倒立的人

世界上隻有蒼蠅、蚊子等昆蟲可以停留在天花板上,連鳥也不能倒抓在天花板上。可是,魔術師卻能借助於力學裝置成為“人蠅”,倒吸在天花板上行走。

在劇場的天花板上掛著一塊75米長的木板,木板朝下的一麵漆著油漆並打蠟上光,目的是使表麵光潔平整,讓吸盤可以牢牢吸在上麵。表演開始時,一位小姐坐在緊挨木板上頭的秋千上,腳上穿著一雙像溜冰鞋那樣的高幫靴子。隻見她在秋千上做一個倒立動作,用腳蹬住那塊木板。然後雙手放開秋千,嗨!她居然頭朝下,身體掛在木板上了。一開始,她以很小的步子倒退著走,接著又往回返程,也是倒著走。幾個來回一走,博得滿堂喝彩。

這個魔術成功的關鍵在那雙靴子上,原來這雙靴子的鞋底裏裝有氣動裝置,每隻氣動裝置所產生吸力足以支持兩倍於表演者體重的重物。因此,當魔術師在天花板上行走時,即使隻有一隻腳與木板接觸,它也足以把她牢牢吸在上麵。當然,靴子裏還有一套緊固裝置,可以把表演者的雙腳牢牢縛在靴子裏,為了預防萬一,天花板下設有一張安全網。

真假子彈

世界著名的魔術師托裏尼,每次演出的壓軸戲總是“退爾槍”。由他兒子扮演瑞士民族英雄威廉·退爾的兒子,將一隻蘋果放在他口中,用嘴咬住。托裏尼請一位觀眾拿起一把手槍,在眾目睽睽之下將一顆子彈推上鏜,隨後讓他對準蘋果開槍。“乒”的一聲,子彈在煙霧中飛出,隻見小托裏尼安然無恙,而子彈卻留在蘋果中。

人們從力學角度去思考,怎麼也無法解釋快速飛馳的子彈會被一隻蘋果擋住。其實這個魔術的竅門在子彈上。總共有3顆子彈,2顆是真的,1顆是假的。起初,觀眾拿的是一顆真子彈,當托裏尼把它推上鏜時換成了假子彈。這顆子彈看上去和真的一模一樣,隻是一受到壓力就會粉碎。因此,一開槍它就馬上散成無數細粒,像灰塵一樣四處飛揚,觀眾看來還以為是子彈射出後的火藥煙塵。當然,蘋果中的子彈是事先埋藏在裏麵的真子彈。它當然與托裏尼向觀眾出示的那顆真子彈一模一樣。

這個魔術的關鍵是製造假子彈,它既要在外形上與真子彈一模一樣,又必須在槍擊的壓力下碎成粉末。有一位魔術師為節約成本,表演時用的子彈在“肥皂彈”的外麵滾拌上石墨粉。可是,有一天晚上演出時,“肥皂彈”出了事故。它沒有粉碎,結果打在表演者的臉上,使他受了重傷。原因在於那顆“肥皂彈”因放置時間較長,肥皂本身幹固了,結果射出以後沒有粉碎。

高高的自來水塔

扭開水龍頭,自來水就嘩嘩地流出來了。

自來水是從哪裏來的呢?你一定會想到深埋在地下的水管。但要追尋水源,那就得循著自來水管,到自來水廠裏去看看。原來,那些埋在地下的水管,都是和自來水廠裏一座座高高的水塔連接在一起的。

那麼,這些水塔又有什麼用呢?我們不妨舉一個小小的例子。澆花的時候,如果你把水壺稍微側一點,流出來的水流又細又慢;要是將水壺側得厲害些,噴出的水流就又粗又急。這是什麼原因呢?原來,水越深,壓強就越大。水的深度每增加10米,壓強就會增加大約1個標準大氣壓。讓水壺側過來,就是讓水麵相對於噴嘴的深度加大,水的壓強也會跟著變大,水流噴出來時就又粗又急。

我們再來看看高高的水塔。如果一個水塔的高度為10米,另一個水塔的高度隻有5米,那麼高10米的那個水塔塔底的水流壓強,比高5米的那個水塔塔底的水流壓強大40千帕左右。倘若兩個塔底的出水口大小一樣,它們同時開放,壓強大的自然比壓強小的出水急。因為自來水要供應地勢高低不等的各處用戶,如果沒有足夠的壓強,地勢高處的用戶就會得不到水,所以水塔一般都造得很高。

在現代化的大、中城市,由於水網範圍寬,管路阻力大,光靠水塔來產生壓強是不夠的,還得借助於很多加壓水泵。

頭頂飛壇

大家都知道,一塊小石頭從高處落下,就可能打破頭。那麼一個雜技演員,為什麼能用頭頂住從高處落下的壇子,而不會受到傷害呢?

原來,當我們要接住一個從上麵落下來的物體時,不但要受到物體本身的重力作用,還要承受一個緩衝力的作用。這個衝力的大小不是固定不變的,它跟物體的輕重和衝過來的速度有關,還與我們使它停止的快慢有關。物體重、速度大和停得快,都會使衝力加大。如果我們有辦法使它慢慢地停下來,就能減小這種衝力。

你可以試一下。把一串鑰匙向上拋到3~5米,等它落下來時,把手心攤平不動,任憑鑰匙掉在手上,手心會感到很痛。如果我們密切注視著下落的鑰匙,當鑰匙快掉到手上時,手也順勢向下移動一小段距離,使鑰匙慢慢地停在手中,手心就不感到怎麼痛了。可見,用後一種辦法去接鑰匙,鑰匙對手心的衝力小。我們稱這種作用為緩衝作用。

現在再來看一看雜技演員是怎樣表演頂壇的。

雜技演員表演頂壇時所用的壇子通常不過10多千克,要是把它頂在頭上不動,也不算什麼新鮮事兒,幾乎人人做得到。如果把壇子拋上去,等它落下來再用頭去接,一般人是難以承受的。

如果你仔細觀察,會發現雜技演員在用頭接壇的時候,他並不是站立著不動的,而總是先叉開兩腿立好馬步姿勢,當壇落下剛剛碰到頭頂時,他就立刻隨著壇的下落向下蹲,這就和你用向下移動手的辦法去接鑰匙一樣,頭上受到的衝力就不會很大。如果壇從1米高落下,並使停止運動的時間延長到2秒左右,頭上受到的衝力不過200牛頓。經過長期訓練的人,完全能夠承受這樣大小的力。

可是,一般沒有經過訓練的人,僅懂得了道理,決不能冒冒失去地去試一試,那是很危險的!

泥地難騎車

在軟軟的泥地上騎自行車時,自行車的兩個輪胎就像是漏了氣似的,蹬起來特別費力。這是什麼緣故呢?

想想看,你在雪地裏或是在泥沼地裏走路時,不也是感到很難起步嗎?這是因為腳踏在雪地裏或泥沼地裏的時候,人的體重就壓在腳底那麼大的一塊麵積上,這時候,腳對地麵產生了一個較大的壓力。因為雪或泥沼地的彈性係數和彈性限度都非常小,也就是說,在不太大的壓強的作用下,就會發生較大的形變,而且不能自己恢複原來形狀,所以腳就陷進了軟軟的雪或泥裏了。這樣,當你再想起步時,就不得不把腳抬得比平時走路時高才行。因此就感到比較吃力了。

在泥地裏騎自行車也是這樣,由於車輪對地的壓強,使泥地被壓出一條深溝。這樣,車要前進,首先必須要把自行車的輪子從溝裏抬起來。而且泥地越軟,車輪陷得越深,深溝對車輪前進的阻礙越大,使自行車前進所需要的推力也越大。所有這些因素都要求人對自行車的踏腳施加更大的作用力。因此,在泥地上騎自行車特別費力。

青魚哪去了

從前,曾經發生過這樣一件事:一個商人在荷蘭向漁民買進5000噸青魚,裝上船從荷蘭運往靠近赤道的索馬裏首都摩加迪沙。到了那裏,用彈簧秤一稱,青魚竟一下少了三十多噸。奇怪,到哪裏去了呢?被偷是不可能的,因為輪船沿途並沒有靠過岸。裝卸中的損耗也不可能有這樣大。大家議論紛紛,誰也沒法揭開這一秘密。

直到後來,才真相大白。魚既沒有被偷,也不是裝卸造成的損耗,而是地球自轉和地球引力開的玩笑。

原來,一個物體的重量,就是物體所受的重力,是由地球對物體的吸引所造成的。但地球不停地轉動,會產生一種慣性離心力。因此物體所受重力的大小,等於地心引力和慣性離心力的合力。又因為地球是個稍扁的橢球體,越近赤道,地麵與地心的距離越遠,地心引力也就小一點。所以,物體的實際重力,應當是地心引力減去慣性離心力在垂直方向的分量。5000噸重的青魚,從地球中緯度的荷蘭運到赤道附近的索馬裏,重量必然逐漸減小,難怪過秤時就短少了三十多噸。

如果登山運動員從珠穆朗瑪峰采集到一塊岩石標本,把它送到北京時,它會變得重一點;要是請宇航員把它帶到地球引力所達不到的太空,它又會變得沒有重量了。它們的道理也一樣。但是,不論物體的重量怎樣變化,它們的質量卻是不變的。我們還應注意,物體重量的變化,隻有用彈簧秤才能稱量出來,借用天平或杆秤是看不出來的。

膨脹的餃子

如果你是北方人,你一定喜歡吃餃子,那麼,有幾個關於餃子的問題你回答得出來嗎?

為什麼生餃子剛倒進鍋裏去的時候要沉下去?這是第一個問題。

為什麼餃子煮熟以後會浮起來,並且隻有浮起來的餃子才是煮熟了的?這是第二個問題。

為什麼餃子冷了以後,又要重新沉入鍋底?這是第三個問題。你想想看,怎樣回答?

生餃子倒下鍋以後,它的比重比水大,所以都沉下去了。但是煮熟以後,為什麼又會浮起來呢?

原來,隨著爐子的加熱,鍋中的水和餃子都慢慢地熱起來了。我們知道熱的物體是要膨脹的,餃子也不例外。餃餡和餃皮吸飽了熱水以後,漸漸脹起來,體積自然就增大了許多。這一點,你一定很清楚,熟餃子確是脹得鼓鼓的,比生餃子大得多。餃子的重量並沒有增加,當體積增大以後,單位體積的重量就減小了。等到餃子煮熟,餃餡和餃皮都充分膨脹以後,它的比重就變得比水的比重還小,所以就浮起來了。吃浮起來的餃子,當然不會有夾生的了。

餃子煮熟浮起來以後,當它稍冷的時候為什麼又沉下去了呢?原來膨脹快的東西,也一定收縮得快。當水冷下來以後,餃子又收縮得快。收縮以後的餃子,單位體積的重量又增加了,它的比重又變得比水大了,所以又沉入鍋底了。

南方人愛吃湯團、餛飩,煮湯團、餛飩同煮餃子的情況是一樣的,道理也是一樣的。

請看,就在餃子沉浮這樣一個小事情中,也有這麼多的科學道理。

轉個不停的溜溜球

溜溜球是很有趣的健身玩具。玩溜溜球時,用手抓住繞在溜溜球短軸上的繩子的一端,把球向下扔出去,球隨著纏繞它的繩子一圈圈鬆開,轉了起來。當繩子全部拉直時,溜溜球又會轉上來,並使繩子沿相反方向纏繞在短軸上,直至又回到手上。再次將球扔出去,球又會轉回來,如此往複,樂在其中。

為什麼溜溜球能自動返回手中呢?這裏有個重要的力學知識,就是物體的動能和勢能可以互相轉換。當球在手中時,一邊轉動一邊向下運動,並在重力的作用下,越轉越快;動能不斷增大,同時,溜溜球隨著位置的不斷下降,勢能不斷減小,這時,溜溜球的勢能轉變成了動能。待到溜溜球轉到最低點時,溜溜球的動能最大,勢能最小,這時,溜溜球轉動得最快。到達最低點後,溜溜球又會沿著繩子向上轉,將繩子沿原來的相反方向纏繞在短軸上。隨著溜溜球的上升,它的轉動速度越來越慢,這時,溜溜球的動能又不斷轉換成勢能,直到轉至最高處停止轉動,溜溜球的動能為零,勢能卻是最大。

根據機械能守恒定律,在沒有外力或外力做功等於零時,物體的機械能總和不變。這樣溜溜球應該回到原來的位置上。但是,在溜溜球轉上轉下的運動中,由於空氣的阻力和繩子與短軸之間的摩擦力,會損失掉一部分能量,如果不補充能量,溜溜球將上升回不到原先的高度。所以,在玩溜溜球時要有一定的技巧,不斷地給溜溜球補充一些能量。怎樣補充能量呢?在溜溜球轉到最低點,繩子將要開始向上纏繞的一瞬間,用手將繩子往上提一下,使溜溜球的轉速更快些,增加一點動能。這樣,溜溜球就能上下轉個不停。

貓的驚人本領

貓有一個十分驚人的本領:從高處跌下時,不僅不會摔死,還能穩穩地落地。它的絕技就是空中翻身。你看,貓剛跌下時,還是背脊朝下、四腳朝天,可就在它落地的一刹那,已經變成背向上、腳朝下了,再加上它那雙有著厚厚肉墊的爪子和富有彈性的腰腿,當然就能穩穩地在地麵“安全著陸”了。

早在19世紀末,就有一位物理學家對貓的空中翻身絕技產生了興趣,他通過高速攝影拍下了貓的整個下落過程,發現貓在下落時僅用1/8秒就翻過身來了。我們知道,如果沒有外力作用,原來不轉動的物體是不會轉動的。貓在開始下落時沒有轉動,在下落過程中又不受外力作用,它應該一直保持原來的姿勢著地。那麼,貓是怎樣在空中完成翻身動作的呢?於是,有人把這完全歸功於貓尾巴的功能。認為貓在下落過程中,快速地向一個方向甩動尾巴,由於力學中的角動量守恒原理,貓的身體就會朝另一個方向翻轉。但是,通過計算人們發現,如果貓的空中翻身僅僅依靠尾巴的甩動,那貓的尾巴在1/8秒內至少要轉上幾十圈才行,這豈不是與飛機的螺旋槳一樣了?

於是,一些物理學家又忙碌起來,他們又是攝影又是錄像,並且從理論上提出模型,用電腦進行計算。得出的結論是:貓在落下的過程中,是通過它的脊柱依次向各個方向彎曲來實施轉體。圖中我們可以看到,當雙手握住貓的四肢,將手鬆開時,貓的角動量等於零。貓在下落的過程中,盡管受到重力的作用,由於重力作用在質心上,因此外力矩為零,所以,貓在下落過程中的任一時刻,都要保持角動量等於零。當貓從高處落下時,貓會本能地旋轉身體,這時,貓的尾巴伸展並且朝著相反方向甩動,以保持貓的總角動量為零。由於貓的脊柱比較靈活,它在旋轉身體的時候,還可巧妙地使身體和四肢收縮、伸展,調節整個身體的質量分布,保持角動量為零,以達到轉身的目的。

在體操和跳水比賽中,運動員要在騰空後短短幾秒鍾內,完成各種空翻加轉體的高難度動作。雖然這些動作比貓翻身複雜得多,可道理卻是大同小異。航天員在太空航行時,由於處於失重狀態,身體會飄浮在空中。也必須學習貓空中翻身的絕技,用同樣的辦法來完成前進、後退、轉身等一係列動作。

不沉的滑水運動員

看到滑水運動員在水麵上乘風破浪快速滑行時,你有沒有想過,為什麼滑水運動員站在滑板上不會沉下去呢?

原因就在這塊小小的滑板上。你看,滑水運動員在滑水時,總是身體向後傾斜,雙腳向前用力蹬滑板,使滑板和水麵有一個夾角。當前麵的遊艇通過牽繩拖著運動員時,運動員受到一個水平向前的牽引力。同時,運動員站在滑板上,並用力向前蹬滑板,運動員就通過滑板對水麵施加了一個斜向下的力,而且,遊艇對運動員的牽引力越大,運動員對水麵施加的這個力也越大。因為水不易被壓縮,根據作用力與反作用力的原理,水麵就會通過滑板反過來對運動員產生一個斜向上的反作用力,正是這個反作用力支撐著運動員不會下沉。當然,這個反作用力在水平方向的分力又會成為運動員向前滑行的阻力,但是,遊艇的牽引力可以用來克服這部分阻力。

因此,滑水運動員隻要依靠技巧,控製好腳下滑板的傾斜角度,就能在水麵上快速滑行了。

飛上藍天的風箏

在風和日麗的時候,許多人都喜歡到郊外或公園去放風箏。當五彩繽紛、造型各異的風箏在藍天上翱翔,人與大自然融為了一體,這對放風箏和看風箏的人來說,都是一種美的享受。

那麼,風箏為什麼能飛上藍天呢?如果你留心觀察就會發現,風箏總是迎風而飛,而且風箏的“身體”總是斜向下的,這就是風箏能飛上天的關鍵。首先,風箏總是迎著風飛,風吹在風箏上,就會對風箏產生一個壓力,而且這個壓力垂直於風箏的麵。因為風箏的麵是斜向下,所以迎麵吹來的風對它的壓力是斜向上的。風箏的分量很輕,空氣的這種向上的壓力足以把風箏送上藍天。在風很小的時候,放風箏的人常常牽著風箏線迎風奔跑,或站在原地不斷地拉動風箏線,利用勒線來調整風箏麵向下傾斜的角度,這都是為了增大空氣對風箏的向上壓力,使風箏飛得更高。

風箏有大有小,形狀也是各種各樣的,它的下邊往往還加了一些紙條或穗做成的尾巴。從物理學角度來說,這是為了使風箏的重心向下移,可以提高風箏的平衡性能,使它飛得更加平穩些。

無需方向盤的火車

天空中的飛機,海洋中的輪船,它們轉彎時靠的是舵。陸地上奔馳的汽車、無軌電車,它們轉彎時,靠的是方向盤。但是在鐵軌上高速行駛的火車,既沒有舵,又沒有方向盤,為什麼也能順利地轉彎呢?

我們知道,有軌電車也沒有方向盤,它是循著鐵軌的彎道而轉彎的。看過有軌電車的轉彎,就能幫助我們理解火車轉彎的道理。有時騎自行車的人,一不小心,把輪子嵌在有軌電車的軌道裏,他的輪子就循著軌道前進,再也不聽“駕駛員”的操縱。當失去平衡,車子就倒了下來。這就是軌道能控製車輪的道理。

火車的輪子與其它車輪不同,它的最外麵一圈叫“輪箍”。“輪箍”上有一圈高出部分叫做“輪緣”,火車上車輪的“輪緣”始終是嵌在兩道平行鋼軌內側的。當火車行至彎道時,因離心作用,使彎道外側車輪的輪箍緊貼鋼軌,這時,外側鋼軌給輪緣一種側壓力,即向心力,迫使車輪循著鋼軌行走。我們再仔細地看一看火車的輪箍,就會發現在輪箍與鋼軌的接觸麵上,是有斜度的,靠外側傾斜1/10,內側傾斜1/20;這樣在同一輪子上,就形成了一部分是“大輪”,另一部分是“小輪”。當火車進入彎道時,由於車輪緊靠彎道外側,就形成了“大輪”走彎道外側鋼軌,“小輪”走彎道內側鋼軌。這正象一列橫隊轉彎時,外圈的人步子走得大一點,內圈的人步子走得小一點,就能同時整齊地轉過彎來。正因為火車車輪的“輪箍”有個斜度,所以能使同一車軸的兩隻車輪順利地通過彎道。

在直道上,兩側車輪都正壓在鋼軌上,加上火車的重心低,火車高速運動時,就能使車輪的中心和鋼軌的中心保持一致。

我們再看看火車頭的車輪,為什麼有的做得很大,有的做得很小呢?由於這些輪子的作用不同,大小也就不一樣。最前麵的一對或兩對較小的輪子,叫“導輪”,顧名思義,就是說這一兩對輪子是起引導作用的。中間幾對大輪子,叫“動輪”。後麵較小的輪子,叫“從輪”(也有不用“從輪”的火車)。“導輪”和“從輪”都設有轉向架,它可以不受車架的限製而自由轉向。當機車在直線上運行時,轉向架的中心線與主車架的中心線一致。在彎道上行駛時,因車輪靠向彎道內側,轉向架就帶著中心盤轉向彎道內側,這時轉向架的中心線與車架不在一直線上,就可利用複原裝置將主車架前端導向內側,使機車沿著曲線轉向,待通過彎道後,又利用複原裝置的複原力,使轉向架恢複中心位置。因此火車不論是在直道上或彎道上,都能既快又穩地高速前進。