了不起的物理

潜水艇是怎样做到上浮和下潜的？ 潜水艇有压载水舱，向压载水舱注水之后，潜水艇的重量就增大了，这时它的重力大于水给它的浮力，潜水艇逐渐下潜。当潜水艇上浮的时候，高压空气渐渐把压载水舱中的水挤出去，使压载水舱重新充满空气，这时它的重力小于水给它的浮力，潜水艇就会上浮。 因此，潜水艇的上浮和下潜都是通过改变自身的重力来实现的。我国自主设计研制的深海载人潜水器“蛟龙”号利用的就是这个原理，它在无动力的条件下自主下潜与上浮。在下潜试验前它会搭载合适重量的压载铁，进入海水后开始下潜。到达作业深度时，“蛟龙”号会抛掉部分压载铁，使重力和浮力平衡，进行勘探。完成任务后，“蛟龙”号再次抛掉压载铁，浮力大于重力，使它上升。 为什么水不会流进潜水钟里面去？ 潜水钟是一种无动力潜水装置，早期的潜水钟开口在下，外形与钟相似，故此得名。现代的潜水钟是全封闭结构，船只运载潜水钟到达预定地点后，将其悬吊下沉到海底，潜水员的头盔连接导管，由管子将空气从海面上送进来。 我们可以做一个小实验来模拟潜水钟，把一个玻璃杯倒过来，扣在水底，用手压住杯子。这时，我们会发现，玻璃杯里几乎没有水进去。这是因为杯子里有空气，阻止了水进入。 我们也可以用玻璃漏斗来做这个实验，方法是把漏斗倒过来扣到水里，并用手指堵住上面的漏口，此时水也不会流到漏斗里。但是，如果我们把手指移开，由于空气流通，盆里的水就会立刻灌到漏斗里去，直到漏斗内外的水面相平为止。由此可见，空气并非是“不存在的”，它真实地存在于空间中，如果没有其他地方“藏身”，它就会待在自己的地盘上，所以水不会流进潜水钟里去。 为什么纸片能够承受住水的重量？ 一张纸片压在装满水的杯口上，慢慢地将杯子倒过来，水并不会流出，是什么原因造成的呢？ 这是因为有气压，气压是指作用在单位面积上的大气压力。气压的力量十分惊人，我们在杯子里装满水，那么杯子里的空气比外面的稀薄很多。杯子里的空气密度比外面的空气密度小得多，所以产生的压力也比外面的小得多。而空气从纸片下面给纸片的压力可大多了，我们甚至可以把这样的玻璃杯从一个地方端到另一个地方，哪怕幅度大一些，水也不会流出来。如果你把这样一杯水端给别人喝，他肯定会觉得非常惊奇。 两艘平行行驶的轮船为什么会相撞？ 1912年秋天，“奥林匹克”号海轮发生了这样一起事故，它正在大洋上航行时，距离它只有几百米的“豪克”号小船，好像被一股看不见的力量牵引着笔直开了过来。*终，两艘船不可避免地撞在了一起。 这是因为在大海上，轮船之间会相互吸引。这可以用伯努利定理来解释，当两艘船平行航行时，一条水道就形成了。在一般的水道里，是水在动，沟壁不动的。而在航行时，是水不动，沟壁在动。在这种情况下，外侧的水的压力会使两艘船相向而行，并且质量小的船移动的幅度更大，这就是大船快速驶过时会出现特别大的引力的原因。 为什么船在航行时，船头部分会出现向外散开的波浪？ 液体在一定粗细的管子里流动时，只要流动速度达到某个特定的值，也就是临界速度，液体就会发生涡流现象。露天的河床以及海平面上海水的运动形式也是涡流前进的，如果用测量仪器精确测量河里的水流，可以发现河水在做涡流运动。如果物体被水淹没，物体的表面就会形成涡旋状，所以轮船在航行中，船头部分的平静水面上就会出现向外散开的波浪。 为什么降落伞可以救人性命？ 我们看到降落伞的伞面非常大，它所承受的负荷也非常大。没有风时，它会慢慢降落；有风时，它就会落到远处去。 为什么降落伞可以飞起来呢？这正是由于空气的存在，阻碍了降落伞的掉落。要是没有伞面的话，人就会以非常快的速度掉到地上。也就是说，伞面加大了负荷物的受力表面积，但是又没有增加重量。用比较大的伞面增加自由落体下降时的阻力，伞面的表面积越大，空气阻力就会表现得越明显。降落伞减小了下降时的速度，使下降到地面的速度达到人体能够承受的速度，这就能使从高空落下的人存活。 为什么冬天经常有水管冻裂的现象？ 在冬天，如果我们灌满一瓶水放到室外，会得到满满一瓶冰吗？如果我们真的这么做，就会发现，我们得到的并不是一瓶冰，或者说，不是一瓶完整的冰。冰是有了，但瓶子却被冰撑破了。 这是为什么呢？ 因为水的密度比冰大，同等质量下，密度变小，体积会变大，产生的作用力非常大。如果包裹冰的金属不够坚固，冰甚至可以让金属断开。有人曾经做过类似的实验，水结冰后可以撑破一个5厘米厚的铁瓶。所以在冬天经常有水管冻裂的现象，就是这个原因造成的。这也可以解释冰会浮在水的上面，因为冰比水轻。如果水结冰后体积变小，冰就会沉下去，而不是浮在水面。 为什么热气球爱好者可以乘坐热气球在空中飞行？ 在任何热的物体旁边，都会有一股向上运动的热气流。像其他的物体一样，空气被加热后，体积也会膨胀。也就是说，当热气球被加热后，它内部的空气密度会变小，也就是空气变轻了。而热气球外部的空气比较冷，也就是空气的密度比较大、比较重。相同体积的热空气比冷空气轻，所以冷空气就会把热空气往上面挤，并占据热空气的位置，这样就产生了浮力。 热气球还可以通过改变燃烧的间隔时间，调整球囊温度，来控制热气球的上升和下降。把球囊内的空气加热后，就会有很多热空气从球囊内排出去。此时，气球变轻，重力小于浮力，气球逐渐上升。停止加热球囊内的空气后，冷空气又进入球囊。此时，气球的重力增加，重力大于浮力，热气球就会下降。 为什么冰刀可以在冰面上滑行？ 当压力足够大的时候，冰块会融化，只不过由于温度低于0℃，融化的冰又会迅速地凝结。正是由于这个原因，人们可以在冰上滑冰。当滑冰者利用自身的体重压在冰刀上的时候，冰刀下的冰受到压力作用就会融化。于是，冰刀就滑行了起来。当冰刀滑到下一个地方，冰还会融化，冰刀会继续滑下去。滑冰者所到之处，冰刀所接触的薄冰层就会融化成水。但是，一旦冰刀滑过去，刚刚融化的水又会结成冰。所以，虽然严寒的时候冰是干的，但在冰刀的作用下却能融化成水，并起到了润滑的作用，使冰刀向前滑行。 为什么下雨时先看到闪电再听到雷声？ 声音和光的传播速度是不一样的，声音的传播速度是340米/秒，光的传播速度是3×108米/秒，因此光在空气中的传播速度要快得多，大概是声音的100万倍。声音的传播速度比光慢，所以它从声源传到你的耳朵需要一定的时间，而光几乎一瞬间就能到达你的眼睛里。下雨时，当雷声还在向耳朵传播的时候，闪电已经进入你的眼睛里。这时你就会误以为闪电出现的实际时间比雷声早。 为什么有时候漏斗中的液体漏不下去？ 当我们用漏斗把液体灌到瓶子里的时候，要时不时把漏斗拿起来一下，否则，液体就可能漏不下去了。这是为什么呢？原来，瓶子里有空气，如果不把空气排出来，就会对漏斗里面的液体产生压力，导致液体漏不下去。当液体流进瓶子里后，瓶子里面的空气会在液体的压力下收缩。但是，如果空气被压缩到一定程度，会产生一个很大的压力，这个压力大到足够把液体挡在漏斗里，不让液体向下流。因此，我们要时不时把漏斗拿起来一下，以便让瓶子里的空气排出来。这样，漏斗里的液体才会继续流下去。 摆钟走慢了该如何调整？ 摆钟是一种时钟，是由荷兰物理学家克里斯·惠更斯在1656年发明的。现在我们在博物馆或名人故居经常可以看到它的身影。如果摆钟走慢了，如何调整钟摆，才能使它正常呢？反过来，如果摆钟走快了又该如何调整呢？ 对于带钟摆的摆钟来说，钟摆越短，摆动的速度越快。这一点，我们可以用系重物的绳子来验证一下。根据这一原理，很容易就可以得出上面问题的解决方法。如果摆钟走慢了，稍微缩短一下钟摆的长度，摆钟就正常了；如果摆钟走快了，就反过来，增加钟摆的长度。 在体重秤上向下蹲的瞬间，体重秤是向上运动还是向下运动？ 向上运动。 人在体重秤上受到向上的支持力和向下的重力。当我们蹲下时，肌肉会把我们的身体向下拉，同时，它也会向上拉我们的双脚。下蹲的瞬间产生向下的加速度，这就导致体重秤受到的压力变小。重力大于支持力，重力不变，所以支持力变小，人对秤的反作用力就会变小，进而体重秤的读数变小，体重秤会向上运动。 一个普通人是否能通过固定滑轮抬起100千克重的东西？ 其实，即便借助固定的滑轮，你所能拉起的物体重量也不会比空手抬起的重量大，甚至比空手抬起的重量还要小一些。另外，当你通过固定的滑轮拉物体时，你所能拉起的物体重量一般不会比你的体重大。一个普通人的体重一般不会大于100千克，所以，你不可能通过这个方法拉起100千克的物体。固定的滑轮只能改变运输物品的方向，却并不能省力。 为什么拖拉机能在泥上平稳行驶，人和马却很容易陷进泥中？ 每平方厘米的接触面积上所受到的压力越大，物体越容易陷进去。对于履带拖拉机来说，虽然它自身的确很重，但是分摊到履带上的压力却比人脚和马蹄上的压力小多了。所以，我们就很容易理解，为什么人和马很容易陷入泥泞的土地里，而履带拖拉机却不会。 在前进的火车车厢里向上跳，落地时会落在哪里？ 仍然会落在起跳的位置。 有人可能认为，跳到空中的时候，地板跟车厢会一起向前行进，所以会落在车厢后面的某个位置。 一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持原有的运动状态或静止状态叫作惯性。一切物体都具有惯性，车厢确实在前进，但是由于惯性的作用，你也在前进，并且你的行进速度跟车厢是相等的，所以你会落在起跳的位置。 为什么从冰上爬行过去比较安全？ 冬天，河水或湖泊中的水会结成冰，当冰不够厚时，人们总是从冰上爬过去，这是为什么呢？原来，对于爬行在冰上的人来说，虽然不会因为趴着而使体重变轻，但是由于跟冰面的接触面积变大，所以每平方厘米受到的压力就会变得很小。也就是说，压强变小了。这样冰面就不容易裂开，人就不会掉下去。 有时，人们甚至会找一块宽大的木板，躺在上面滑冰，这样就更安全了。另外，冰能承受多大压力和冰的厚度有关。冰的厚度超过一定值时才能承受一个人的体重。 谁能更轻松地把球抛给对方？ 两个人分别站在正在行驶的船的两端，向对面抛球，如果船的行驶速度是均匀的，也就是进行匀速直线运动，那么这两个人可以同样轻松地把球抛给对方。行驶的船与静止的船没有任何差别。有人可能以为，靠近船头的人会远离球，靠近船尾的人会靠近球。实际上，由于惯性的作用，球和船的速度是相同的，船上的人和球的速度也是相同的。所以，每个人都一样轻松，谁也不会占便宜。 拉绳子时，如何保证绳子的中部不下垂？ 当我们沿水平方向拉直绳子，不管多么用力，都不可能使绳子的中部不下垂。绳子的中部之所以会下垂，是因为绳子始终受到重力的作用，而我们给的作用力不在垂直方向上，这两个力的合力不可能达到相互抵消，也就无法使绳子的中部不下垂。 比如，不管使多大的力，我们也不可能把吊床完全拉平。人躺在上面时，在人的重力作用下，一样会下垂。总之，我们作用在水平方向上的力无论多大，都不可能完全拉直绳子，我们只能尽量减小下垂的程度。除非在垂直方向向上拉绳子，否则，绳子的中部一定会下垂。 向车窗外扔玻璃瓶，如何保证玻璃瓶更不容易碎？ 你可能听说过，如果我们从行驶中的车上向下跳，沿着车运动的方向往前跳会更安全一些，因为这样跳更不容易摔伤。所以，我们似乎可以推理出，在汽车行驶过程中应该把瓶子往前扔，这样落地时瓶子所受到的冲击力*小。 但是实际上，这一推理是错误的。我们应该把瓶子往后扔，也就是跟车厢运动方向相反的方向。这时，我们给瓶子的速度会抵消瓶子惯性带来的速度。于是，当瓶子接触地面的时候，它的速度会减小。如果往前扔瓶子，情况正好相反，瓶子得到的速度是两个速度的叠加，瓶子获得的速度反而变大了，它所受到的冲击力也就变大了，因此更容易破碎。 为什么铁轨之间要留空隙？ 在铺铁轨的时候，在铁轨之间必须留空隙，而不能把它们紧紧地连在一起，否则铁轨就无法正常使用了。这是为什么呢？ 我们都知道，物体具有热胀冷缩的特性，铁轨也一样。夏天的时候，在日晒的作用下，铁轨会变长。如果不预留空隙，铁轨就会相互挤压，进而发生变形，甚至会把用来固定铁轨的道钉挤脱落。预留的空隙也要考虑冬天的情况，冬天时，天气比较寒冷，铁轨会收缩，铁轨之间的空隙会变大。为了保证火车的正常运行，铺铁轨的时候，一定会根据当地的气候条件来计算空隙的距离。 掉进玻璃瓶里的软木塞为什么不会在倒水时被水带出来？ 生活中你可能遇到过这样的情况：一块软木塞掉进了装着水的玻璃瓶里，软木塞的大小跟瓶口差不多，按道理正好能从瓶口拿出来，但是不管我们怎么倾斜或翻转玻璃瓶，总是无法把软木塞带出来。于是我们开始倒水，但是直到我们快要倒空玻璃瓶里的水时，它才会掉出来。这是为什么呢？ 其实这是因为软木塞的密度比水小，所以它总是浮在水面上。在倒水的时候水面产生波动，软木塞会随着水面运动，只有当瓶子里的水快倒完的时候，软木塞才可能靠近瓶口的位置。所以，只有这时候，软木塞才会从瓶口掉出来。