有趣的物理/别莱利曼趣味科普经典丛书

**章 致年轻的物理学家们 护窗板被关上了，所以当伊万·伊万诺维奇走进房间的时候，他看到的是一片漆黑。而光线透过护窗板上的小洞射进来，显得光彩夺目，绚烂多彩。阳光照到对面的墙上，勾勒出一幅美丽的图画，我们可以在图画上看到铺着芦苇的屋顶、树木和晾在院子里的衣服，只不过这一切都是倒过来的。 比哥伦布还厉害 “哥伦布是一个伟大的人，”一个小学生在作文里这么写道，“他不仅发现了新大陆，并且还把鸡蛋竖了起来。”这个年幼的小学生认为，这两项成就非常令人惊叹。但是，美国幽默作家马克·吐温却认为，哥伦布发现美洲没什么可大惊小怪的：“要是他没发现美洲，那才稀罕呢。” 可我却认为，这位伟大航海家的第二项成就并没有什么特别。你知道哥伦布用什么方法把鸡蛋竖起来的吗？他只是把鸡蛋放在桌上，敲破了蛋壳的底部。这样一来，鸡蛋的形状当然就改变了。那么，怎样才能不改变鸡蛋的形状同时把它竖起来呢？这位伟大的航海家*终也没有解决这个问题。 其实，解决这个问题比发现新大陆，甚至比发现一个弹丸小岛都要简单得多。下面有三种方法：**种方法可以把熟鸡蛋竖起来，第二种方法可以把生鸡蛋竖起来，第三种方法可以把生、熟鸡蛋都竖起来。 要把熟鸡蛋竖起来，只要用一只手的手指或者用两个手掌把鸡蛋转起来，就像转陀螺一样，鸡蛋就可以竖着旋转，直到旋转结束之前，鸡蛋都会一直是直立的状态。试过几次之后，这个方法做起来一点儿也不难。 但是用这个方法竖生鸡蛋就不容易了，因为——你或许已经发现——我们很难把生鸡蛋转起来。值得一提的是，这是区别生鸡蛋和熟鸡蛋的好办法。生鸡蛋里面的液体状物质不会随着蛋壳一起快速地旋转，而就像是要阻碍旋转一样。因此就必须用别的办法把生鸡蛋竖起来。 方法的确有：只要用力地摇晃生鸡蛋几次，蛋黄表面的薄膜就会裂开，蛋黄就会从里面流出来；接着把鸡蛋大头朝下竖立一段时间，慢慢地，蛋黄——因为比蛋清重——就会流到鸡蛋底部汇聚起来。于是，鸡蛋的重心就变低了，它比没有摇晃过的鸡蛋有更大的稳定性。 还有第三种方法可以竖起鸡蛋：把鸡蛋放在一个塞住的瓶口上，然后把一个两侧各插着一把叉子的软木塞放在鸡蛋上（图1）。这个“系统”（以物理学家的说法）是非常稳定的，即便是小心地倾斜瓶子，它也能一直保持平衡。为什么软木塞和鸡蛋不掉下来呢？这跟在铅笔上插上一把小刀，然后把它垂直竖在手指上，铅笔不会掉是一个道理（图2）。 科学家可能会这样解释：“因为系统重心低于支持点。”这句话的意思是，“系统”重量集中的那个点，比它架住并接触的那个地方要低。 离心力 把一把雨伞撑开，伞顶向下立在地上，然后旋转雨伞，同时在里面扔一个小球、纸团或者手帕——总之只要是重量轻、不易碎的东西都可以。这时一定会发生你想象不到的事。雨伞好像是不愿意接受礼物：小球、纸团或者手帕一直向上滚到雨伞的边上，并且会从那儿沿着直线飞出去。 在上面的实验中把小球抛出去的力，通常称为“离心力”，虽然更准确的说法应该叫作“惯性离心力”。只要物体在做圆周运动，就会产生离心力。这其实就是惯性——运动着的物体保持运动方向和运动速度的倾向——的一种表现形式。 实际上，我们遇到离心力的情况远比我们知道得多。如果你把系在绳子上的石头甩起来，你会感觉到在离心力的作用下绳子会绷得很紧，并且可能会断掉（图3）。古时候用来抛石头的武器——投石器——就是利用这样的原理。如果磨盘转得过快或者不够牢固，离心力会把它弄碎。如果做得好，离心力还可以帮你变戏法：杯底朝上，杯子里的水却不会漏出来。想变这个戏法只要快速地转动杯子，让它做圆周运动就行了。离心力还能帮助马戏团的自行车手完成令人头晕目眩的“超级筋斗”（图3）。所谓的离析器也是利用离心力从牛奶中把凝乳分离出来；离心分离机则是利用离心力从蜂房中把蜂蜜抽取出来；特制离心脱水装置可以利用离心力把衣服甩干；等等。 图3 如果有轨电车的行驶线路突然发生改变，比如从一条街道转向另一条街道，乘客就会明显地感觉到离心力把自己推向车厢靠外的一侧。如果外侧的车轨没有按规定比内侧车轨铺得略高一些，在电车行驶得太快的情况下，整个车厢就可能在离心力的作用下翻倒。因此，在按规定铺设的车轨上，车厢在转弯的地方会稍稍向内倾斜。这听起来让人觉得很奇怪：倾斜的车厢竟然比水平的车厢稳定！ 不过事实就是如此。一个小实验就能帮助你弄清楚原因。把一张硬纸板卷成一个宽口的喇叭，如果能在家里找到圆锥形侧壁的小碗就更好了。*好是圆锥形的铁皮罩或者玻璃罩——灯罩就可以。准备以上任何一种物品都可以，在里面放上戒指、小金属片或者硬币，让它们沿着器皿做圆周运动，就可以清楚地看到这些小物品向内侧倾斜。如果硬币或者戒指的速度变慢，它们就会慢慢向器皿的中心靠近，圆周会随之变小。不过只要稍稍转动器皿就可以让硬币重新转快——此时硬币会离开器皿中心，圆周也会慢慢变大。要是硬币转得太快，很可能就会完全滑出器皿。 为了进行自行车比赛，赛车场里设有特别的环形赛道。可以看到，这些赛道——尤其是需要急转弯的地方——都十分明显地向内倾斜。自行车在上面骑行时都严重的倾斜——就像实验中器皿里的硬币——但是它们不仅不翻倒，相反，在这种状态下它们才能变得特别稳定。马戏团的自行车手可以绕骑在剧烈倾斜的木板上，观众们对此十分惊奇。现在你明白了，这其实没什么困难的。相反，对于自行车手来说，要沿着平稳、水平的道路还要骑得快才是件难事呢。同样的道理，赛马手也会在急转弯的地方向内侧倾斜。 现在我们要从这些生活中的小现象开始思考大一点的问题。我们居住的地球也是一个在转动的物体，那么它应该也受到了离心力的作用。这个离心力在什么地方能体现出来呢？答案是，由于地球的自转，地表的所有物体都变轻了。越靠近赤道的物体，在24小时内形成的圆周就越大——这也就是说，它们旋转的速度更快，因此减少的重量也就越多。如果把1千克的砝码从地球两极拿到赤道用弹簧秤重新测量，就会发现重量减轻了5克。虽然这个差别不算大，不过物体的重量越大，它减少的重量也会越多。从阿尔汉格尔斯克到敖德萨的蒸汽机车，会减轻60千克——相当于一个成年人的体重。2万吨的战列舰从白海到达黑海后，会损失恰好80吨。这和一辆蒸汽机车的重量一样！ 为什么会出现这种状况？因为地球在旋转时，会倾向于把地球表面的所有物体都抛出去，就像我们的实验中雨伞会把伞内的小球抛出去一样。地球本可以把这些物体都抛出去，但是这些物体又受到了地球引力的作用，我们把这种引力称为“重力”。虽然地球没能把物体抛出去，但是减少它们的重量却没问题。这就是为什么物体会因为地球的自转运动而变轻。 旋转得越快，减轻的重量就会越明显。科学家们经过计算发现，如果地球改变转动速度，以目前速度的17倍运动，则赤道上的物体就会彻底失去重量。如果转得速度再快些，比如每小时自转一周，那么不光是赤道上，赤道附近的所有国家以及海洋上的物体的重量都会消失。 想一想如果是这样会发生什么吧：物体没有了重量！这也就意味着没有你举不起来的东西了，比如蒸汽机车、大石块、巨型炮、整个军舰，甚至所有的汽车、武器，举起它们就像拿起一根羽毛。就算你让它们掉了下来，也没事，谁也不会被压死。实际上它们根本就不会掉下来，因为它们没有重量！在哪儿松开它们，它们就会飘在哪儿。如果你在空中气球里，想把里面的东西扔出去，它们也不会掉下去，只会在空中悬浮着。世界变得多么有趣啊！你能够跳到前所未有的高度，做梦都想象不到的高度：比*高的建筑和山峰都要高。但是有一点别忘了：往上跳是很容易，只是想回到地面就没办法了。因为那时没有了重量，你自己是没办法往下面掉落的。 这样也还会有其他的麻烦。想象一下：所有的物体，无论是大的还是小的，如果没有被固定住，那么一点点的微风就会把它们吹起来飘浮在空中。人类、动物、汽车、运货车、轮船，所有的东西都会在空中乱七八糟地飘荡，相互碰撞，甚至造成损坏。 这就是如果地球运转得太快会导致的结果。 10个陀螺 你可以在下面的插图里看到用10种方法做成的不一样的陀螺。它们可以帮助你完成一系列有趣的实验。制作这些陀螺很容易，你可以自己动手完成，不需要别人的帮忙，也不用花钱。 让我们看看应该怎么做吧。 （1）如果你可以找到一个有5个小眼的纽扣，接下来做一个陀螺就非常容易了。从中间的小眼——实际上也只有这个小眼有用——插进一个一头削尖的火柴，就可以做成一个陀螺了（图4）。这个陀螺不仅能用削尖的一头转，也能用钝头转。像平常那样做就可以：让钝头朝下，捏紧转轴，接着再快速地把陀螺甩到桌子上，陀螺就会转起来，并且还会有趣地摇来晃去。 （2）不用有眼的纽扣也能够制作陀螺，比如软木塞。在软木塞上切下一个圆片，从中间穿过去一根火柴，陀螺就做好了（图5）。更好的办法是找一个又平又大的软木塞（或者瓶子上的塑料盖）。用烧红的铁丝或毛衣针在软木塞转轴的位置烫一个洞，插上火柴就做好了。这种陀螺转的时间又长又平稳。 （3）图6是一个独特的陀螺——核桃陀螺。它可以尖头朝下进行旋转。要把一个核桃制作成陀螺，需要在核桃的钝头插上一根火柴，捏住火柴就能把它转起来。 （4）下面介绍一种特别的制作方法：拿一个装面霜的小圆盒，把一根削尖的火柴从盒子中间穿过去。为了把火柴固定圆盒上，需要在小洞里倒上一点蜡油（图7）。 （5）下面你会看到一个十分有趣的陀螺。用一张硬纸剪一个小圆片，在它的边沿系上带吊钩（活扣）的圆扣。转动陀螺时，纽扣会随着圆纸片的半径被甩起来，短线会绷紧，这就是前文提到过的离心力在发挥作用（图8）。 （6）下面的方法与刚才的类似（图9）。用大头针穿上彩色的小圆珠，再插到从软木塞上切下的圆片四周。转动陀螺的时候，在离心力的作用下，圆珠便会被甩向大头针帽的方向。假如光线好的话，大头针会变成连续的银白色光带，小圆珠则会形成一条彩色的花边围绕在光带上。如果想欣赏到更美妙的陀螺，把陀螺放在光滑的盘子上就能有更好的效果。 （7）彩色陀螺（图10）。制作这种陀螺有些麻烦，但是我们的劳动却能得到令人惊奇的效果。在一张硬纸板上剪下一个小圆片，把一根削尖的火柴从中间插进去，然后用两片软木塞圆片上下把纸片压紧。现在，在硬纸片上通过圆心画半径，就像分蛋糕一样，把圆平均分为几等分。接着在各个部分——数学家会把它们称为“扇形”——涂上黄蓝相间的颜色。当陀螺旋转起来的时候，你会发现什么？圆片的颜色既不是蓝色，也不是黄色，而是绿色。黄色和蓝色经过融合形成了新的颜色——绿色。 （8）接着进行类似的实验。在一张圆纸片上涂上天蓝色和橙黄色相间的颜色。这时候，纸片在旋转时表现出的既不是蓝色也不是黄色，而是白色（更准确地说，是浅灰色，并且涂的颜色越纯正，呈现的灰色就越浅）。在物理学上，如果两种颜色混合后变成白色，我们就称这两种颜色为“互补色”。这个陀螺实验告诉我们，天蓝色和橙黄色是互补色。 如果可以找到足够的颜色，你就可以完成一个300年前由著名的英国科学家牛顿*早完成的实验。实验如下：在圆纸片的扇形部分涂上彩虹的七种颜色，也就是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。旋转的时候，这七种颜色会融合成灰白色。这个实验证明，任何一缕看似是白色的太阳光都是由许多不同颜色的光线汇聚而成的。 还可以对彩色陀螺做出一些变化：当陀螺旋转时，在上面套上一个纸圈，这时候纸片的颜色又会马上发生变化（图11）。 （9）会画画的陀螺（图12）。制作这个陀螺的方法和上面的方法一样，只是不是用削尖的火柴或者小棒做转轴，而是用削尖了的软铅笔。在略微倾斜的硬纸板上旋转做好的陀螺。陀螺旋转的时候会慢慢沿着倾斜的纸板向下，同时铅笔就会在纸板上画出螺旋形的线条。很容易就可以数出螺纹的圈数，这样的话，因为陀螺旋转一圈，铅笔就会画出一圈螺纹，于是就能够利用手表计算陀螺每秒钟的转速了。只是用眼睛没办法数清楚陀螺转了几圈。 下面制作另一种能画画的陀螺。做这种陀螺需要一块圆形的铅片。在中间扎出一个小孔（铅很软，容易穿孔），接着在孔的两旁再各钻一个小孔。 把一根削尖的小棒插入中间的孔，在旁边的一个小孔穿进一段细线或者一根毛发，让线或毛发的下部稍微长过转轴梢，接着再用折断的火柴棍固定住。第三个孔虽然没有用，但是我们穿这个孔可以让铅片转轴两边的重量保持平衡，否则，重量失衡的陀螺就不能平稳地转动了。 现在，会画画的陀螺就完成了。但是我们还需要一个被熏黑的盘子才能继续完成实验。把（木柴或者蜡烛燃烧的）火焰放在盘子下面烧一会儿，直到在盘子的表面形成一层浓黑的烟迹，接着把陀螺放到熏黑的盘子上。陀螺在旋转时，线头的末端就会在烟迹上画出白色的花纹，尽管杂乱，不过还是非常好看的（图13）。 （10）还剩*后一种陀螺就全部完成了，它就是旋转木马陀螺。实际上，这种陀螺做起来比看上去要简单得多。这里需要的圆片和转轴和我们前面制作彩色陀螺所使用的是一样的。用大头针在圆片上对称地插上小旗，接着再贴上坐着马的小骑士。这样，一个迷你旋转木马就做好了（图14）。 图14 碰撞游戏 不管是两艘船，还是两辆有轨电车，或者是两个槌球撞在一起，无论它们是一场意外事故还是游戏，物理学家把这类事件都称为“碰撞”。虽然碰撞发生的时间只有一瞬间，但是，如果碰撞的物体具有弹性——这种情况经常发生，那么，会有非常复杂的事情在这一瞬间发生。物理学家把弹性碰撞分成三个阶段。**阶段，相撞的两个物体在接触的地方相互挤压。第二阶段，相互挤压达到*大限度。此时，由于弹力要平衡挤压的力，所以挤压产生的弹力会阻碍挤压的进一步发展。第三阶段，由于弹力试图恢复物体在**阶段被改变了的形状，因此把物体推向相反的方向。这时，撞击的物体反倒像是被撞了一下。我们可以观察到这样的现象：如果让一个槌球撞向另一个与它重量相等的静止的槌球，由于反冲力的作用，那么这个撞过来的球会停止在被撞的那个球原来的位置上，而之前静止的那个球则会以**个球撞来的速度被打飞。 还有一个有趣的实验：如果把一个槌球打向一串排成直线并且互相紧挨着的槌球上，会发生什么呢？**个球受到的撞击好像可以经过整串球被传递过去，但是所有的球仍然静止不动，只有离撞击点*远的也就是*后一个球快速地飞了出去，因为它没法把冲击力传给其他的球，反而受到了反冲力的影响。 除了可以用槌球做这个实验外，跳棋或者硬币也能够很好地进行实验。先把跳棋摆成一排，只要让它们互相紧挨着，可以摆得很长。用手指按住**个棋子，拿木尺敲打它的侧面，这时你会看到，另一头的棋子会飞出去，而中间的棋子依然静止不动（图15）。 杯子里的鸡蛋 杂技演员可以把桌子上的台布抽出来，同时保持桌子上的所有东西——盘子、杯子、瓶子——原封不动，观众对这个把戏惊叹不已。这其实并没有那么神奇，但是这也不是骗术，只要你手脚灵活同样可以做到，并且熟能生巧。 当然，你不太可能练到同样纯熟的手艺。但是做一个相似的小实验倒很容易。在桌子上放一个杯子，里面盛上半杯水，再准备一张明信片（*好是半张）。接着向长辈们要一个大的（男式）戒指，还有一个煮熟了的鸡蛋。然后把这四样东西如下摆放：用卡片把水杯盖住，在卡片上放上戒指，然后把鸡蛋竖在戒指上。能不能把卡片抽出来同时不让鸡蛋滚落到桌子上呢？（图16） 图16 乍看起来，这和不让桌子上的盆和碗掉下去同时抽出桌布一样困难。实际上，只要用手指轻轻地在卡片边上弹一下，你就可以出成功地完成这个奇妙的实验。卡片会被弹出去飞到另一边，而鸡蛋和戒指却可以完好无损地掉落在水杯里。水减弱了鸡蛋的冲击力，可以保持蛋壳的完整。 做熟练这个实验以后，你还可以尝试一下用生鸡蛋来做。 这个实验的奥秘在于，卡片被弹出去的时间很短，鸡蛋还没有来得及从被弹出去的卡片那里获得任何速度，直接受到冲击力的卡片就已经飞了出去。而鸡蛋失去了下面的支撑，就直接落在了杯子里。 如果你没办法马上做成功这个实验，可以先练习做一些稍微容易点儿的类似的实验。把明信片（*好是半张）放在手掌上，然后在上面放上一枚重一点的硬币。接着把明信片从硬币下弹出去，这时候，纸片飞出去后硬币还会留在手里。如果把明信片换成交通卡，实验会变得更加好做。 不可能的断裂 我们总是能在舞台上看到一些看起来很神奇，可是实际上原理很简单的魔术。把一根长长的木棍挂在两个纸环上，如图17所示，用纸环把木棍的两端套住，再把两个纸环分别搭在剃刀的刀刃和烟斗上。当魔术师用另一根棍子在棍子上用力地打一下，大家可以猜一下，会发生什么呢？那根挂在纸环上的木棍断了，而那两个纸环却毫发无损。 其实，这个实验和上面那个实验的原理是一样的。因为冲击力的速度非常快，使得它在木棍上所能够产生作用的时间变得非常短，所以，在纸环和木棍的两端，根本没有时间发生任何的运动。只有那部分受到了直接冲击的木棍产生了运动，这也就是木棍被折断的原因。足够迅速和足够猛烈的速度，是这个实验的关键所在。如果击打木棍的时候缓慢而又无力，那么，扯断的只会是纸环，而不会是木棍。 如果我们的魔术师技艺足够高超，他还能够在不损坏玻璃杯的情况下，打断夹在两个玻璃杯杯口的木棍。 跟大家说这些的目的，当然不是让大家去表演类似的魔术，不过可以尝试一些比较简单的实验。可以把两支铅笔放在一张矮桌子或者是凳子的边上，并让铅笔有一小部分超出桌子的边缘，然后把一根细长的木棍放在铅笔超出桌子的部位上。再找一根尺子，用它的边棱在木棍的中间迅速用力打一下，木棍被打断了，可是铅笔却在原位上不动（图18）。 现在大家应该能够搞清楚，为什么用手掌没有办法把核桃压碎，但是却能够用拳头使劲一击把它敲碎了。因为虽然说手掌有足够大的力量，但它的力道是均匀的，而拳头的冲击力除了分散到了手的柔软的部分以外，它肌肉的部分像坚硬的物体一般把核桃的反冲力给抵挡回去了，所以，核桃也就被敲碎了。 同样的原理还可以解释为什么子弹打在玻璃上留下的是一个小圆洞，而用手把石子往玻璃上扔，却能够击碎整块玻璃。 *后，再举一个用树条把树干抽断的例子。如果抽打的时候，速度不够快，那么不管怎么用力，都是不能把树干抽断的，结果甚至会反过来。可是，如果速度相当快，除非树干非常粗，否则的话，也是可以把树干抽断的。这个例子的原理和前面是一样的。快速运动的树条的冲击力还没有被分散到整个树干上，只是在树干和树条接触的那一小部分地方集中，结果就是，把树干抽断了。 模拟“潜水艇” 鸡蛋如果新鲜的话，在水里是会沉下去的。这个现象是每一个有经验的家庭主妇都知道的。 事实上，主妇们也是用这个简单的方法来判断鸡蛋是否新鲜：如果新鲜，就会下沉，而如果不新鲜，就会浮着。物理学家对这个现象是这样解释的：同体积的纯净水的重量要小于新鲜的鸡蛋的重量。需要提醒大家的是，水必须是纯净的才行，因为如果水不是纯净的，如盐水，那么，鸡蛋的重量就会小于水的重量，鸡蛋就不会下沉。 准备好一杯浓度足够大的盐水，使得鸡蛋在水中排开的盐水的重量大于鸡蛋的重量，这样的话，从古希腊的阿基米德发现的浮力原理我们可以知道：就算是*新鲜的鸡蛋，也不会沉下去。 现在让我们好好想一下，如何能够让鸡蛋不沉下去，也不浮在水面上，而是好像在水里悬浮着一样。鸡蛋的这种状态，也就是物理学家所说的“悬浮”状态。为了做这个实验，你需要准备的是一杯浓度使得在水中的鸡蛋排开的水的重量和鸡蛋的重量刚好相等的盐水。要调好盐水的浓度，唯一的方法就是多试几次：如果鸡蛋沉下去了，就往盐水里加浓度更高的盐水；如果鸡蛋在水面上了，就往盐水里加清水。如此反复试过几次之后，你才能得到浓度刚好的盐水，这种情况下，在水里的鸡蛋，既不会沉下去，也不会在水面上，不管它是处在水里的哪个位置，它都会在水里保持一个静止的状态（图19）。