢驗(yàn)一次，這兩臺(tái)臺(tái)秤超過規(guī)定檢驗(yàn)周期六年仍在使用，因而造成嚴(yán)重失準(zhǔn)。周期檢定就是根據(jù)各種度量衡器使用的頻率和精確要求，規(guī)定在一定的時(shí)間內(nèi)，用精度高一級(jí)的度量衡器檢定精度低一級(jí)的，看它的準(zhǔn)確度是否保持在允許的誤差范圍以內(nèi)，如果超出，就要修理。修理合格的，由計(jì)量部門檢定并發(fā)給證書，才能繼續(xù)使用，不合格的就要停止使用。我國歷代政府為了保持度量衡器的準(zhǔn)確度，實(shí)行過一些定期巡衡的制度，如周代規(guī)定，每年仲春與仲秋之月（農(nóng)歷二、八月）為“同度量、平權(quán)衡”的時(shí)間。新中國成立以

55、后，人民政府為了保證度量衡器的準(zhǔn)確，十分重視計(jì)量管理。1959年，國務(wù)院發(fā)布了統(tǒng)一計(jì)量制度的命令，1972年，國務(wù)院發(fā)布中華人民共和國計(jì)量管理?xiàng)l例（試行）。這些措施，對(duì)保證度量衡器的準(zhǔn)確使用起到了積極的作用。在一些資本主義國家也有度量衡器的定期檢定制度。如美國，從50年代起，就把每年3月1日到7日定為全國度量衡周。在這一周里，提出活動(dòng)的中心口號(hào)，舉行紀(jì)念和宣傳活動(dòng)。19 順手抓住一顆子彈第一次世界大戰(zhàn)期間，一位法國飛行員正在2000米高空飛行的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)臉旁邊有一個(gè)什么小玩藝兒正游動(dòng)著。飛行員以為這是一只什么小昆蟲，順手把它抓了起來。飛行員一看驚呆了，原來是一顆熱乎乎的德國子彈！幸虧他戴著皮手

56、套。這是怎么回事呢？原來，子彈并不是始終用每秒800900米的初速度飛行的。由于空氣的阻力，子彈的飛行速度逐漸慢了下來，而在它跌落前的速度則只有每秒40米了。這個(gè)速度是普通飛機(jī)也可以達(dá)到的。因此，很可能碰到這種情況：飛機(jī)跟子彈的方向和速度相同。那么，這顆子彈對(duì)于飛行員來說，它就相當(dāng)于靜止不動(dòng)的，或者只是稍微有些移動(dòng)，飛行員順手把它抓住就可以理解了。至于子彈為什么是熱乎乎的，是因?yàn)樗┻^空氣時(shí)摩擦的結(jié)果，有時(shí)能達(dá)到100呢！無獨(dú)有偶，在德國著名故事敏豪生奇遇記里的主人公敏豪生伯爵也曾用兩只手捉住過正在飛行的炮彈。道理是一樣的。20 是蘋果落地導(dǎo)致牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力嗎美國哈佛大學(xué)科技史教授柯亨不久前

57、撰文，對(duì)蘋果落地的故事表示懷疑?？潞嘁C史料，說明牛頓走向萬有引力理論的重大一步是在1679年末到1680年初。 1679年 11月24日，胡克寫信給牛頓，向他介紹一種分析曲線運(yùn)動(dòng)的新方法。胡克聰明地看到，物體沿曲線軌道的運(yùn)動(dòng)有兩個(gè)分量，一個(gè)是慣性分量，一個(gè)是向心分量。慣性分51量勢(shì)必沿曲線的切線方向作直線運(yùn)動(dòng)，而向心分量則總是拉物體偏離慣性的直線軌道。月球運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定軌道就是這兩個(gè)分量互相匹配，使得月球既不會(huì)沿切線方向跑掉，又不會(huì)螺旋式地接近地球。笛卡兒認(rèn)為物體作曲線運(yùn)動(dòng)只是運(yùn)動(dòng)物體企圖逃離中心的力造成的，但實(shí)際上沒有這樣的力存在。胡克信中請(qǐng)牛頓對(duì)這個(gè)假設(shè)提出意見或評(píng)論。這個(gè)假設(shè)顯然是牛頓后來

58、把曲線運(yùn)動(dòng)分解為一個(gè)慣性分量和一個(gè)向心分量這種想法的入門。因?yàn)樵诖酥?，牛頓還常常用笛卡兒的離心力來描述運(yùn)動(dòng)。胡克在信中還大膽提出，將行星吸向太陽的向心力大小，與兩星之間的距離平方成反比。由于胡克缺乏牛頓的數(shù)學(xué)才能，因此他不能再往前進(jìn)，不能由直覺的預(yù)感與猜想，飛躍到嚴(yán)格的科學(xué)結(jié)論。11月28日，牛頓回信說，在未讀胡克的來信之前，他沒有“聽到過您的把行星的天體運(yùn)動(dòng)看作沿曲線切線方向的直線運(yùn)動(dòng)”以及被“吸引”向太陽的運(yùn)動(dòng)兩者“所合成之假說”。隨之牛頓立即把自己的研究課題換成：地球自轉(zhuǎn)對(duì)自由落體的影響。但是他卻不正確地描繪了自由落體物體的路徑是一條螺線。胡克發(fā)現(xiàn)了牛頓的錯(cuò)誤，在12月9日的信中指出，

59、自由落體物體的路徑“將類似一個(gè)橢圓”。12月13日牛頓謹(jǐn)慎地答復(fù)了胡克對(duì)他的指正，但并沒有對(duì)胡克提出的行星運(yùn)動(dòng)是“圓周運(yùn)動(dòng)”的分析發(fā)表什么意見。胡克并不灰心，在1680年1月6日的信中重述了向心吸引力與距離平方成反比的定量的假設(shè)，而且說明他的這種分析“十分清楚而正確地說明了天象”。牛頓仍未作答復(fù)。1月17日胡克發(fā)了一封簡(jiǎn)短的補(bǔ)充函件，請(qǐng)牛頓找出：一個(gè)中心引力使物體偏離它的慣性軌道作曲線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)力與距離平方成反比時(shí)，曲線是怎樣的，它的性質(zhì)及造成的原因是什么？牛頓幾乎就是按照胡克的思路去做的。但他一直沒有把證明的結(jié)果告訴胡克或任何人。直至1684年8月，著名天文學(xué)家哈雷來訪，說起他和雷恩都不能解決

60、行星運(yùn)動(dòng)這個(gè)問題，胡克雖聲稱他已解出，卻拿不出一個(gè)公式。牛頓聽了以后，馬上回答：“是橢圓?！惫讍査趺粗赖?，牛頓回答：“我算出來的?！苯?jīng)哈雷敦促，牛頓為皇家學(xué)會(huì)寫了論運(yùn)動(dòng)，詳細(xì)談了他的計(jì)算過程。應(yīng)該說，牛頓在其大約是1684年11月寫成的論運(yùn)動(dòng)的初稿中，還未建立萬有引力這一概念。這時(shí)，牛頓還沒有領(lǐng)悟太陽吸引每個(gè)行星，每個(gè)行星還要吸引太陽，而且行星間也互為吸引。不久，牛頓發(fā)覺了反作用定律的重要意義，1684年12月在他完成的論運(yùn)動(dòng)的修改稿中已用相互作用來描述行星運(yùn)動(dòng)。1685年春季，牛頓全力以赴地完成了自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理初稿，才完整地得出一切物體以萬有引力互相作用的理論。在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力以