- 趣味物理學:續篇
- (俄)別萊利曼著 余杰編譯
- 1062字
- 2021-10-29 18:02:06
1.關于天鵝、蝦和梭魚拉車的話題
我們都對“天鵝、蝦和梭魚拉車”的寓言故事非常熟悉,不過假如我們從力學的角度觀察這則寓言,那么,我們得出的結論是不同于作者的。
我們在這里談到的是合成角度不同的作用力的問題。在上面談到的這則寓言中,三種作用力的方向分別是:
天鵝向空中拉,蝦往后面拉,而梭魚則往水里拉。
如圖11所示,向上的力——天鵝的拉力(OA),向側下方的力——梭魚的拉力(OB),向后的力——蝦的拉力(OC)。我們還要記住,在這個例子中,出現了第四個力,那就是重力,它的作用方向是垂直向下的。寓言中聲稱“貨車自始至終都停在原地不動”,也就是說,三種動物施加在貨車上的合力等于零。

圖11 寓言故事中的物理知識
事實真的是這樣嗎?我們不妨來看一下,天鵝向上的拉力不但不會影響到蝦向后的拉力以及梭魚向下方的拉力,甚至減輕了它們的負擔:貨車的重力方向恰好同天鵝施加的拉力方向相反,所以,它減輕甚至將貨車的重量徹底抵消了(事實上,貨車并不是很重),寓言中出現過這樣一句話,“貨車的重量在它們看來,真的非常輕”,所以,車輪與地面以及車軸之間的摩擦就會減輕。為了讓我們的計算不是那么復雜,我們假設天鵝的拉力將貨車的重量徹底抵消了,如此一來,三個力還剩下兩個——蝦的拉力和梭魚的拉力。寓言中描述道:蝦的拉力方向是朝后方的,而梭魚的拉力方向則是朝向水里的。我們不必多說,車的前方肯定不會有河水,它肯定在貨車的某一個側面位置(克雷洛夫寓言中的拉車者不會平白無故將車拉到水里去)。換句話說,蝦和梭魚的拉力之間是存在一定角度的。倘若兩個力并沒有施加在同一條直線上,那么它們的合力肯定比零大。
通過力學法則,我們以OB和OC兩個力為邊畫出一個平行四邊形。它們的作用力之和就是這個平行四邊形的對角線OD。顯而易見,這樣的合力應該能夠讓貨車發生位置上的改變,尤其是在天鵝的拉力將貨車的全部或部分重力抵消時,效果更加明顯。我們還有一個問題,那就是貨車的移動方向是向前、向后,還是向側面呢?它的移動方向完全由這三個作用力之間的關系以及彼此之間形成的角度而定。
我們的讀者中做過力的合成以及分解運算的人應該不難得出結論:車子的重力并不會被天鵝的拉力抵消,車子也不會一動不動地停留在原地。唯一能夠讓車子停在原地的條件就是:車輪與車軸以及路面之間的摩擦力比那幾個作用力之和還要大。但是如果將這個條件跟寓言里談到的“貨車的重量在它們看來,真的非常輕”相比較,我們會發現它們并不相符。
不管怎么說,克雷洛夫所說“車子自始至終都停在原地不動”是不對的。但是,這樣的細節并不會影響我們體會這則寓言的寓意。