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書友吧 5評論第1章 進入神奇的力世界(1)
宇宙是由物質構成的。力使物質聚在一起,產生運動。力是指物體之間的相互作用。一個物體受到力的作用,一定有另一個物體對它施加這種作用,力是不能擺脫物體而獨立存在的。萬有引力(或引力)是最基本的力之一。任何一種物質都有引力,從構成原子的微小粒子到最大的恒星,無一例外。萬有引力是指所有物質都互相吸引著對方的力。
無處不在的力
力是個非常黏人的東西,因為它總是喜歡跟著我們,下面就帶領大家去認識一下這些在我們的生活中無處不在的力。
首先,我們一定要認識這位跟我們時刻不離的力--重力。要知道,我們在任何情況下都一定會受到重力的作用。雖然我們不喜歡它跟著我們,不過我們的生活還真不能離開它。因為只要你想安穩地站在地上,不想在空中飄著,就一定要受到重力的作用。
地球上所有的物體都要受到重力的作用,不止我們人類,其他的生物和物體也同樣要受到它的作用,就連高山、流水和空氣也逃脫不掉。
說到重力,就不得不提起牛頓。一次偶然的機會,牛頓看到了蘋果落地的現象后陷入了思考:為什么蘋果會自己掉到地上來呢?又沒有人上去摘。于是,他就發現了重力的存在,是重力的作用促使蘋果掉到了地上。
重力還有個好朋友,它們也是形影不離的,那就是支持力。也就是說,我們在受到重力的同時,也同樣會受到支持力。那么支持力是誰給我們的呢?是支持我們的物體。如果我們站在桌子上,那么就是桌子給我們支持力;如果我們躺在床上,那就是床給我們支持力;如果我們站在地上,那給我們支持力的就是大地。如果沒有其他的力來湊熱鬧,我們所受到的支持力與我們本身的重力是相等的。其實這也是牛頓說的,即牛頓第三定律:兩個物體之間的作用力和反作用力是大小相等、方向相反、且作用在一條直線上的兩個力。
還有一個力也是很討厭的,那就是摩擦力,這是一種阻礙相對運動的力。當我們騎著自行車向前行走時,摩擦力就找上門了。本來我們可以騎得很快,可就是因為摩擦力在作怪,所以才限制了我們的速度。不過這樣也好,最起碼減少了交通事故的發生率。如果沒有摩擦力,那還不都成了飛車了?摩擦力是兩個互相滑行的物體之間的運動阻力。任何質地的物質表面,或者有起伏的表面,甚至是玻璃上,都會有摩擦力存在,它的表面與沙礫相比,只不過是表面更加光滑而已。物體表面上的起伏對于運動的抵抗效果就如同崎嶇不平的道路對于汽車速度的減慢。摩擦力實際上是由于兩個物體的分子被虛弱地連接在一起,然后又被分開形成的。摩擦力有一個特點,那就是它只喜歡跟著運動的人,而如果我們老老實實地坐在那里,摩擦力是不會找上門兒的。
怎樣讓溜冰鞋一直滑下去
我們穿著溜冰鞋溜冰的時候,有沒有為了躲讓突然從路口沖出來的人或小狗而摔倒過?我們每個人應該都經歷過類似的事情,那么,為什么想拼命停下來的時候,卻怎么也停不下來呢?當公交車正在急速行駛的時候,司機突然緊急剎車,車里的乘客們會怎么樣呢?結果是:他們的身體會向前傾。相反的,如果是司機突然開動公交車的時候,乘客的身體就會向后傾。這個時候,你還可以觀察一下公交車的扶手,你會發現公交車的扶手也會出現同樣的現象。如果公交車突然停下來,扶手就會向前傾;如果公交車突然開動,扶手就會向后傾。也就是說,乘客和扶手的運動方向與公交車的運動方向是完全相反的。
正因為這樣,所以在公交車上我們才會經常聽到"請您、坐穩、扶穩"的廣播提示,在坐公交車的時候爸爸媽媽才會一上車就開始嘮叨,對我們說"坐穩了"、"抓緊扶手"……因為,如果汽車緊急剎車,你的身體就會向前傾,這時你就會失去重心,自然也就很容易摔傷了。
那么,為什么會出現這種現象呢?其實,這是因為物體身上都存在一種慣性,只要不向它施加任何外力,它就會一直保持靜止或者勻速直線運動的狀態。人們把物體這種想要保持原來運動狀態的性質稱為慣性,而慣性定律也被稱為"牛頓第一定律"。
在我們的日常生活中,經常會利用到慣性原理。比如說小狗使勁抖掉身上的雨滴、人們為了撣掉被子上的灰塵而使勁拍打被子……另外,慣性還會在我們跑步的時候把我們絆倒呢。
是慣性原理幫助小狗抖掉了沾在毛上的水珠。小狗在搖動身體的時候,先把身體向右移,然后再猛地向左移,這樣一來由于物體的慣性,沾在狗毛上的水滴會繼續向右運動,最后從小狗身上掉下來。人們在拍打掉被子上的灰塵和螨蟲的時候,同樣也利用了慣性原理。人們用木棒敲打被子時,就向被子施加了外力,被子就會運動起來,然而慣性卻讓灰塵和螨蟲停留在原地,灰塵和螨蟲自然也就落到了地上。
你知道嗎?宇宙飛船在宇宙中飛行,達到一定的飛行速度后,就不再噴射火焰了。雖然沒有火箭的推力,但宇宙飛船卻仍然能以同樣的速度向前飛行。這是因為宇宙中沒有空氣,宇宙飛船和空氣摩擦產生的摩擦力也就消失了,沒有了阻力,所以宇宙飛船就可以一直恒速向前飛行了。
我們可以在下雨的時候做一個小實驗,試著轉動你手中的雨傘。當你轉動雨傘的時候,傘上面的雨珠就會被甩出去,乍一看,這些雨珠似乎是雜亂無章地向四周射出。但如果你仔細觀察的話,你就會發現,雨珠的運動方向和雨傘的中心剛好形成一個直角。這是為什么呢?其實,這也是慣性的魔力,一直在做圓周運動的雨珠在飛離傘的時候擺脫了向心力的控制,慣性就可以輕而易舉地讓它們做直線運動,所以就出現了這種現象。
讀到這里,你是不是已經知道文章開頭提出的問題的答案了呢?就是當你穿著溜冰鞋溜冰的時候,突然有人和小狗沖了出來,你很想停下,可是它卻不聽你的話,怎么也停不下來。
當你穿著溜冰鞋溜冰的時候,慣性也會在你身邊,偶爾推你一下。
所以,在沒有受到外力的作用的時候,物體就會做勻速直線運動。不論是有小狗突然沖出來,還是你前面出現了一個大坑,或者是送比薩的大叔騎著摩托車突然出現在了你的面前,結果都一樣。因為你溜冰的時候,慣性一直都在你身邊。
想要躲開這些突然冒出來的障礙物,你就必須減速或是改變方向。不然的話,慣性就會讓你的身體繼續向前運動。所以,在你溜冰的時候必須戴上安全帽,做好防護措施,還要在相對安全的專用溜冰場地里溜冰,而不是在大街小巷中。
你知道大炮出現以前,世界上最厲害的武器是什么嗎?是投石器。投石器就是利用了彈性和慣性,才會有那么大威力的,才能把巨石投到很遠的地方。也是因為慣性,我們家里用的洗衣機才能把濕衣服甩干,把衣服和水分分離開來。
蘋果為什么不能掉到天上去
假如有一天一個蘋果落到你的頭上,你會是什么反應?
也許你能成為牛頓,也許你只感覺到頭被砸得很疼。
其實,在蘋果掉在牛頓頭上之前,牛頓就一直認為大自然中有一種神秘的力存在,是這種無形的力拉著太陽系中的行星圍繞太陽旋轉。但是,他一直無法驗證這是一種怎樣的力。
直到有一天,當牛頓在花園的蘋果樹下思索,一個蘋果落到他的腳邊時,牛頓終于獲得了頓悟,他的問題也逐漸地被解決了。
傳說1665年的深秋,牛頓坐在自家院中的蘋果樹下苦思著行星繞日運動的原因。這時,一只蘋果恰巧落下來,它落在牛頓的頭上,這是一個發現的瞬間,這次蘋果下落與以往無數次蘋果下落不同,因為它引起了牛頓的注意。牛頓從蘋果落地這一理所當然的現象中找到了蘋果下落的原因--地球引力的作用,這種來自地球的無形的力拉著蘋果下落,正像地球拉著月球,使月球圍繞地球運動一樣。
地球為什么會有引力呢?為什么能夠吸引著周圍的力量呢?解釋這一切,還需要從地球的磁場說起。
地球的磁場主要是南北兩極磁場,來自于地球內部。地球磁場的起因有很多學說,其中最有說服力的,也是最合理的解釋為發電機說。這種學說認為,地球的外核心中融化的鐵、鎳合金可以流動,由此流動而生電流;由于電流的產生,維持物質繼續流動,如此循環,周而不息,維持地球磁場的存在。
對于地球而言,由于地球自轉的因素,兩極引力強,赤道引力最弱,這也是為什么衛星發射中心的緯度都很低的原因,也就是考慮到低緯度的地球引力要更小一些。
同時,我們可以得出一個定理,就是地球引力是連續變化的。兩極引力大,赤道引力小,引力最大的地方在哪里呢?在地球引力除去自轉離心力作用最大的地方,就是兩極的金屬礦上。北極是冰雪覆蓋的一片大海,地表沒有礦藏,所以這個引力最大的位置就是南極查爾斯王子山脈南部的魯克爾山北部的特大磁鐵礦上。
至于地球上哪里引力最弱,從上面推導可以看出,那就是赤道海洋表面。
不僅是地球,萬事萬物同樣都存在著引力。
月亮和地球的距離很近,約等于三十個地球的直徑,盡管月球的質量不算太大,但對于地球而言,同樣具有吸引力。
由于月球引力的作用,地球上的引力最小點的位置隨著月球的潮汐引力而不斷移動著,繞著地球不斷地跑。如果把問題放寬到整個地球,那么引力最弱的地方就在地心,那里的引力沒有了。
怎樣從開動著的車子跳下來不摔倒
這個問題,無論你把它向什么人提出,一定會得到相同的答案:"根據慣性定律,是應該向前跳的。"但是,你不妨請他把這個道理說得更詳細些,問他:慣性對于這個問題究竟起著什么作用?我們可以預言,這位朋友會肯定地滔滔不絕地開始敘述;但是,只要你不去打斷他的話頭,他會很快就自己也迷惑起來了:他的結論竟是,由于慣性的存在,下車時候相反地竟是要向跟車行相反的方向跳的。
真的,事實上,慣性定律在這個問題上只起著次要的作用,主要的原因卻是在另外一點上。假如我們把這主要的原因忘了,那么我們就真會得到這樣的結論:應該是向后跳而不是向前跳了。
假設你一定得在半路上從車子里跳下來,這時候會發生些什么情況呢?
當我們從一輛行駛著的車子上跳下的時候,我們的身體離開了車身,卻仍舊保有車輛的速度(就是要依慣性作用繼續運動)繼續前進。這樣看來,當我們向前跳下的時候,不但沒有消除了這個速度,而且還相反的把這個速度加大了。
單從這一點看,我們從車子上跳下的時候,是完全應該向跟車行相反的方向跳下,而絕對不是向車行的方向跳下。因為,如果向后跳下,跳下的速度跟我們身體由于慣性作用繼續前進的速度方向相反,把慣性速度抵消一部分,我們的身體才可以在比較小的力量作用之下跟地面接觸。
事實上呢,無論什么人,從車上跳下的時候,總是面向前方的,就是向行車的方向跳下的。這樣做也確實是最好的方法,是由不知道多少次的經驗所證明了的;這使我們堅決勸告讀者在下車的時候不要做向后跳躍的嘗試。
那么,究竟是怎么一回事呢?
我們方才那套"理論"跟事實所以有出入,毛病只是出在方才的解釋只說了一半,沒有說完。在跳下車子的時候,無論我們面向車前還是面向車后,一定會感到一種跌倒的威脅,這是因為兩只腳落地之后已經停止了前進,而身體卻仍舊繼續前進的緣故。當你向前方跳下的時候,身體的這個繼續前進的速度,固然要比向后跳下的更大,但是,向前跳下還是要比向后跳下安全得多。因為向前跳下的時候,我們會依習慣的動作把一只腳提放到前方(如果車子速度很高,還可以連續向前奔跑幾步),這樣就會防止向前的跌倒。這個動作我們是非常習慣的,因為我們平時在步行的時候都在不斷地這樣做著:在上文中,我們就已經說過,從力學的觀點上說,步行實際上就是一連串的向前傾跌,只是用一只腳踏出一步的方法阻止著真正跌倒下去。假如向后傾跌,那么就不能夠用踏出一步的方法來阻止跌倒,因此真正跌倒的危險就大了許多。最后,還有一點也很重要:即使我們真的向前跌倒了,那么,因為我們可以把兩只手撐住地面,跌傷的程度也要比向后仰跌輕得多。
所以,在下車的時候向前跳躍比較安全,它的原因與其說是受到慣性的作用,不如說是受到我們自己本身的作用。自然,對于不是活的物體,這個規則是不適用的:一只瓶子,如果從車上向前拋出去,落地的時候一定要比向后拋出去更容易跌碎。因此,假如你有必要在半路上從車上跳下,而且還要先把你的行李也丟下去,應該先把你的行李向后面丟出去,然后自己向前方跳下。但最好自然是不要在半路上跳車。
有經驗的人--例如電車上的售票員和查票員--時常這樣跳:面向著車行的方向向后跳下。這樣做可以得到兩重便利:一來減少了由于慣性給我們身體的速度,另外又避免了仰跌的危險,因為跳車的人的身體是向著車行的方向的。
你知道你的重心在哪里嗎
有的人活了一輩子也不知道身體的重心在哪里。只要能站穩走好,管它重心在哪里。
但是在體育運動中,了解自己的重心、控制重心就是-件十分重要的事。優秀的運動員和普通人的一個重要區別就是他能更好地控制自己的重心。
人的重心到底在哪里,這個問題不是一下子能解決的。因為重心很"不安分",隨時隨地都在變換著它的位置。站立的時候,重心在你的腰部,但是當你舉一下胳膊或抬一下腿的時候重心就變了。向前或向后彎腰時,重心還會跑到身體的外面,所以,重心的"不安分"是來自你本身。
用實驗的方法可以方便地了解身體重心的變化,你可以用硬紙片做一個人體模型,這個人體模型是由頭、上身、下身和四肢組成的,人體模型的各個關節可以用按扣連接,能夠轉動做出不同的姿式。體育教練也常用類似的方法來研究人體的重心。
測量物體的重心的方法很簡單:用繩把模型吊起來,順著繩子的方位向下畫一條線;然后再換一個地方吊起,再畫一條線,兩條線的交點就是模型的重心。如果畫的兩根線在模型上不相交,就要延長,交點會在模型的外面。這時重心就在體外。知道了這種方法,你就可測出人體的各種姿勢的重心位置。用人體模型模仿運動員做后橋的動作,你會發現,運動員的重心竟在體外。